太陽能超聲波導盲器的研制

摘要：為了幫助盲人克服行走不便的困難，提出了基于單片機的太陽能超聲波導盲器的設計方法和工作原理。該導盲器由單片機主控制系統(tǒng)模塊、太陽能供電模塊、語音報警模塊、量程設置模塊、溫度檢測模塊組成。其特點是溫度補償技術提高了測距精確度，太陽能供電模塊高效節(jié)能，克服了盲人充電不方便的困難，智能報警模式可以改善導盲器的使用效果。
關鍵詞：太陽能；溫度補償；超聲測距；導盲器

0 引言
    為了更好地幫助盲人行走，各科研機構研制了各種電子導盲設備。傳統(tǒng)電子導盲裝置存在以下不足：使用普通電池，工作時間短，需要頻繁更換電池；傳感器受外界影響較大，探測精度不高；操作復雜，并且造價昂貴。
    超聲波測距是一種非接觸式檢測方式，利用其可測范圍廣，不受光線和被測物體顏色的影響等優(yōu)勢，可以解決很多問題，在工業(yè)控制、勘探測量、精確定位和交通安全等領域都有廣泛的應用。目前超聲測距實現(xiàn)方便，計算簡單，容易實現(xiàn)實時控制，并且在測量精度上能達到使用的要求，因此可以很好地使用于導盲器的研制中。

1 超聲波傳感器及測距的原理
    超聲波是指頻率高于20 kHz的機械波，超聲波傳感器是在超聲波頻率內將交變的電信號轉換成聲音信號或者將外界聲場中的聲音信號轉變?yōu)殡娦盘柕哪芰哭D換器件，習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來工作的，其壓電效應具有可逆性。逆壓電效應是將高頻脈沖轉換成高頻機械振動，以產生超聲波，可作為發(fā)射探頭。正壓電效應是將高頻機械振動轉化成高頻電脈沖，可接收超聲波信號，作為接收探頭。
    超聲波測距的原理一般是回波渡越時間法，即檢測從超聲波發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波，經(jīng)空氣介質的傳播，與其遇到障礙物后產生回波，并被超聲波接收探頭接收的時間差△t，即渡越時間，求出聲源到障礙物的距離S，計算公式為：
    S=v△t／2 (1)
    式中v為某一溫度下的超聲波速。

2 實驗裝置與控制方法
    本項目研究的太陽能超聲波導盲器從功能上分為太陽能供電、語音報警、量程設置、溫度檢測、主控制系統(tǒng)等五個模塊，其原理框圖如圖1所示。

    太陽能電池板固定在導盲器支架頂端，通過驅動電路連接到可充電的鎳氫電池為導盲器提供5 V直流電。超聲波傳感器和溫度傳感器固定在導盲器支架前端，分別連接到主控制電路上。使用時，先選擇量程，打開開關，溫度傳感器檢測環(huán)境溫度，并將檢測到的溫度信號傳輸給單片機，單片機對超聲波傳播速度進行修正。在量程范圍內，當超聲波信號遇到障礙物時，信號被反射回來，并被超聲波傳感器接收。信號發(fā)射到接收的時間差與障礙物的位置有關，單片機通過分析超聲波發(fā)射到返回的時間差，可以計算出障礙物的距離，并執(zhí)行報警程序，語音報警聲可以通過耳機接線口連接到耳機。
2．1 主控制模塊
    主控制模塊主要由單片機進行控制，包括了超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路，由于要實現(xiàn)遠距離測量，而超聲波在空氣中傳播，其能量會隨傳播距離的增大而減小，從遠距離傳播回來的信號比較弱，需要經(jīng)過多級信號放大。
2．1．1 超聲波發(fā)射電路
    發(fā)射電路主要由反向器74LS04和TCT40-1F超聲波發(fā)射傳感器構成，單片機P2．0端口輸出的40 kHz方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波傳感器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波傳感器的另一個電極。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅動能力。上拉電阻既可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動能力，也可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。其原理圖如圖2所示。

2．1．2 超聲波接收電路
    超聲波接收器采用與發(fā)射器相配對的TCT40-2S，將超聲波調制脈沖轉換為40 kHz的電壓信號。集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，內置前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器、整型電路等。其中前置放大器具有自動增益控制功能，可保證在超聲波接收較遠反射信號而輸出微弱電壓時，放大器有較高的增益，而在近距離輸入信號強時，放大器不會過載。考慮到紅外遙控常用的載波頻率為38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路，如圖3所示。利用CX20106A接收超聲波，具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。

2．2 溫度補償模塊
    由于超聲波屬于聲波范圍，其波速v與溫度有關，聲波速度受溫度影響較大。其傳播速度與溫度T的關系為：
   
    增加溫度傳感器，檢測裝置工作時的溫度，將接收到的溫度信息傳至單片機，對超聲波的速度進行溫度補償，可以校正超聲波的傳播速度，提高測量精確度。利用集成溫度傳感器DS18B20和AT89S52單片機為主體，可以構成一個高精度的數(shù)字溫度檢測系統(tǒng)，其電路如圖4所示。DS18B20溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，它能夠直接讀出被測的溫度值，并且可根據(jù)實際要求，通過簡單的編程，實現(xiàn)9～12位的A／D轉換。因而，使用DS18B20可使系統(tǒng)結構更趨簡單，同時可靠性更高。

2．3 語音報警模塊
    普通導盲器的報警方式比較簡單，或者是單一的蜂鳴器報警，或者只有語音報警，二者都存在缺陷。結合兩種報警方式，設置蜂鳴器和語音芯片作為聲音報警器，使用者若選用語音芯片，系統(tǒng)可根據(jù)距離探測的結果語音報出障礙物的距離，也可以根據(jù)需要選擇蜂鳴器直接報警。在近距離模式中，可以用蜂鳴器的頻率來表示距離的遠近，遠的時候采用低頻率的蜂鳴聲，近的時候采用頻率高的蜂鳴聲，使用者可以根據(jù)聲音頻率的高低快速準確地判斷前方障礙物的大致距離。在遠距離模式中，采用語音報警模式來表示前方障礙物的距離，語音報警模塊采用的語音芯片是WT588D。
    語音系統(tǒng)的原理框圖如圖5所示，分語音存儲和語音播放兩部分。系統(tǒng)利用單片機進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)處理轉換為可判斷語音芯片播放哪段語音的判斷信號。然后驅動耳機播放聲音信號，利用WT588D VoiceChip軟件可以對語音芯片進行編輯、聲音錄入等操作。

2．4 量程設置模塊
    本裝置預設遠距、中距、近距三個量程用來控制報警的距離，系統(tǒng)初始報警距離為近距1 m，按中距和遠距按鍵可分別將初始報警距離設為3m和6m。
2．5 太陽能供電模塊
    通過太陽能光伏電池發(fā)出的直流電驅動系統(tǒng)，并以可充電的鎳氫電池作為積蓄太陽能發(fā)電板的剩余電力的設備。太陽能供電模塊由太陽能電池、太陽能控制器、蓄電池和DC-DC轉換器等組成，如圖6所示。太陽能控制器可以控制蓄電池對太陽能的采集和儲存的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到保護作用，延長蓄電池使用壽命。

3 算法設計與實驗結果分析
3．1 算法設計
    本裝置軟件的控制核心為AT89S52單片機，單片機通過讀取量程設置值和溫度值對初始設置狀態(tài)進行修改，控制發(fā)射超聲波，同時啟動定時器計時，為了避免接收傳感器直接接受發(fā)出的超聲波，可在發(fā)射超聲波后設置一段延時。當超聲波探測器探測到回波時，計時器停止計時，讀取時間差，根據(jù)回波測距原理計算出障礙物距離，并執(zhí)行報警程序，程序流程圖如圖7所示。由于采用的是12 MHz的晶振，計數(shù)器每個計數(shù)就是1μs，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)(即超聲波來回所用的時間)按式(3)計算，即可得被測物體與測距器之間的距離S，假設溫度為20℃，則對應聲速v為344m／s，則有：
    S=(v·△t)／2=172 T0／10 000cm   (3)
3．2 實驗結果分析
    試驗中選用一紙箱作為障礙物，將報警模塊換為液晶顯示器進行定量測量，不同氣溫下在同一點位置測量5個值，添加溫度補償和量程選擇，得到如表1所示結果。

    由此可以看出，本實驗的相對誤差較小，但是由于盲區(qū)的出現(xiàn)，所測的結果不能與標準值完全相等。并且當障礙物距離比較近時，測量精確性較高；障礙物較遠時，精確性相對較低；這是由于距離較遠時，超聲波回波信號較弱，噪聲較大，容易產生誤差。

4 結語
    目前導盲器的研究較多，本實驗提出的設計方案特點是以太陽能作為系統(tǒng)的動力來源，采用半導體數(shù)字溫度傳感器實現(xiàn)對單片機超聲波測距系統(tǒng)的溫度測量和補償，從而對聲速進行補償，對引起測量誤差的因素進行修正處理，可以提高導盲器的導盲精度及靈敏度。由于預留了單片機引腳，便于進行功能拓展，同時導盲器系統(tǒng)以模塊化進行組裝，適宜增加其他功能模塊。例如可以添加GPS定位器，可以幫助盲人家屬及時了解盲人的行蹤，避免盲人走失。而且本設計具有操作簡便、體積較小等優(yōu)點，因此可以很好地應用于實際生活中。