超聲波雷達測障裝置的研究與設計

胡林慧 惠坤龍 楊博 馬曉東 王珂 郭子蒙 西安石油大學機械工程學院

關健詞：盲人 超聲波 測障裝置

雷達測障拐杖的運用可大大地減輕盲人出行不便和安全隱患，降低甚至避免因盲人無法辨認障礙所導致安全事故的發生，并且它對人體智能設計有著重要的意義。通過借鑒前輩研究出的內容和方法，擇選出最好的方案，在好的方案基礎上改造創新。通過對雷達測障拐杖的設計學習，我們對超聲波測距原理有了深刻的理解。

引言：在生活中，雖然路面上鋪設了許多導向瓷磚為盲人引路，但是我們不難發現盲道上經常被停有車輛導致盲人行走問題依然存在。經我們了解，市面上的盲人拐杖由一根長桿組成，設計十分簡單，能幫助盲人的地方很少，有很大的局限性。例如，探測范圍，探測方式受限，無法對預警快速接近的障礙物等。因此，針對各種類似問題，我們決定研制采用雷達探測系統的拐。 由于盲人行走時無法知曉前方是否有障礙物，我們設計出了一種基于超聲波原理的位點測障裝置。通過超聲波的發送和接收來檢測前方是否有障礙物存在，若探測到有障礙物的存在，則振動模塊開始震動，直至障礙物消失停止。

雷達測障拐杖的運用可大大地減輕盲人出行不便和安全隱患，降低甚至避免因盲人無法辨認障礙所導致安全事故的發生，并且它對人體智能設計有著重要的意義。通過借鑒前輩研究出的內容和方法，擇選出最好的方案，在好的方案基礎上改造創新。通過對雷達測障拐杖的設計學習，我們對超聲波測距原理有了深刻的理解。

1 超聲波系統電路安裝

在手杖上中下端各安裝了一套超聲測距系統。該系統由超聲波發射和接收電路、單片機電路、溫度檢測電路、數碼顯示電路等組成。超聲波是頻率高于20kHz的聲波，其特征是：集中，波長較短，近似于直線傳播。傳播速度，當其傳播時遇到障礙物，便會被障礙物反射。發出超聲波開始計時，接收到返回的超聲波停止計時，計算出回來與發出去的時間差IT，用公式便可計算出障礙物距拐杖的距離s。超聲波電路如下圖所示。

圖2 -1 超聲波電路圖

如圖，PNP三極管與發射探頭（單片機P1.0腳，發生器）連接。三極管的發射極接發射探頭，基極接P1.0，集電極接5 V電源。通過P1.0來控制三極管，進而控制發射探頭發射超聲波。接受電路起放大作用主要由NPN三極管組成。三極管的集電極接5 V電源提供發射集正向偏置電壓，集電極反向偏置電壓， R為基極偏置電阻，保證BJT不失真的放大。SPI和ISD4004負責數據傳輸，將片選CS、信號線 MOSI、串行時鐘 SCLK分別接在 P1.1、P1.2、P1.3。

圖2 -2 三極管各級連接電路圖

圖2 -3 超聲波系統電路圖

直流電機裝在手柄內，偏心陀塊裝在電機軸。當遇到障礙物時，單片機將驅動電機運轉。

圖2 -4 電機連接電路圖

由測試結果看來，裝置操作簡易、結構簡單、使用方便、性能穩定、誤差小，能很好地指引盲人行走，具有很大的應用價值。

2 單片機系統介紹

80C51是含有ROM/EPROM的單片機，由80C51單片機所構成的最小應用系統，只需接上時鐘電路和復位電路，80C51單片機最小系統如下圖所示。通過最小應用系統可作一些較小型的控制單元。特點：有大量I/O口線，內部存儲器容量適中，應用系統的開發特殊。

圖3 -1 單片機電路結構

3 單GPIO模式下US-100與Arduino例程

unsigned int EchoPin = 2；

unsigned int TrigPin = 3；

unsigned long Time_Echo_us = 0；

unsigned long Len_mm = 0；

void setup()

{ //Initialize

Serial.begin(9600)；

pinMode(EchoPin, INPUT)；

pinMode(TrigPin, OUTPUT)；

}

void loop()

{

digitalWrite(TrigPin, HIGH)；

delayMicroseconds(50)；

digitalWrite(TrigPin, LOW)；

Time_Echo_us = pulseIn(EchoPin, HIGH)；

if((Time_Echo_us ＜ 60000) && (Time_Echo_us ＞ 1))

{

Len_mm = (Time_Echo_us*34/100)/2；

Serial.print("Present Distance is： ")；

Serial.print(Len_mm, DEC)；

Serial.println("mm")；

}

delay(1000)；

4 結束語

在以下幾個方面，本設計還可以進行修改和完善，從而使得超聲波模塊更加完善。

（1）由于超聲波探頭的精密度有限，在溫度不同下測量誤差也不同，本設計中沒有溫度補償模塊，主要是起到盲人測試障礙的作用，對精確地測試距離要求不高，所以沒有運用溫度補償模塊。如果能在設計中加入溫度補償模塊，并應用到設計中去，那么整個系統將會更完善。

（2）為了防止外部干擾，可以通過過零檢測裝置設計接收裝置，可以保證只接收物體反射回來的超聲波，從而有效地防止超聲波發射輻射干擾。但要注意接收電路中的諧振回路帶寬不能太窄，以免降低了電路的穩定性。電路元件要選用低噪聲器件，采取合理的電路布局。