一種基于超聲波測(cè)距原理的導(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(cè)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(cè)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(cè)量及定位，并通過(guò)SYN6658語(yǔ)音模塊進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)導(dǎo)航。

　　0 引言

　　根據(jù)最新研究報(bào)告，中國(guó)每年新增盲人大約45萬(wàn)，預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)視力殘疾人數(shù)將為目前的4倍，達(dá)5000余萬(wàn)。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(cè)距及語(yǔ)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(cè)距的原理

　　1.1 超聲波測(cè)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(cè)距方法主要有相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間法三種。其中，相位檢測(cè)法精度高，但檢測(cè)范圍有限;聲波幅值檢測(cè)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(cè)距。

　　超聲波測(cè)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(kāi)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(lái)，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(cè)距原理圖如圖1所示。

　　1.2 超聲波測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)溫模塊、語(yǔ)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(guò)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(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波回波信號(hào)通過(guò)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(guò)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(guò)語(yǔ)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(jiǎn)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(guò)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(lái)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(guò)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(kāi)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(lái)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(guò)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。