超聲波導(dǎo)盲杖的設(shè)計(jì)

摘要：世界上視覺(jué)障礙者數(shù)量眾多，他們只能用60％的感覺(jué)來(lái)獲取信息。超聲波導(dǎo)盲杖是為視覺(jué)障礙者提供環(huán)境導(dǎo)引的輔助工具。它通過(guò)超聲波傳感器對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，將探測(cè)的信息反饋給視覺(jué)障礙者，幫助他們視覺(jué)信息的缺失。因而設(shè)計(jì)一款實(shí)用的導(dǎo)盲杖來(lái)幫助視覺(jué)障礙者是十分重要的。本設(shè)計(jì)在分析了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有導(dǎo)盲輔助工具特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，確定了超聲波導(dǎo)盲杖的總體設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用PIC12C671作為主控制器，設(shè)計(jì)了超聲波發(fā)射接收電路和語(yǔ)音報(bào)警電路，并進(jìn)行了軟件程序的編寫，以達(dá)到輔助盲人安全行走的目的。
關(guān)鍵詞：超聲波；視覺(jué)障礙者；PIC12C671；傳感器

0 引言
隨著電子技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，人們對(duì)電子產(chǎn)品的需求轉(zhuǎn)移到為人類的生活上來(lái)。依據(jù)超聲波測(cè)距原理輔助盲人行走，而超聲波導(dǎo)盲杖目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)罕見(jiàn)，與盲人需求相差甚大。綜合分析表明，解決好功能價(jià)格比與我國(guó)盲人購(gòu)買力的矛盾，是開(kāi)拓市場(chǎng)的關(guān)鍵。導(dǎo)盲儀器作為用于服務(wù)的電子產(chǎn)品的一種，要想使其控制方案更加優(yōu)化、行進(jìn)軌跡更加合理，模糊控制應(yīng)用在導(dǎo)盲儀器上是發(fā)展的必然趨勢(shì)。將模糊集合理論運(yùn)用于自動(dòng)控制而形成的模糊控制理論，在近年來(lái)得到了迅速的發(fā)展，其原因在于對(duì)那些時(shí)變的非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，無(wú)法獲得精確的數(shù)學(xué)模型的時(shí)候，利用具有智能的模糊控制器能給出有效的控制。

1 超聲波導(dǎo)盲杖的整體設(shè)計(jì)及原理
1．1 超聲波的相關(guān)概念
超聲波是一種頻率為20 kHz以上的聲波，具有直線傳播的能力，頻率越高繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，其指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，傳播的距離較遠(yuǎn)。超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到實(shí)用的要求，因此在各方面的研制上都得到了廣泛的應(yīng)用。
1．2 導(dǎo)盲杖的整體設(shè)計(jì)
超聲波導(dǎo)盲杖是將超聲波探測(cè)障礙物功能與手杖觸探障礙物功能結(jié)合為一體。前者適宜先期發(fā)現(xiàn)較遠(yuǎn)的和較大的障礙物；后者適宜于鑒別腳下低矮障礙物及反射聲波不良物。因此，超聲波發(fā)射與接收模塊裝在手杖底部，而語(yǔ)音報(bào)警模塊則裝在手杖上端，方便盲人聽(tīng)到報(bào)警聲。本設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)和超聲波探測(cè)電路、語(yǔ)音報(bào)警電路等組成。其中，超聲波探測(cè)電路包括超聲波接收電路和超聲波發(fā)射電路。
超聲波導(dǎo)盲杖硬件整體構(gòu)架如圖1所示：

2 超聲波導(dǎo)盲杖的硬件設(shè)計(jì)
2．1 微控制器的選型
PIC12C671具有如下特點(diǎn)：低功耗高速CMOS EPROM／EEPROM技術(shù)，寬工作電壓范圍，只有8個(gè)引腳，同時(shí)具有DIP和SOIC封裝形式。在工作電壓為5 V，時(shí)鐘頻率為4 MHz時(shí)耗電僅為2 mA，當(dāng)工作電壓為3 V，時(shí)鐘頻率為32 kHz時(shí)耗電僅為15μA，而待機(jī)模式只有1μA，這個(gè)特性適合于電池供電的掌上型電子產(chǎn)品。因此，本設(shè)計(jì)選擇PIC12C671作為主控芯片。PIC12C671單片機(jī)(如圖1所示)是一種功能強(qiáng)大的微控制器，可以為嵌入式控制系統(tǒng)提供高度靈活而有效的解決方案。
2．2 超聲波傳感器的選型
超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。正常成年人的行走速度為1．5 m／s，反應(yīng)時(shí)間為0．15 s～0．4 s，按照人的最慢反應(yīng)時(shí)間來(lái)算，從人感知到前方障礙物到停止前進(jìn)，依然還要行進(jìn)0．6 m，而盲人的行走速度要低于正常人的，由此設(shè)定障礙物探測(cè)距離為3m。因此，本設(shè)計(jì)采用超聲波傳感器URF04實(shí)現(xiàn)該模塊設(shè)計(jì)。