基于超聲波的路障預警系統*

作者簡介：劉熙明（1993—），男，貴州畢節人，碩士，助理工程師，主要從事自動控制、嵌入式控制、物聯網、大數據方面研究。

0   引言

盲人出行一直以來都是我們比較關注的問題，由于各種生理上的缺陷，在出行的時候，他們看不見周圍的一切，不知道前面是否有障礙物，如果在行走的過程中前面有人或者物體擋住，直接走過去會出現碰撞的情況，再比如失聰的人在馬路上走著根本聽不到呼嘯而來的汽車聲音，很容易引發危險。本文設計了一種針對殘障人士尤其是失明和失聰人士的超聲波路障預警系統，殘障人士安裝上這種系統之后能夠通過避障超聲波傳感器判別前面是否有障礙物，如果有物體，通過振動或語音提醒使用者規避^[1]。通過路障預警系統，能夠為殘障人士的出行提供更加安全的保障和保護，減少他們在路上出現意外的可能性，體現了對殘障人士的關懷，為他們的生命增添一份保護。

1   超聲波測距介紹

超聲波和人耳能夠聽到的聲音一樣，都是由物體的震動發出來的，根據物理學中對聲波的定義，我們把頻率高于20 kHz 的聲波叫做“超聲波”，超聲波具有良好的方向性，對物體的穿透能力強^[2]。超聲波測量距離的原理是波的反射，其測量過程如下：首先利用超聲波傳感器對準被測物體，發射出超聲波的同時開始計時。之后超聲波在空氣中開始傳播，遇到障礙物之后被反射回到超聲波能量轉換器，通過發射和接受之間的時間差計算出傳播時間，然后根據超聲波的傳遞速度和傳遞時間就能計算出距離。測量的距離D的計算公式為

D=ct/2

其中c 為聲波在介質中的傳播速度，t 為時間，超聲波發射出去之后遇到障礙物被反射回來，走了2 倍的距離，因而得到上面的計算公式^[3]。

2   系統設計

本文需要設計出一個基于超聲波路障預警系統，利用聲音的特性達到為盲人報警、預判危險的目的，其工作機理是：整個系統包括聲音傳感器和超聲波測距模塊，安放在盲人或者聾啞人的胸前，聲目標預警系統安裝的超聲波測距裝置主要用于檢測盲人在行走時前面是否有障礙物或者是行人，通過超聲波測距裝置測量出目標或者是障礙物離人的距離，提醒盲人規避或者是停止朝前運動，避免受傷^[4]。本設計的整個系統主要由聲目標預警電路、超聲波發射電路、接收電路、放大電路、單片機最小系統、液晶顯示電路以及電源電路組成，系統整體結構如圖1所示。

3   硬件電路設計

3.1 超聲波發射和接收電路設計

超聲波傳感器是一種利用超聲波特性做成的特殊傳感器，我們知道，超聲波是一種振動頻率比較高的機械波，可以通過電壓去激勵換能晶片讓其震動產生超聲波。超聲波具有很高的頻率、比較短的波長，尤其是十分良好的方向性；對于液體和固體的穿透能力十分強大。要使用超聲波作為檢測手段，首先要發射出超聲波和接收到超聲波，因此我們需要一種超聲波傳感器，通常稱之為超聲探頭或者是超聲波換能器。

圖2 超聲波發射電路原理圖

超聲波接收轉換電路主要是由超聲波換能器、前級放大電路和鎖相環檢波電路構成；整個超聲波接收電路如圖2 所示。超聲波傳感器接收到反射波之后，由于經過超聲波傳感器轉換出來的壓電信號十分的微弱，不足以驅動LM567 構成的鎖相環電路，因此在超聲波傳感器的輸出級和鎖相環的輸入級之間增加了信號放大電路，對超聲波傳感器轉換出的信號進行放大，在放大有用信號的同時加入了濾波電路，驅動后面的鎖相環，此處的中間級放大電路不但能夠對有用的信號進行放大，同時也能抑制其他的干擾和噪聲，從而提升信噪比，利于后續電路的設計。圖3 是超聲波接收電路原理圖。

圖3 超聲波接收電路原理圖

3.2 單片機最小系統電路設計

對于本系統而言，采用STC89C51 芯片作為主控制器，該芯片支持在串口下載單片機程序，因此在我們對程序進行反復燒寫時不需要頻繁的插拔單片機，因此不會對芯片造成損害。單片機最小系統電路如圖4 所示。

圖4 單片機最小系統電路

3.3 電源電路

由于系統需要做成能夠讓盲人或者使用者放在身上的裝置，因此需要盡量減輕質量，就本系統而言，需要的電壓不是很高，只需+50 V 直流電壓即可，電源提供的功率也不需要太高，因此使用電池加上穩壓電路。3種電路模塊電路圖如圖5 所示，通過蓄電池輸出120 V直流電源，經三端集成穩壓芯片之后輸送至用電器，弊端是這種穩壓模塊只能提供有限的功率，但是鑒于本系統所使用的器件都屬于小規模低功耗器件，因此這種供電方案完全能夠滿足系統的需求，系統供電方案原理圖如圖5 所示。

圖5 系統供電方案原理圖

3.4 顯示電路和鍵盤電路設計

對于液晶顯示部分，由于本系統只需要顯示系統所測量出的有障礙物時候的距離，方便測試和維護系統。LCD1602 是一款顯示十分優秀的液晶顯示器，能同時顯示16×2 也就是32 個字符。該液晶顯示器采用標準16 腳接口，其中有3 根控制線，8 根雙向數據線，其余的引腳皆為電源或地。我們在控制的時候利用單片機的P0 口和1602 的雙向數據接口通信，用P2 口和液晶的控制線連接，此處需要在P0 口添加上拉電阻，以保證液晶的正常工作。圖6 為本系統液晶顯示器和單片機部分的電器原理圖。

圖6 LCD1602液晶顯示電路原理圖

3.5 報警電路設計

報警電路主要用于在系統檢測到有危險靠近的時候立即發出報警信號，提示使用者注意危險，由于使用者基本都是殘疾人，如果使用聲音報警的話，失聰的人不能聽到報警信號，因此不宜使用聲音報警；而如果使用光報警的話，失明的人無法看到報警信號，也就是說，考慮到系統所面向群體的特殊性，所以選用一種新的方式報警，以手機中的振子作為報警裝置。使用者把這個設備貼在離皮膚比較近的地方，當有危險靠近的時候，振子就會震動發出信號提醒使用者有危險，振子是一種直流電機做成的偏心電機，因此可直接使用三極管作為驅動，圖7 為驅動電路。

圖7 報警電路

4   系統調試

硬件功能調試通過及軟件程序編譯完成之后，通過USB 轉串口的方式把程序下載到目標系統上，在上電運行之后發現系統能夠正常轉換距離數據，正常檢測前面的物體。出于安全考慮把系統的聲目標系統檢測的安全距離設置為100 m，這個距離可以通過傳感器模塊上的電位器進行調節，設置為100 m 是因為聲目標傳感器主要是檢測車輛，而車輛的移動速度很快，因此需要一個很大的安全距離供行人在有危險的時候做出反應。而對于跟前的障礙物檢測，一般設置安全距離在1.50 m~20 m比較合適，因為人的速度比較慢，這個安全距離完全足夠行人在碰到障礙物的時候做出反應并停止向前運動。經過實物測試之后發現，避障模塊能夠完全發揮作用，當前面沒有物體的時候不會做出任何反應，繼續掃描，而當前面的物體距離行人的距離比較近的時候，則會報警，并且在用于測試的液晶接口上面顯示障礙物距離行人的距離，所測量距離準確，響應速度快，反應時間短，能夠很好地幫助行人避障。

參考文獻：

[1] 陳美鑾,尹浩,黎飄,等.智能盲人導行儀的設計與實現[J].電子技術應用,2006(10):2-5.

[2] 羅慶生,韓寶玲.一種基于超聲波與紅外線探測技術的測距定位系統[J].計算機測量與控制,2005(4):1-3.

[3] 路錦正,王建勤,楊紹國,等.超聲波測距儀的設計[J].傳感器技術,2002(8):9-11.

[4] 牛余朋,成曙.基于單片機的超聲波測距系統[J].兵工自動化,2005(4):44-46.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年9月期）