基于超聲波測距的導(dǎo)盲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：文章設(shè)計(jì)了一種基于超聲波測距原理的導(dǎo)盲系統(tǒng)。系統(tǒng)以STC125A60S2單片機(jī)為核心控制器件，利用渡越時(shí)間法測量經(jīng)溫度傳感器DB18B-20補(bǔ)償后的距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)盲人行走道路上障礙物距離的測量及定位，并通過SYN6658語音模塊進(jìn)行語音播報(bào)導(dǎo)航。

0 引言

根據(jù)最新研究報(bào)告，中國每年新增盲人大約45萬，預(yù)計(jì)到2020年我國視力殘疾人數(shù)將為目前的4倍，達(dá)5000余萬。由于生理上的缺陷，盲人在生活、工作等方面有著諸多不便。因此，將現(xiàn)今技術(shù)用于盲人導(dǎo)航是十分必要的。

超聲波具有方向性強(qiáng)、能量易于集中、傳播距離較遠(yuǎn)及對(duì)障礙物定位精確等特點(diǎn)，其產(chǎn)品具有體積相對(duì)較小、方便攜帶、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此采用超聲波測距及語音播報(bào)實(shí)現(xiàn)盲人導(dǎo)航，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 超聲波測距的原理

1.1 超聲波測距方法

超聲波是指振動(dòng)頻率大于20kHz以上的聲波。超聲波測距方法主要有相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時(shí)間法三種。其中，相位檢測法精度高，但檢測范圍有限;聲波幅值檢測法易受反射介質(zhì)的影響。因此，本設(shè)計(jì)采用渡越時(shí)間法測距。

超聲波測距的工作原理：發(fā)射換能器向外發(fā)射超聲波，同時(shí)單片機(jī)開始計(jì)時(shí)，超聲波在介質(zhì)中傳播的途中遇到障礙物后會(huì)立即反射回來，當(dāng)接收換能器接收回波時(shí)單片機(jī)停止計(jì)時(shí)，從而得到計(jì)時(shí)器精確記錄的時(shí)間t，再根據(jù)渡越時(shí)間法求出目標(biāo)障礙物距信號(hào)發(fā)射源的距離。

S=ct/2 (1)

對(duì)一般流質(zhì)媒質(zhì)而言，聲波是一種縱波，傳播速度為：c=√E/ρ，其中E為媒質(zhì)的彈性模量; ρ為媒質(zhì)密度;c是復(fù)數(shù)，其實(shí)數(shù)部分代表傳播速度，虛數(shù)部分與衰減常數(shù)有關(guān)。超聲波測距原理圖如圖1所示。

1.2 超聲波測距的溫度誤差分析

空氣密度越高，超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系，此溫度對(duì)測量精度有一定的影響。氣體中聲速受溫度影響最大，超聲波在空氣中傳播速度為

C=331.4×1+T/273 (2)

其中T為環(huán)境攝氏溫度，因此我們需要采用測溫模塊對(duì)溫度產(chǎn)生的影響進(jìn)行補(bǔ)償。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由STC12C5A60S2單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路模塊、回波接收電路模塊、測溫模塊、語音模塊五大部分組成。如圖2所示。

STC12C5A60S2單片機(jī)是本系統(tǒng)的核心，控制各個(gè)模塊協(xié)調(diào)工作。通過單片機(jī)的P1.0引腳控制超聲波發(fā)射電路模塊產(chǎn)生40 kHz的脈沖信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖發(fā)射結(jié)束后，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，超聲波回波信號(hào)通過放大和判別后送到單片機(jī)的外部中斷器，單片機(jī)一旦接收到回波信號(hào)，便產(chǎn)生外部中斷。單片機(jī)STC12C5A60S2停止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，從而得到超聲波的在空氣介質(zhì)中的傳輸時(shí)間t，最后通過溫度補(bǔ)償，利用式(1)計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離，并通過語音模塊播報(bào)提示。

2.2 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)

由于NE555集成芯片搭建電路簡單、需用元件少、容易實(shí)現(xiàn)，并且產(chǎn)生波形失真度小，故本系統(tǒng)采用NE555集成電路作為發(fā)射電路。根據(jù)上述，知發(fā)射端工作頻率為40kHZ，采用NE555芯片構(gòu)成時(shí)基電路及外圍元件構(gòu)成多諧振電路，通過調(diào)節(jié)電阻R3的值從而改變頻率。其工作電路如圖3所示。

圖3中555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，復(fù)位端4由單片機(jī)的P0.4口控制，當(dāng)單片機(jī)給低電平時(shí)，電路停振;當(dāng)單片機(jī)給高電平時(shí)電路起振接通電源后，電容C2來不及充電，6腳電壓Uc=0，則Uc=1，此時(shí)555芯片內(nèi)部的三極管VT處于截止?fàn)顟B(tài)。這時(shí)Vcc經(jīng)過R3和R2向C2充電，當(dāng)充至Uc=2/3 Vcc時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)U1=0，VT導(dǎo)通;這時(shí)電容C2經(jīng)R2和VT放電，當(dāng)降至Uc=1/3Vcc時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)U1=1。C2放電終止、又重新開始充電，周而復(fù)始，形成振蕩。其振蕩周期與充電時(shí)間tPH和放電時(shí)間tPL有關(guān)，振蕩周期為：

由式(4)可知，555多諧振蕩器的振蕩頻率由R2、R3、C2來確定。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，先確定C2、R2的取值，即C2=3300pf，R2=2.7 KΩ。再將C2和R2的值代入式(4)可知：

為增大U1的輸出功率，將555芯片的8腳接+12V的電壓，同時(shí)將其復(fù)位端4接高電平。通過調(diào)節(jié)電位器R3的阻值，使輸出波形的頻率為40k HZ。

2.3 接收端電路設(shè)計(jì)

鑒于回波信號(hào)的變化范圍較大，因此對(duì)放大電路的增益提出了兩個(gè)要求：一是放大增益要大，以適應(yīng)小信號(hào)的需要;二是放大增益能變化，以適應(yīng)信號(hào)變化范圍大的需要。

由于回波信號(hào)為40kHZ交流信號(hào)，頻率較高，當(dāng)回波信號(hào)放大時(shí)，放大器必須具有良好的交流特性，以提高信號(hào)的放大精度。鑒于該接收電路具有信號(hào)的轉(zhuǎn)化、放大、檢波、整流等特性。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖4所示的回波接收電路。

信號(hào)流程：當(dāng)R40收到超聲波時(shí)，R40將超聲波信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，此信號(hào)電壓加到BG2的基極，經(jīng)BG2放大后從集電極輸出，經(jīng)C7耦合到BG3基極，被BG3放大后從集電極輸出，被C8、D5、D6組成的倍壓檢波電路變?yōu)橹绷麟妷骸ｋp倍于交流信號(hào)電壓的直流信號(hào)電壓加到BG3的基極，BG3再放大后由P送往后繼電路。

當(dāng)R40沒有收到超聲波時(shí)，R40沒有交流輸出，BG2處于靜態(tài)，BG3也處于靜態(tài)。C8、D5、D6組成的倍壓檢波電路沒有直流電壓輸出，BG4處于無偏置狀態(tài)，處于截止?fàn)顟B(tài)，無信號(hào)輸出。

BG4是以開關(guān)方式工作的，當(dāng)R40檢測到超聲波時(shí)，BG4飽和，C—E之間等于短路，當(dāng)R40沒有檢測到超聲波時(shí)，BG4截止，C—E之間等于開路。

2.4 溫度測量電路

常溫下，超聲波的傳播速度為340m/s，但傳播速度易受到空氣的溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響，其中溫度的影響最大，一般溫度每升高1℃，聲速增加約為0.61m/s。

本文采用DS18B20檢測現(xiàn)場溫度，用以實(shí)現(xiàn)實(shí)際波速的校準(zhǔn)。DS18B20是DallaS公司開發(fā)的12Wire(單總線)高精度數(shù)字式半導(dǎo)體溫度傳感器。其抗干擾能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換精度高，使用時(shí)無需標(biāo)定或調(diào)試，與微處理器的接口電路簡單，可方便地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)測溫，給硬件設(shè)計(jì)帶來了極大的方便。

DS18B20單總線通信功能是分時(shí)完成的，因此讀寫時(shí)序很重要。系統(tǒng)對(duì)DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。

操作協(xié)議為：初始化DS18B20(發(fā)復(fù)位脈沖)→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲(chǔ)器操作命令→處理數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用STC89S52作為控制核心，P1.7接數(shù)據(jù)總線，控制DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換和傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)據(jù)總線上還要接4.7k左右的上拉電阻。

對(duì)DS18B20采用外部供電，從VDD引腳接入一個(gè)外部電源，優(yōu)點(diǎn)在于I/O線不需要上拉，而且總線控制器無需在溫度轉(zhuǎn)換期間一直保持高電平。這樣在轉(zhuǎn)換期間可以允許在單線總線上傳輸其他數(shù)據(jù)，硬件電路如圖5所示。

2.5 語音電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)語音模塊采用了SYN6658語音模塊。SYN6658通過UART接口或SPI接口通訊方式，接收待合成的文本數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)文本到語音的轉(zhuǎn)換它具有小尺寸貼片封裝、硬件接口簡單、低功耗、音色清亮圓潤等優(yōu)點(diǎn)。除此之外，SYN6658在識(shí)別文本/數(shù)字/字符串中更智能、更準(zhǔn)確，語音合成自然度上升了一個(gè)大的臺(tái)階。本系統(tǒng)利用該芯片進(jìn)行語音播報(bào)從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的效果。

主控制器STC12C5A60S2和SYN6658語音合成芯片之間通過UART接口或SPI接口連接，控制器可通過通訊接口向SYN6658語音合成芯片發(fā)送控制命令和導(dǎo)航提示語句文本，SYN6658語音合成芯片把接收到的導(dǎo)航語句文本合成為語音信號(hào)輸出，輸出的信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后由喇叭播放。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件主要完成超聲波的發(fā)射、接收、單片機(jī)的計(jì)時(shí)及溫度補(bǔ)償后的距離計(jì)算、語音播報(bào)等功能。它包括主程序、計(jì)時(shí)中斷子程序、語音播報(bào)子程序等。其流程如圖6所示。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)經(jīng)過多次試驗(yàn)，測試所得結(jié)果與設(shè)計(jì)要求基本一致。系統(tǒng)成功且精確地測出距離并進(jìn)行了溫度補(bǔ)償計(jì)算，本超聲波測距的導(dǎo)盲設(shè)計(jì)有效距離可達(dá)到3.8m，測量精度為2.0cm，同時(shí)可以實(shí)時(shí)地通過語音模塊播報(bào)提示，具有很好的導(dǎo)航功能，能夠滿足盲人導(dǎo)航器的設(shè)計(jì)要求，為盲人安全、快速行走提供了保障。