基于超聲波避障的導盲系統設計

曹開顏，付明慧，吳俊濤

（江蘇師范大學江蘇圣理工學院-中俄學院，江蘇徐州，221000）

0 引言

我國有1700萬盲人，即每80個人中就有一個是視力殘障人士。盲人的生活中存在很多不便。導盲犬因成本高，在國內的普及程度不高。據統計：一個導盲犬培訓基地平均每年僅能訓練約90只導盲犬預備犬，而其中僅有近30只狗能順利畢業。這意味著，導盲犬的淘汰率高達60%-70%。

為了提高盲人的生活質量，幫助盲人安全行走，世界各國紛紛研究和設計了許多的導盲產品，例如,設計電子助盲器、盲人雙耳語音提示系統、電子助盲器等等。大部分盲人選用的是電子導盲杖。但是從功能角度看，當前這種電子導盲杖存在探測距離短、無法報警等缺陷。

超聲波檢測技術因其具有指向性好，強度可控，對色彩、光照度不敏感等一系列優點，被逐漸應用于電子導盲系統中。

1 系統硬件設計

1.1 系統結構設計

本設計系統選用AT89S52單片機作為核心控制器，利用超聲波測距原理實現避障，并利用聲音報警。主要包括：單片機最小系統、電源電路、超聲波接收電路、超聲波發射電路、信號放大及濾波電路、聲光報警電路、溫度補償電路等組成。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件結構框圖

各部分外圍電路由AT89S52單片機控制協調。系統工作時，由單片機控制振蕩源發出信號用來驅動超聲波發射器，發射40kHz的脈沖。并在超聲波脈沖發射的同時，計數器開始計數。發射出的超聲波在遇到障礙物后，會反射，被超聲波接收器接收。當接收器接收到超聲波時，計數器停止計數，系統計算出從超聲波發射到接收的時間差△t，根據超聲波在空氣中的傳播速度v，計算得到人與障礙物間的距離。

1.2 超聲波發射與接收電路設計

超聲波傳感器對應發射器和接收器。本設計系統選用的超聲波發射器為TCT40-16T，固有振蕩頻率為40kHz。超聲波接收器選用TCT40-16R。超聲波發射電路原理圖如圖2所示。超聲波接收電路原理圖如圖3所示。

圖2 超聲波發射電路原理圖

圖3 超聲波接收電路原理圖

1.3 信號調理電路設計

超聲波接收器UCM-40R轉換的電信號不僅小而且容易受到干擾，所以要配置放大電路和濾波電路[1]。在設計放大電路的時候采用兩級放大。系統的干擾信號主要是50Hz工頻和單片機的12MHz高頻信號，本設計系統先采通過高通濾波器濾除高頻信號，再通過低通濾波器濾除工頻干擾。如圖4所示。

圖4 放大電路原理圖

1.4 超聲波溫度補償電路設計

由于在不同的周圍環境下，超聲波在空氣中的傳播速度通常會隨著溫度的變化而變化，因此要精確測量超聲波的傳播速度，務必要確保周圍環境溫度適中，以減小誤差，此時就需要溫度補償電路參與工作[2]。本系統采用美國 Dallas 公司 DSI8B20 傳感器。它具有不受外界干擾、高精確高、測溫范圍寬等優點。檢測電路如圖5示。DSI8B20所測的溫度值通過1-wire 總線輸入 AT89S52。通過1-wire總線訪問DSI8B20的協議主要有DSI8B20 初始化、主機對DSI8B20 的讀寫操作、存儲器操作、讀取溫度以及進行格式轉換等。

圖5 DS18B20 測溫電路原理圖

1.5 聲光報警電路設計

本設計系統配置有 8 個紅色 LED采用聲光相結合的報警方式，如圖6所示。當障礙物進入報警范圍且照度大于50lx時，只驅動蜂鳴器，進行聲報警，如果障礙物進入報警范圍且照度小于 50lx時進行聲光報警；當障礙物離底部超聲波探測器 0.5m或中部超聲波探測器 1.5m 內后開始報警[3]，同時設置不同的報警級別，離障礙物越近，蜂鳴器聲音越尖銳，點亮的 LED 數目越多。

圖6 報警電路原理圖

1.6 電源電路設計

本設計系統采用12V的鋰電池供電，直流電由三端穩壓器LM7805穩壓后，輸出+5V穩恒直流電。原理圖如圖7所示。

圖7 電源電路原理圖

2 系統軟件設計

系統軟件采用C語言編程實現，主要由主程序、超聲波發生子程序、超聲波接收中斷程序等組成。主程序首先要對系統環境進行初始化操作，并開放中斷允許。然后進入超聲波發射子程序，設置定時初值，啟動定時器，沒有收到折返信號時，循環執行；當收到折返信號時，則啟動超聲波接受中斷子程序。中斷子程序讀取外部溫度和折返時間數據，計算出實際距離，與報警距離比較，達到報警范圍時聲光報警。因超聲波測距程序要有較復雜的運算，并且需精確計算時間，所以本程序采用C語言編寫。主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

圖9 超聲波發射子程序流程圖

圖10 超聲波接收中斷流程圖

3 結束語

基于超聲波避障的導盲系統，能夠檢測盲人四周的障礙物并進行聲光報警，該系統還采用了DS18B20測溫電路對超聲波的傳播速度進行校正，使結果更加準確。同時，該系統還具有體積小、使用方便等特點，能夠滿足導盲需求，而且設計成本低，精度高，具有一定的實用價值和推廣意義。