超聲波導盲杖的設計

摘要：世界上視覺障礙者數(shù)量眾多，他們只能用60％的感覺來獲取信息。超聲波導盲杖是為視覺障礙者提供環(huán)境導引的輔助工具。它通過超聲波傳感器對周圍環(huán)境進行探測，將探測的信息反饋給視覺障礙者，幫助他們視覺信息的缺失。因而設計一款實用的導盲杖來幫助視覺障礙者是十分重要的。本設計在分析了國內外現(xiàn)有導盲輔助工具特點的基礎上，確定了超聲波導盲杖的總體設計方案，重點闡述了系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計。系統(tǒng)采用PIC12C671作為主控制器，設計了超聲波發(fā)射接收電路和語音報警電路，并進行了軟件程序的編寫，以達到輔助盲人安全行走的目的。
關鍵詞：超聲波；視覺障礙者；PIC12C671；傳感器

0 引言
    隨著電子技術的不斷成熟和發(fā)展，人們對電子產品的需求轉移到為人類的生活上來。依據超聲波測距原理輔助盲人行走，而超聲波導盲杖目前國內市場罕見，與盲人需求相差甚大。綜合分析表明，解決好功能價格比與我國盲人購買力的矛盾，是開拓市場的關鍵。導盲儀器作為用于服務的電子產品的一種，要想使其控制方案更加優(yōu)化、行進軌跡更加合理，模糊控制應用在導盲儀器上是發(fā)展的必然趨勢。將模糊集合理論運用于自動控制而形成的模糊控制理論，在近年來得到了迅速的發(fā)展，其原因在于對那些時變的非線性的復雜系統(tǒng)，無法獲得精確的數(shù)學模型的時候，利用具有智能的模糊控制器能給出有效的控制。

1 超聲波導盲杖的整體設計及原理
1．1 超聲波的相關概念
    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，其指向性強，能量消耗緩慢，傳播的距離較遠。超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到實用的要求，因此在各方面的研制上都得到了廣泛的應用。
1．2 導盲杖的整體設計
    超聲波導盲杖是將超聲波探測障礙物功能與手杖觸探障礙物功能結合為一體。前者適宜先期發(fā)現(xiàn)較遠的和較大的障礙物；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，而語音報警模塊則裝在手杖上端，方便盲人聽到報警聲。本設計主要由單片機和超聲波探測電路、語音報警電路等組成。其中，超聲波探測電路包括超聲波接收電路和超聲波發(fā)射電路。
超聲波導盲杖硬件整體構架如圖1所示：

2 超聲波導盲杖的硬件設計
2．1 微控制器的選型
    PIC12C671具有如下特點：低功耗高速CMOS EPROM／EEPROM技術，寬工作電壓范圍，只有8個引腳，同時具有DIP和SOIC封裝形式。在工作電壓為5 V，時鐘頻率為4 MHz時耗電僅為2 mA，當工作電壓為3 V，時鐘頻率為32 kHz時耗電僅為15μA，而待機模式只有1μA，這個特性適合于電池供電的掌上型電子產品。因此，本設計選擇PIC12C671作為主控芯片。PIC12C671單片機(如圖1所示)是一種功能強大的微控制器，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，反應時間為0．15 s～0．4 s，按照人的最慢反應時間來算，從人感知到前方障礙物到停止前進，依然還要行進0．6 m，而盲人的行走速度要低于正常人的，由此設定障礙物探測距離為3m。因此，本設計采用超聲波傳感器URF04實現(xiàn)該模塊設計。
2．3 系統(tǒng)各功能電路的設計
2．3．1 超聲波發(fā)射電路的設計
   超聲波發(fā)送器包括超聲波產生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個部分。發(fā)射電路利用一個NPN三極管與單片機P1．0腳和超聲波發(fā)生器的發(fā)射探頭相連接。三極管的基極接P1．0，集電極接5 V電源，發(fā)射極接發(fā)射探頭。通過P1．0的二進制信號來控制三極管的通斷，進而來控制發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。當P1．0為低電平時，三極管不通，超聲波不發(fā)射。反之，則發(fā)射。如圖2所示。

2．3．2 超聲波接收電路的設計
    接收電路如圖2所示，R1，R3為基極偏置電阻，提供一個基極電流，保證其不失真的放大。R2，R4為集電極負載電阻，將集電極電流轉換成信號電壓放大輸出。C1，C2，C3為耦合電容。發(fā)射傳感器發(fā)出的經反射后的超聲波脈沖轉變?yōu)槲⑷醯慕涣餍盘枺涍^運算放大器LM358的兩級放大后，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，當輸出端8腳由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑瑢⑵渥鳛閱纹瑱C的中斷請求信號，送至單片機INT0端，以啟動數(shù)據處理子程序。
2．3．3 語音報警電路的設計
   語音報警模塊采用美國ISD公司的2560芯片，錄放時間可達60 s。ISD2500系列具有抗斷電、音質好、使用方便等優(yōu)點。它的最大特點在于片內E2PROM容量為480 kB，錄放時間長；有10個地址輸入端，尋址能力可達1024位；最多能分600段；設有OVF(溢出)端。當遇到障礙物的時候語音芯片發(fā)出蜂鳴聲提醒避障，語音芯片供電為5 V，使用時必須采用相應的音頻輸出電路。ISD2560通過串口接收主控電路發(fā)送的命令和數(shù)據，命令和數(shù)據以幀的方式進行封裝和發(fā)送，生成需要的語音輸出。如圖2所示。

3 超聲波導盲杖的軟件設計
    軟件設計主要由主程序、超聲波發(fā)送子程序和數(shù)據處理子程序等組成。通電后主程序無限循環(huán)，初始化后系統(tǒng)設置一系列初始值，包括超聲波發(fā)射間隔數(shù)、定時器定時初值、報警門限值等，然后再根據需要對初始設定值進行修改，初始值報警距離設定為3 m，即3 m內有障礙物時即驅動蜂鳴器發(fā)出聲音，程序控制發(fā)送0．2ms寬度的超聲波，同時啟動定時器計時；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，由于設置超聲波頻率為40 kHz，超聲波常溫下在空氣中的傳播速度是340 m／s，計算可知延時6個脈沖就可以了。
3．1 主程序
    主程序首先對系統(tǒng)初始化，然后循環(huán)調用超聲波發(fā)送子程序和數(shù)據處理子程序程序。超聲波發(fā)送子程序控制超聲波的發(fā)射，同時單片機開始計時，若有回波，則單片機停止計時，同時通過數(shù)據處理子程序計算結果并報警；反之，則返回。如圖3所示。

3．2 超聲波發(fā)送程序的設計
    本設計利用單片機控制超聲波的發(fā)射。超聲波接收電路將超聲波調制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?，經處理電路輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，作為中斷請求信號送至單片機處理。超聲波發(fā)送子程序為定時器初始化后，單片機控制傳感器發(fā)射一段一段的超聲波。如圖4所示。

3．3 數(shù)據處理程序的設計
    數(shù)據處理程序為有回波后進入外部中斷程序，關閉外部中斷并開始讀取時間值并計算距離，若輸出結果小于設定值，則系統(tǒng)報警；若輸出結果大于設定值，則返回主程序。如圖5所示。

4 結論
    經測試，本設計的控制器能夠探測到控制器前方障礙物，并對3 m以內的障礙物進行語音報警。該超聲波導盲杖應用超聲波測距原理可以使盲人及時避障，準確可靠，靈敏度高，同時采用人性化設計，用語音提示，便于盲人使用，為他們的生活帶來方便。由于顧及盲人購買力水平，同時結合當今導盲輔助工具的研究狀況，以及功能設計的簡單化，本設計為超聲波導盲杖，并進行了系統(tǒng)硬件和軟件兩方面的設計。