基于ATmega8單片機(jī)的紅外導(dǎo)盲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為幫助盲人群體更方便地導(dǎo)盲，設(shè)計(jì)了用單片機(jī)控制的紅外導(dǎo)盲系統(tǒng)。以ATmega8單片機(jī)為控制核心，選用基于PSD原理的紅外測(cè)距傳感器GP2Y0A02YK0F。單片機(jī)利用ADC端口實(shí)時(shí)采集測(cè)距傳感器的模擬輸出信號(hào)，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波，以消除噪聲干擾。單片機(jī)將得到的距離值與門限值進(jìn)行比較，并控制語(yǔ)音播報(bào)電路發(fā)出距離提示信息。該系統(tǒng)能檢測(cè)前、左、右3個(gè)方向1. 5 m內(nèi)的障礙物信息，抗干擾性強(qiáng)，穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞：GP2Y0A02YK0F；導(dǎo)盲；紅外測(cè)距；ISD4004芯片

0 引言
    盲人在行走引導(dǎo)方面有很大的困難，目前盲人的導(dǎo)盲主要是依靠手杖敲擊路面來(lái)判斷前方是否有可行的路線，這種方法效率不高，且有一定的局限性，無(wú)法告知盲人周圍障礙物的分布情況和距離。本文對(duì)采用光電式的導(dǎo)盲方式進(jìn)行了探索研究，提出了一種單片機(jī)紅外避障導(dǎo)盲系統(tǒng)的簡(jiǎn)便方案，通過(guò)單片機(jī)采集紅外測(cè)距傳感器的信號(hào)，判斷出使用者周圍障礙物的方位和距離，通過(guò)語(yǔ)音芯片發(fā)出報(bào)警提示信息。該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便小巧，穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。

1 紅外距離傳感器的選擇
    常見的紅外距離傳感器是運(yùn)用紅外發(fā)射管發(fā)射出一束紅外光，經(jīng)前方的物體反射后在發(fā)射管同一側(cè)用紅外接收管檢測(cè)反射光的強(qiáng)度，從而大致判斷出傳感器和障礙物的距離。但這種方法對(duì)距離的判斷誤差比較大，因?yàn)楦鞣N物體表面的反射率因材料的不同而各不相同，對(duì)反射接收到的光信號(hào)很難同一定標(biāo)，且該方法容易受到環(huán)境光的影響。
    Sharp公司的光電距離傳感器GP2Y0A02YK0F可以克服上述缺點(diǎn)。該傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。它內(nèi)部集成了紅外調(diào)制光發(fā)射器、信號(hào)處理電路、位置敏感探測(cè)元件、輸出接口電路等模塊。輸出與測(cè)量距離成比例的模擬電平信號(hào)。檢測(cè)的距離范圍為20～150 cm。

    該傳感器的距離測(cè)量是基于PSD(Position Sensitive Detector)原理，如圖2所示。一個(gè)紅外發(fā)射LED先將一束調(diào)制光照射到目標(biāo)物體表面，形成一個(gè)光點(diǎn)，從光點(diǎn)反射回來(lái)的光經(jīng)探測(cè)器的透鏡聚焦后投射到一個(gè)特殊的線性位置敏感探測(cè)元件上。反射光的入射角隨傳感器到目標(biāo)物體表面距離的不同而改變，因而投射到位置敏感探測(cè)元件上的位置也不同。在位置探測(cè)元件上投射的光點(diǎn)就與目標(biāo)物體的距離存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。通過(guò)檢測(cè)位置敏感探測(cè)元件上光點(diǎn)的位置，就可以得出傳感器與前方物體的距離。由于光在發(fā)出時(shí)經(jīng)過(guò)調(diào)制，該傳感器對(duì)環(huán)境光有一定的抗干擾性，而且這種方法是探測(cè)反射光的反射角度而非反射光的強(qiáng)度，因而不會(huì)受目標(biāo)物體表面反射率的影響。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2. 1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
    整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。3組紅外測(cè)距傳感器分別用于檢測(cè)前、左、右三個(gè)方向上障礙物的距離情況，傳感器輸出的測(cè)距模擬信號(hào)送入單片機(jī)主控制器中進(jìn)行A／D采樣處理，采樣后的信號(hào)經(jīng)過(guò)軟件濾波后，若判斷距離障礙物較近，則單片機(jī)控制語(yǔ)音播放模塊和音頻放大電路發(fā)出距離提示信息。

2．2 ATmega8單片機(jī)介紹
    系統(tǒng)主控制器選用高性能、低功耗的ATmega8單片機(jī)。ATmega8單片機(jī)是Atmel公司AVR系列的單片機(jī)，采用先進(jìn)的RISC精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)指令為單周期指令，芯片內(nèi)置8K的可編程FLASH存儲(chǔ)器，1 KB的片內(nèi)SRAM，8個(gè)通道的A／D采樣接口。工作電壓為4．5～5．5 V。該款單片機(jī)強(qiáng)大的性能和小巧靈活的特點(diǎn)，使之適合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
2．3 測(cè)距傳感電路
    測(cè)距傳感器與單片機(jī)的連接電路如圖4所示，3個(gè)測(cè)距傳感器GP2Y0A02YK0F的模擬輸出引腳分別與ATmega8單片機(jī)的3個(gè)ADC采樣端口PC0，PC1，PC2連接。這3個(gè)ADC采樣端口有10 b的采樣分辨率，A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間為13～260μs。

    在實(shí)際使用中，由于單片機(jī)的數(shù)字輸出口還和語(yǔ)音播放電路連接，在輸出高速的高低電平時(shí)容易產(chǎn)生噪聲干擾，為避免干擾信號(hào)對(duì)電路其他部分產(chǎn)生影響，在單片機(jī)的VCC電源輸入端放置了100 nF的去耦電容，用以濾除噪聲干擾。ATmega8單片機(jī)還專門為A／D轉(zhuǎn)換電路提供了一個(gè)模擬電源輸入引腳AVCC，在電源信號(hào)連接到AVCC引腳之前，先通過(guò)一個(gè)電感L1和電容C2組成的LC濾波電路，用以吸收數(shù)字電路部分產(chǎn)生的噪聲干擾。單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換參考端AREF選擇AVCC的電源為參考電平，通過(guò)內(nèi)部連線與AVCC相連，避免了外部干擾信號(hào)的影響，AREF引腳也通過(guò)一個(gè)100 nF的電容C3接地，保證了A／D轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。
2．4 語(yǔ)言提示電路
    系統(tǒng)的語(yǔ)音提示部分采用ISD4004芯片來(lái)播放提示語(yǔ)音。ISD4004是一款采用CMOS技術(shù)的語(yǔ)音錄放芯片，內(nèi)部集成有片上振蕩器、抗混疊濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動(dòng)靜噪功能和高密度多電平FLASH存儲(chǔ)陣列。芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，音頻采樣率最大可達(dá)8 kHz，具有播放的聲音清晰自然，功耗低等特點(diǎn)。將事先錄制好各種提示和距離值播報(bào)語(yǔ)音，存儲(chǔ)在ISD4004的FLASH存儲(chǔ)陣列上，由ATme ga8單片機(jī)控制播放，連線如圖5所示。ATmega8單片機(jī)通過(guò)SPI接口控制ISD4004的工作，ISD4004的模擬和數(shù)字電源輸入端都增加了去耦電容，濾除外部噪聲的干擾。

    ISD4004播放的語(yǔ)音信息還需通過(guò)音頻功率放大電路進(jìn)行放大，如圖6所示。功率放大芯片選用LM386音頻集成功放，它的靜態(tài)功耗低，失真小，所需的外圍元件少，適用于手持設(shè)備。輸入音頻信號(hào)通過(guò)一個(gè)用于調(diào)整音量的變阻器R4分壓后輸入LM386的輸入端，連接在芯片第1和第8引腳間的R5和C7用于設(shè)置功放的增益。放大后的音頻信號(hào)從第5引腳Vout端輸出，經(jīng)過(guò)一個(gè)220μF的電容C9隔離直流信號(hào)后驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    ATmega8單片機(jī)控制整個(gè)電路系統(tǒng)的協(xié)同工作，其軟件流程圖如圖7所示。開機(jī)初始化后，ATmega8通過(guò)內(nèi)置的ADC轉(zhuǎn)換端口依次對(duì)3個(gè)方向的紅外測(cè)距傳感器模擬量輸出值進(jìn)行A／D采樣。為減小噪聲干擾和測(cè)量偶然誤差的影響，采用滑動(dòng)平均算法，對(duì)一個(gè)傳感器每隔20 ms連續(xù)采樣8次，取8次采樣的平均值作為這一小段時(shí)間內(nèi)的距離測(cè)量值。將計(jì)算結(jié)果與門限閾值進(jìn)行比較，若判斷出哪個(gè)方向的傳感器與障礙物間的距離小于1．5 m，則單片機(jī)控制語(yǔ)音芯片發(fā)出報(bào)警信息，調(diào)用事先存儲(chǔ)在ISD4004上的語(yǔ)音信息，將方位信息和障礙物距離的值播報(bào)出來(lái)。

4 結(jié)語(yǔ)
    本系統(tǒng)利用ATmega8單片機(jī)采集3個(gè)紅外測(cè)距傳感器GP2Y0A02YK0F的測(cè)量輸出值，探測(cè)前、左、右三個(gè)方向上的障礙物情況，經(jīng)過(guò)滑動(dòng)平均濾波后得到距離值，并在距離值小于門限閾值的時(shí)候發(fā)出語(yǔ)言提示信息。該系統(tǒng)的傳感器采用PSD測(cè)量原理，不受障礙物表面反射率和環(huán)境光的影響，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量準(zhǔn)確?？梢杂行У貛椭と伺袛嗦访嫔险系K物的情況，從而更安全地行走。