太陽(yáng)能超聲波導(dǎo)盲器的研制

摘要：為了幫助盲人克服行走不便的困難，提出了基于單片機(jī)的太陽(yáng)能超聲波導(dǎo)盲器的設(shè)計(jì)方法和工作原理。該導(dǎo)盲器由單片機(jī)主控制系統(tǒng)模塊、太陽(yáng)能供電模塊、語(yǔ)音報(bào)警模塊、量程設(shè)置模塊、溫度檢測(cè)模塊組成。其特點(diǎn)是溫度補(bǔ)償技術(shù)提高了測(cè)距精確度，太陽(yáng)能供電模塊高效節(jié)能，克服了盲人充電不方便的困難，智能報(bào)警模式可以改善導(dǎo)盲器的使用效果。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；溫度補(bǔ)償；超聲測(cè)距；導(dǎo)盲器

0 引言
為了更好地幫助盲人行走，各科研機(jī)構(gòu)研制了各種電子導(dǎo)盲設(shè)備。傳統(tǒng)電子導(dǎo)盲裝置存在以下不足：使用普通電池，工作時(shí)間短，需要頻繁更換電池；傳感器受外界影響較大，探測(cè)精度不高；操作復(fù)雜，并且造價(jià)昂貴。
超聲波測(cè)距是一種非接觸式檢測(cè)方式，利用其可測(cè)范圍廣，不受光線和被測(cè)物體顏色的影響等優(yōu)勢(shì)，可以解決很多問(wèn)題，在工業(yè)控制、勘探測(cè)量、精確定位和交通安全等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。目前超聲測(cè)距實(shí)現(xiàn)方便，計(jì)算簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度上能達(dá)到使用的要求，因此可以很好地使用于導(dǎo)盲器的研制中。

1 超聲波傳感器及測(cè)距的原理
超聲波是指頻率高于20 kHz的機(jī)械波，超聲波傳感器是在超聲波頻率內(nèi)將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲音信號(hào)或者將外界聲場(chǎng)中的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的能量轉(zhuǎn)換器件，習(xí)慣上稱為超聲波換能器，或是超聲波探頭。超聲波探頭材料是壓電晶體或壓電陶瓷，這種探頭統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭，利用壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)工作的，其壓電效應(yīng)具有可逆性。逆壓電效應(yīng)是將高頻脈沖轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，以產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭。正壓電效應(yīng)是將高頻機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化成高頻電脈沖，可接收超聲波信號(hào)，作為接收探頭。
超聲波測(cè)距的原理一般是回波渡越時(shí)間法，即檢測(cè)從超聲波發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波，經(jīng)空氣介質(zhì)的傳播，與其遇到障礙物后產(chǎn)生回波，并被超聲波接收探頭接收的時(shí)間差△t，即渡越時(shí)間，求出聲源到障礙物的距離S，計(jì)算公式為：
S=v△t／2 (1)
式中v為某一溫度下的超聲波速。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與控制方法
本項(xiàng)目研究的太陽(yáng)能超聲波導(dǎo)盲器從功能上分為太陽(yáng)能供電、語(yǔ)音報(bào)警、量程設(shè)置、溫度檢測(cè)、主控制系統(tǒng)等五個(gè)模塊，其原理框圖如圖1所示。

太陽(yáng)能電池板固定在導(dǎo)盲器支架頂端，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路連接到可充電的鎳氫電池為導(dǎo)盲器提供5 V直流電。超聲波傳感器和溫度傳感器固定在導(dǎo)盲器支架前端，分別連接到主控制電路上。使用時(shí)，先選擇量程，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，溫度傳感器檢測(cè)環(huán)境溫度，并將檢測(cè)到的溫度信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)超聲波傳播速度進(jìn)行修正。在量程范圍內(nèi)，當(dāng)超聲波信號(hào)遇到障礙物時(shí)，信號(hào)被反射回來(lái)，并被超聲波傳感器接收。信號(hào)發(fā)射到接收的時(shí)間差與障礙物的位置有關(guān)，單片機(jī)通過(guò)分析超聲波發(fā)射到返回的時(shí)間差，可以計(jì)算出障礙物的距離，并執(zhí)行報(bào)警程序，語(yǔ)音報(bào)警聲可以通過(guò)耳機(jī)接線口連接到耳機(jī)。
2．1 主控制模塊
主控制模塊主要由單片機(jī)進(jìn)行控制，包括了超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路，由于要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量，而超聲波在空氣中傳播，其能量會(huì)隨傳播距離的增大而減小，從遠(yuǎn)距離傳播回來(lái)的信號(hào)比較弱，需要經(jīng)過(guò)多級(jí)信號(hào)放大。