超聲波導(dǎo)盲器的設(shè)計(jì)

作者：時(shí)間：2012-01-31 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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1 引言

盲人在獨(dú)自行走時(shí)主要依靠導(dǎo)盲裝置。最簡(jiǎn)單常用的裝置是普通的手杖，用它在地面上敲擊，可幫助盲人發(fā)現(xiàn)0.5米以?xún)?nèi)的障礙物。它的主要缺點(diǎn)是不能發(fā)現(xiàn)較遠(yuǎn)一點(diǎn)的障礙物以及空中突出的障礙物。例如，在相當(dāng)于頭部、胸的位置懸掛或突出的物體。另外，盲人還可以利用導(dǎo)盲犬帶路，但是不易訓(xùn)練且成本較高。為了更好的幫助盲人行走, 許多國(guó)家都研究和生產(chǎn)了各種電子導(dǎo)盲裝置，但大多成本較高，如各類(lèi)導(dǎo)盲機(jī)器人及其它電子裝置。本文提出了一種用單片機(jī)開(kāi)發(fā)的超聲波導(dǎo)盲裝置的設(shè)計(jì)方案，它具有低成本、實(shí)用和精確的特點(diǎn)。

2 導(dǎo)盲裝置的功能設(shè)計(jì)及系統(tǒng)組成

導(dǎo)盲裝置主要由超聲波探頭、單片機(jī)以及測(cè)控及處理電路、按鍵、蜂鳴器等組成，可以放在包中，或安裝在帽子上、手杖中。導(dǎo)盲裝置有三個(gè)按鈕，分別是電源開(kāi)關(guān)、遠(yuǎn)距、近距控制按鈕，還有一個(gè)音量調(diào)節(jié)旋紐。該裝置使用電池，電源開(kāi)關(guān)可控制系統(tǒng)通、斷電，不用的時(shí)候關(guān)掉電源，節(jié)省電能。使用時(shí)，超聲波探頭方向指向探測(cè)方向，當(dāng)前方有障礙物時(shí)，在一定距離內(nèi)喇叭會(huì)發(fā)出報(bào)警聲并隨著向障礙物的接近頻率逐漸升高，起到提示作用。遠(yuǎn)距、近距、控制按鈕可用來(lái)控制報(bào)警的距離，通電時(shí)初始報(bào)警距離為2米，按遠(yuǎn)距控制按鈕可將初始報(bào)警距離設(shè)為5米，按近距控制按鈕可將初始報(bào)警距離設(shè)為1米，報(bào)警聲音音量可用音量調(diào)節(jié)旋紐調(diào)節(jié)，有耳機(jī)插孔，可以接耳機(jī)。

該裝置是以AT89C51單片機(jī)作為控制器，利用超聲波回聲測(cè)距的原理測(cè)距，用蜂鳴器進(jìn)行聲音報(bào)警。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、接收放大電路、按鍵控制和聲音報(bào)警電路。AT89C51單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，用來(lái)控制、協(xié)調(diào)各部件的工作。工作時(shí)先由單片機(jī)控制的振蕩源產(chǎn)生40K Hz頻率的信號(hào)以驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器，使它發(fā)射脈沖。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)超聲波脈沖發(fā)射后，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，在檢測(cè)到第一個(gè)回波脈沖的瞬間，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，計(jì)算出從發(fā)射到接收的時(shí)間差Δｔ，最終利用單片機(jī)計(jì)算出距障礙物的距離，并根據(jù)遠(yuǎn)距、近距控制按鈕設(shè)定的測(cè)距值進(jìn)行報(bào)警指示。

圖1超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

3. 超聲波測(cè)距原理

超聲波測(cè)距采用的方法是時(shí)間差測(cè)距法，在超聲波發(fā)生器發(fā)射出超聲波的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)，測(cè)出發(fā)射和接收到回波的時(shí)間差Δｔ。由下式可以求出超聲波發(fā)射地與目標(biāo)之間的距離Ｓ

Ｓ＝ｖΔｔ／２（1）

式中ｖ為超聲波的傳播速度，超聲波常溫下在空氣中的傳播速度是340米／秒，傳播速度與空氣的溫度、濕度等因素的有關(guān)，這里由于測(cè)量距離不長(zhǎng)，測(cè)量精度要求不高，不考慮其他影響，只要測(cè)得超聲波發(fā)射和接收回波的時(shí)間差Δｔ，按（1）式計(jì)算即可。

4 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 超聲波的發(fā)射電路

超聲波的發(fā)射電路主要由高頻三極管及超聲波發(fā)生器組成，如圖2所示,超聲波收發(fā)傳感器采用壓電陶瓷傳感器UCM40，由于頻率為40kHz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳，因此通過(guò)執(zhí)行程序由單片機(jī)P1.0產(chǎn)生40KHz的振蕩信號(hào),經(jīng)過(guò)高頻三極管放大, 驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生傳感器UCM40T發(fā)出40KHz的超聲波脈沖。

圖2 超聲波發(fā)射電路

4.2 超聲波的接收電路

超聲波的接收傳感器采用與發(fā)射傳感器配對(duì)的UCM40R，將由發(fā)射傳感器發(fā)出的經(jīng)反射后的超聲波脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯慕涣餍盘?hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器 LM358的兩級(jí)放大后，送至音頻譯碼集成模塊LM567的3腳。LM567是帶鎖相環(huán)的音頻譯碼器，具有選頻功能，LM567內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率f=1/1.1RC，當(dāng)LM567輸入信號(hào)大于25mV時(shí)，輸出端8腳由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑瑢⑵渥鳛閱纹瑱C(jī)的中斷請(qǐng)求信號(hào)，送至單片機(jī)INT0端，以啟動(dòng)中斷服務(wù)子程序。接收電路如圖3所示。

圖3超聲波接收電路

4.3按鍵及蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路

開(kāi)關(guān)控制電源的通斷,遠(yuǎn)距、近距控制按鈕一端接高電平，另一端分別接單片機(jī)P1.2、P1.3，并同時(shí)經(jīng)與門(mén)接入單片機(jī)INT1端，當(dāng)其中任意按鍵按下時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)送入INT1，同時(shí)，從P1口讀數(shù)判斷按鍵的狀態(tài)并調(diào)用相應(yīng)的子程序進(jìn)行處理。遠(yuǎn)距、近距控制按鈕同時(shí)只有一個(gè)有效，由軟件控制，都按下時(shí)為近距控制按鈕有效。蜂鳴器由三極管驅(qū)動(dòng)，接P1.4，由報(bào)警程序控制，對(duì)應(yīng)不同的按鍵及距離，發(fā)出不同頻率的聲音。

5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，超聲波測(cè)距導(dǎo)盲器的超聲波測(cè)距、按鍵控制、報(bào)警提示都由AT89C51單片機(jī)控制，主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

上電后主程序無(wú)限循環(huán)，初始化后系統(tǒng)設(shè)置一系列初始值，包括超聲波發(fā)射間隔數(shù)、定時(shí)器定時(shí)初值、報(bào)警門(mén)限值等，然后讀取按鍵的狀態(tài)，再根據(jù)按鍵狀態(tài)對(duì)初始設(shè)定值進(jìn)行修改，初始值報(bào)警距離設(shè)定為2米，即2米內(nèi)有障礙物時(shí)即驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音，并且隨著距離的接近，不斷調(diào)整參數(shù)，使得聲音的頻率不斷提高。遠(yuǎn)距、近距控制按鈕分別對(duì)應(yīng)不同的超聲波發(fā)射間隔和報(bào)警門(mén)限、頻率等；程序控制發(fā)送0.2毫秒寬度的超聲波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器Ｔ0計(jì)時(shí)；為避免接收傳感器直接接收到發(fā)射的超聲波，在發(fā)射超聲波之后插入一段延時(shí)，由于設(shè)置超聲波頻率為40KHz , 超聲波常溫下在空氣中的傳播速度是340米／秒,計(jì)算可知延時(shí)6個(gè)脈沖就可以了。延時(shí)后啟動(dòng)接收回波程序，等待接收回波，超時(shí)(即在設(shè)定距離內(nèi)無(wú)障礙物) 即返回前面，若有回波則停止計(jì)時(shí)，讀取時(shí)間差,利用公式(1)計(jì)算出距離，然后執(zhí)行報(bào)警程序，根據(jù)計(jì)算距離結(jié)果及設(shè)定值比較選擇不同參數(shù)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出不同頻率的聲音，距離越近頻率越高。最后返回重新開(kāi)始。

6 誤差分析

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在５米范圍內(nèi)，最大誤差在5cm以?xún)?nèi)，且距離越近，誤差越小，完全滿足導(dǎo)盲的需要。分析誤差主要有幾個(gè)原因：一是空氣溫度變化等引起的聲速變化造成的誤差，由于超聲波在空氣中的傳播速度為V=331.5+0.607t，t為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度，溫度在-30℃--40℃范圍變化時(shí)，傳播速度V的變化范圍為313米／秒--356米／秒，對(duì)利用公式(1)計(jì)算出的距離值有一定影響，采用聲速預(yù)置和傳播介質(zhì)溫度測(cè)量結(jié)合的方法對(duì)聲速進(jìn)行修正，可有效地降低溫度變化產(chǎn)生的誤差。二是發(fā)射與脈沖計(jì)數(shù)由于響應(yīng)快慢差異開(kāi)啟不同步引起的誤差，對(duì)此在調(diào)試中通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)值補(bǔ)償進(jìn)行修正。三是超聲波在傳播過(guò)程由于受衍射、散射和吸收等影響衰減導(dǎo)致的誤差，近距離誤差不明顯，距離越遠(yuǎn)產(chǎn)生的誤差越大，可適當(dāng)增大超聲波的發(fā)射功率等來(lái)改善。四是發(fā)射和接受前置電路延遲的時(shí)間誤差等，而發(fā)射前置電路和接收前置電路中采用集成芯片都有時(shí)間延遲，而計(jì)數(shù)器則一直是在工作，直到回波經(jīng)過(guò)LM567處理后變成負(fù)跳變電信號(hào)產(chǎn)生外部INTO中斷，在整個(gè)計(jì)數(shù)過(guò)程中，多了延遲時(shí)間中的計(jì)數(shù)次數(shù)，導(dǎo)致測(cè)距數(shù)據(jù)的誤差。對(duì)此采取時(shí)間增益控制，來(lái)減少誤差，由于本裝置對(duì)于厘米級(jí)的精度已經(jīng)足夠，電路延遲都是納秒數(shù)量級(jí)，記數(shù)頻率是40KHz，所以減少一個(gè)記數(shù)單位完全可以矯正。針對(duì)誤差原因在程序設(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)試中做了相應(yīng)處理后，收到一定的效果，精度得到一定的提高。

7 結(jié)束語(yǔ)

由于考慮到體積、成本等因素，本裝置在性能上、功能上還存在不足，有待于進(jìn)一步提高：

(1)增加幾路不同方向的超聲波探測(cè)或紅外探測(cè)器以及溫度補(bǔ)償電路等,可以提高裝置的靈敏度和精度,同時(shí)提高可靠性。

(2)可在裝置中增加一個(gè)語(yǔ)音芯片，將蜂鳴報(bào)警改為語(yǔ)音說(shuō)明指示，根據(jù)探測(cè)結(jié)果直接報(bào)出距離、方位,更便于使用。

(3)由于受發(fā)射功率及回波檢測(cè)靈敏度的限制,探測(cè)范圍較小,可增加發(fā)射功率調(diào)節(jié)等電路，以便增大探測(cè)范圍，可用于夜間探路、井下探索等。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：

(1)從測(cè)試結(jié)果分析可知，本裝置采用較低成本的器件設(shè)計(jì)制作，且誤差較小，完全滿足盲人行走的指引作用，具有較高的性?xún)r(jià)比。

(2)本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、性能穩(wěn)定，操作容易、使用方便，可以安裝在不同的載體上，制作成不同的用具，如手杖、導(dǎo)盲眼鏡、導(dǎo)盲背心等，盲人很容易學(xué)會(huì)使用，具有一定推廣應(yīng)用價(jià)值。

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