超聲波感應(yīng)導(dǎo)盲手杖的研制

李羊林 成中平

摘 要：具有超聲波測量功能的傳感器裝在手杖上面。超聲波傳感器為 HC-SR04，在超聲波發(fā)射之后，如果接收到反射的超聲波訊號(hào)，計(jì)算出超聲波傳感器與障礙物之間的距離，如果在手杖上下各安裝兩個(gè)這樣的系統(tǒng)，并發(fā)出各種不同聲音，就可以判斷障礙物情況。

關(guān)鍵詞：超聲波傳感器;距離測量;盲人手杖

1.前言

盲人手杖的主要功能在于協(xié)助視障者，利用非身體直接接觸的方式，感知前方周遭的路況，因?yàn)檫\(yùn)用手腳能夠伸展的范圍有限，且利用肢體去接觸周遭環(huán)境有潛在的危險(xiǎn)性，藉由手杖可加長感知距離且不會(huì)使身體受傷。不像拐杖、登山杖或助行器，需要支撐身體的重量，所以看起來不那么粗壯。由于無法取得白手杖，成品部分我們小組以與白手杖相似之拐杖代替。

盲人在行走時(shí)普遍陪伴他們的，是手杖或?qū)とＨ欢Y(jié)合科技之便，將常應(yīng)用于生活中的感測配件和手杖結(jié)合，以增加感測障礙物之范圍，為盲人的安全多一層保障。

將具有超聲波感測功能之配件裝在手杖上面。我們選擇了現(xiàn)代許多人在用的Arduino Uno微控制器，這是一塊模板，上面有許多接腳，可以連接包括溫度感測、濕度感測等許多相關(guān)配件，而我們使用了超聲波感測和蜂鳴器二大配件作為手杖功能上的強(qiáng)化。

2原理

2.1. 超聲波傳感器

超聲波傳感器為 HC-SR04， 左側(cè)T是發(fā)射器（Transmitter），會(huì)發(fā)出 40 kHz 的聲波，這個(gè)聲波超出人類可感知20kHz 上限， 右側(cè)R 的是接收器（Receiver），可接收超聲波。HC-SR04 腳位從左至右分別為 Vcc、Trig、Echo 與 GND，Vcc 與 GND 就是接 5V 電源及 GND 了，Trig 為輸入腳位，Echo 為輸出腳位，超聲波的發(fā)射與接收，就是靠 Trig 與 Echo 這兩個(gè)腳位，如果你送出 10 微秒的 5V 高電位訊號(hào)給 Trig，就會(huì)觸發(fā)超聲波的發(fā)射，接著 Echo 腳位就會(huì)處于 5V 高電位狀態(tài)，如果接收到反射的超聲波訊號(hào)，那么 Echo 腳位就會(huì)處于 0V 低電位狀態(tài)，見圖1。

因此，在超聲波發(fā)射之后，Echo 的高電位持續(xù)時(shí)間，就可以搭配音波速度每秒 343.2 公尺，也就是每cm要花費(fèi) 29.1 微秒左右，計(jì)算出超聲波傳感器與障礙物之間的距離，音波往返是走了兩倍距離，因此 Echo 的高電位持續(xù)時(shí)間要除以 2，再用來除以 29.1 微秒，才是與障礙物之間的距離。

2.2 無源蜂鳴器

有源 / 無源 蜂鳴器（Buzzer），源指的是震蕩源（震蕩電路）。有源蜂鳴器內(nèi)部帶有震蕩電路，只要一通電就會(huì)鳴叫。無源蜂鳴器內(nèi)部不帶震蕩電路，所以要用2K-5K方波驅(qū)動(dòng)。無源蜂鳴器特色為便宜、聲頻可控制，而有源蜂鳴器特色為過程控制方便。

2.3.Arduino Uno控制器

Arduino 包含了硬件與軟件二大部分，硬件部分是一個(gè)約手掌大小的控制板（寬 70mm高 54mm），核心使用八位 ATMEGA8 系列的的微控制器，提供14 個(gè)數(shù)位式輸出/入端，6 個(gè)類比式輸出/入端，支持 USB 資料傳輸，可以使用自備電源（5V～9V）或是直接使用 USB 電源，使用者可以在數(shù)位式輸出/入端上接上不同的電子裝置，例如 LED 燈、喇叭、馬達(dá)，然后再由控制器來驅(qū)動(dòng)燈的亮滅、喇叭發(fā)聲、馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)。Arduino 控制板采用開放式源碼設(shè)計(jì)的概念，電路設(shè)計(jì)圖、韌體都可以在網(wǎng)路上下載，稍具電子知識(shí)就可以自行制作;也可以在網(wǎng)路上用很便宜的價(jià)錢買到。

Arduino Uno可透過三個(gè)管道提供電源：USB端口、電源輸入插座、Vin腳位。

透過USB端口提供給控制板的電源必須是5V的電壓，最基本的方式，就是透過Type B USB連接控制板，而另一頭是Type A USB連接個(gè)人計(jì)算機(jī)，這可以提供5V、500mA的電源給控制板，因?yàn)橛?jì)算機(jī)要透過USB傳送程序給Arduino。

3. Arduino程序

Arduino的開發(fā)環(huán)境是基于Java與Processing程序語言為基礎(chǔ)，以AVR-GCC編譯程序與avr-libc、AVRlib函式庫所構(gòu)成的開放原始碼開發(fā)環(huán)境，它讓使用者可以很輕易的上手編寫程序并將程序上傳到I/O板上，它可以運(yùn)行于市面上各種作業(yè)軟件：Windows的Mac OS X，Linux….等等。Arduino 的精神就是走開放式軟硬件的概念，因此只要有興趣的使用者都可以免費(fèi)的在網(wǎng)路上取得各種資源，它可以與眾多程序語言（C#、VB、C++）結(jié)合，成為教學(xué)程序語言的教具，也能夠和受歡迎的應(yīng)用程序如Flash、Processing、Max/MSP 等溝通，快速發(fā)展出多彩多姿的交互式多媒體軟件，便重要的是它非常的簡單，不用太多的電子背景也很容活上手，非常適合應(yīng)用在教學(xué)活動(dòng)上。圖五和圖六為最后設(shè)計(jì)出的程序。

為達(dá)理想之效果，設(shè)定模式為每當(dāng)偵測到的障礙物越來越接近使用者時(shí)，蜂鳴器之鳴響間隔會(huì)越來越短，聲音會(huì)越來越尖以提醒使用者以注意安全。

4.結(jié)論

本盲人手杖一共由UNO微控器感應(yīng)配件、程序、手杖所組成。超聲波傳感器采一上一下之放置，下方模塊較能偵測地面凹凸不平之狀況，上方模塊較能偵測使用者之大約膝蓋的前下方的障礙物。使用后我們發(fā)現(xiàn)蜂鳴器的程序設(shè)定，因著超聲波感應(yīng)和蜂鳴器收到訊號(hào)以至于鳴響的速度會(huì)跟不太上實(shí)際步行的速度，可以改成在較遠(yuǎn)的距離時(shí)即可鳴響。

參考文獻(xiàn)：

[1]李羊林 傳感器原理與應(yīng)用，清華大學(xué)出版社，2013年6月

[2]周自平，楊席，瑛健，羅奎，馮健 基于實(shí)測聲速的超聲波測距方法及超聲波傳感器 發(fā)明專利， 2016.5.20

[3]趙珂 等.高準(zhǔn)確度超聲波測距儀的研制.傳感器技術(shù)，2003年第22卷第2期

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ?江蘇 ?泰州 ?225300）