太陽能超聲波導(dǎo)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(jī)的太陽能超聲波導(dǎo)盲器的設(shè)計(jì)方法和工作原理。該導(dǎo)盲器由單片機(jī)主控制系統(tǒng)模塊、太陽能供電模塊、語音報(bào)警模塊、量程設(shè)置模塊、溫度檢測(cè)模塊組成。其特點(diǎn)是溫度補(bǔ)償技術(shù)提高了測(cè)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(bào)警模式可以改善導(dǎo)盲器的使用效果。
關(guān)鍵詞：太陽能；溫度補(bǔ)償；超聲測(cè)距；導(dǎo)盲器

0 引言
    為了更好地幫助盲人行走，各科研機(jī)構(gòu)研制了各種電子導(dǎo)盲設(shè)備。傳統(tǒng)電子導(dǎo)盲裝置存在以下不足：使用普通電池，工作時(shí)間短，需要頻繁更換電池；傳感器受外界影響較大，探測(cè)精度不高；操作復(fù)雜，并且造價(jià)昂貴。
    超聲波測(cè)距是一種非接觸式檢測(cè)方式，利用其可測(cè)范圍廣，不受光線和被測(cè)物體顏色的影響等優(yōu)勢(shì)，可以解決很多問題，在工業(yè)控制、勘探測(cè)量、精確定位和交通安全等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。目前超聲測(cè)距實(shí)現(xiàn)方便，計(jì)算簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度上能達(dá)到使用的要求，因此可以很好地使用于導(dǎo)盲器的研制中。

1 超聲波傳感器及測(cè)距的原理
    超聲波是指頻率高于20 kHz的機(jī)械波，超聲波傳感器是在超聲波頻率內(nèi)將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲音信號(hào)或者將外界聲場(chǎng)中的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的能量轉(zhuǎn)換器件，習(xí)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(yīng)來工作的，其壓電效應(yīng)具有可逆性。逆壓電效應(yīng)是將高頻脈沖轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，以產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭。正壓電效應(yīng)是將高頻機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化成高頻電脈沖，可接收超聲波信號(hào)，作為接收探頭。
    超聲波測(cè)距的原理一般是回波渡越時(shí)間法，即檢測(cè)從超聲波發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波，經(jīng)空氣介質(zhì)的傳播，與其遇到障礙物后產(chǎn)生回波，并被超聲波接收探頭接收的時(shí)間差△t，即渡越時(shí)間，求出聲源到障礙物的距離S，計(jì)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(shí)驗(yàn)裝置與控制方法
    本項(xiàng)目研究的太陽能超聲波導(dǎo)盲器從功能上分為太陽能供電、語音報(bào)警、量程設(shè)置、溫度檢測(cè)、主控制系統(tǒng)等五個(gè)模塊，其原理框圖如圖1所示。

    太陽能電池板固定在導(dǎo)盲器支架頂端，通過驅(qū)動(dòng)電路連接到可充電的鎳氫電池為導(dǎo)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(dǎo)盲器支架前端，分別連接到主控制電路上。使用時(shí)，先選擇量程，打開開關(guān)，溫度傳感器檢測(cè)環(huán)境溫度，并將檢測(cè)到的溫度信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)超聲波傳播速度進(jìn)行修正。在量程范圍內(nèi)，當(dāng)超聲波信號(hào)遇到障礙物時(shí)，信號(hào)被反射回來，并被超聲波傳感器接收。信號(hào)發(fā)射到接收的時(shí)間差與障礙物的位置有關(guān)，單片機(jī)通過分析超聲波發(fā)射到返回的時(shí)間差，可以計(jì)算出障礙物的距離，并執(zhí)行報(bào)警程序，語音報(bào)警聲可以通過耳機(jī)接線口連接到耳機(jī)。
2．1 主控制模塊
    主控制模塊主要由單片機(jī)進(jìn)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量，而超聲波在空氣中傳播，其能量會(huì)隨傳播距離的增大而減小，從遠(yuǎn)距離傳播回來的信號(hào)比較弱，需要經(jīng)過多級(jí)信號(hào)放大。[!--empirenews.page--]
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(gòu)成，單片機(jī)P2．0端口輸出的40 kHz方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波傳感器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波傳感器的另一個(gè)電極。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻既可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)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(shí)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(duì)的TCT40-2S，將超聲波調(diào)制脈沖轉(zhuǎn)換為40 kHz的電壓信號(hào)。集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，內(nèi)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(dòng)增益控制功能，可保證在超聲波接收較遠(yuǎn)反射信號(hào)而輸出微弱電壓時(shí)，放大器有較高的增益，而在近距離輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)，放大器不會(huì)過載?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率為38 kHz與測(cè)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(cè)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(qiáng)的抗干擾能力。

2．2 溫度補(bǔ)償模塊
    由于超聲波屬于聲波范圍，其波速v與溫度有關(guān)，聲波速度受溫度影響較大。其傳播速度與溫度T的關(guān)系為：
   
    增加溫度傳感器，檢測(cè)裝置工作時(shí)的溫度，將接收到的溫度信息傳至單片機(jī)，對(duì)超聲波的速度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，可以校正超聲波的傳播速度，提高測(cè)量精確度。利用集成溫度傳感器DS18B20和AT89S52單片機(jī)為主體，可以構(gòu)成一個(gè)高精度的數(shù)字溫度檢測(cè)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(cè)的溫度值，并且可根據(jù)實(shí)際要求，通過簡(jiǎn)單的編程，實(shí)現(xiàn)9～12位的A／D轉(zhuǎn)換。因而，使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，同時(shí)可靠性更高。

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2．3 語音報(bào)警模塊
    普通導(dǎo)盲器的報(bào)警方式比較簡(jiǎn)單，或者是單一的蜂鳴器報(bào)警，或者只有語音報(bào)警，二者都存在缺陷。結(jié)合兩種報(bào)警方式，設(shè)置蜂鳴器和語音芯片作為聲音報(bào)警器，使用者若選用語音芯片，系統(tǒng)可根據(jù)距離探測(cè)的結(jié)果語音報(bào)出障礙物的距離，也可以根據(jù)需要選擇蜂鳴器直接報(bào)警。在近距離模式中，可以用蜂鳴器的頻率來表示距離的遠(yuǎn)近，遠(yuǎn)的時(shí)候采用低頻率的蜂鳴聲，近的時(shí)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(zhǔn)確地判斷前方障礙物的大致距離。在遠(yuǎn)距離模式中，采用語音報(bào)警模式來表示前方障礙物的距離，語音報(bào)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(chǔ)和語音播放兩部分。系統(tǒng)利用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)處理轉(zhuǎn)換為可判斷語音芯片播放哪段語音的判斷信號(hào)。然后驅(qū)動(dòng)耳機(jī)播放聲音信號(hào)，利用WT588D VoiceChip軟件可以對(duì)語音芯片進(jìn)行編輯、聲音錄入等操作。

2．4 量程設(shè)置模塊
    本裝置預(yù)設(shè)遠(yuǎn)距、中距、近距三個(gè)量程用來控制報(bào)警的距離，系統(tǒng)初始報(bào)警距離為近距1 m，按中距和遠(yuǎn)距按鍵可分別將初始報(bào)警距離設(shè)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(qū)動(dòng)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(shè)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(zhuǎn)換器等組成，如圖6所示。太陽能控制器可以控制蓄電池對(duì)太陽能的采集和儲(chǔ)存的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到保護(hù)作用，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。

3 算法設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
3．1 算法設(shè)計(jì)
    本裝置軟件的控制核心為AT89S52單片機(jī)，單片機(jī)通過讀取量程設(shè)置值和溫度值對(duì)初始設(shè)置狀態(tài)進(jìn)行修改，控制發(fā)射超聲波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)，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(shè)置一段延時(shí)。當(dāng)超聲波探測(cè)器探測(cè)到回波時(shí)，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，讀取時(shí)間差，根據(jù)回波測(cè)距原理計(jì)算出障礙物距離，并執(zhí)行報(bào)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(jì)數(shù)器每個(gè)計(jì)數(shù)就是1μs，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)(即超聲波來回所用的時(shí)間)按式(3)計(jì)算，即可得被測(cè)物體與測(cè)距器之間的距離S，假設(shè)溫度為20℃，則對(duì)應(yīng)聲速v為344m／s，則有：
    S=(v·△t)／2=172 T0／10 000cm   (3)
3．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    試驗(yàn)中選用一紙箱作為障礙物，將報(bào)警模塊換為液晶顯示器進(jìn)行定量測(cè)量，不同氣溫下在同一點(diǎn)位置測(cè)量5個(gè)值，添加溫度補(bǔ)償和量程選擇，得到如表1所示結(jié)果。

    由此可以看出，本實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差較小，但是由于盲區(qū)的出現(xiàn)，所測(cè)的結(jié)果不能與標(biāo)準(zhǔn)值完全相等。并且當(dāng)障礙物距離比較近時(shí)，測(cè)量精確性較高；障礙物較遠(yuǎn)時(shí)，精確性相對(duì)較低；這是由于距離較遠(yuǎn)時(shí)，超聲波回波信號(hào)較弱，噪聲較大，容易產(chǎn)生誤差。

4 結(jié)語
    目前導(dǎo)盲器的研究較多，本實(shí)驗(yàn)提出的設(shè)計(jì)方案特點(diǎn)是以太陽能作為系統(tǒng)的動(dòng)力來源，采用半導(dǎo)體數(shù)字溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的溫度測(cè)量和補(bǔ)償，從而對(duì)聲速進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)引起測(cè)量誤差的因素進(jìn)行修正處理，可以提高導(dǎo)盲器的導(dǎo)盲精度及靈敏度。由于預(yù)留了單片機(jī)引腳，便于進(jìn)行功能拓展，同時(shí)導(dǎo)盲器系統(tǒng)以模塊化進(jìn)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(shí)了解盲人的行蹤，避免盲人走失。而且本設(shè)計(jì)具有操作簡(jiǎn)便、體積較小等優(yōu)點(diǎn)，因此可以很好地應(yīng)用于實(shí)際生活中。