超声波导盲杖的设计

赵晓东，孙运强，姚爱琴

(中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051)

0 引言

随着电子技术的不断成熟和发展，人们对电子产品的需求转移到为人类的生活上来。依据超声波测距原理辅助盲人行走，而超声波导盲杖目前国内市场罕见，与盲人需求相差甚大。综合分析表明，解决好功能价格比与我国盲人购买力的矛盾，是开拓市场的关键。导盲仪器作为用于服务的电子产品的一种，要想使其控制方案更加优化、行进轨迹更加合理，模糊控制应用在导盲仪器上是发展的必然趋势。将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论，在近年来得到了迅速的发展，其原因在于对那些时变的非线性的复杂系统，无法获得精确的数学模型的时候，利用具有智能的模糊控制器能给出有效的控制［1］。

1 超声波导盲杖的整体设计及原理

1.1 超声波的相关概念

超声波是一种频率为20 kHz以上的声波，具有直线传播的能力，频率越高绕射能力越弱，但反射能力越强，其指向性强，能量消耗缓慢，传播的距离较远。超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到实用的要求，因此在各方面的研制上都得到了广泛的应用［3］。

1.2 导盲杖的整体设计

超声波导盲杖是将超声波探测障碍物功能与手杖触探障碍物功能结合为一体。前者适宜先期发现较远的和较大的障碍物;后者适宜于鉴别脚下低矮障碍物及反射声波不良物。因此，超声波发射与接收模块装在手杖底部，而语音报警模块则装在手杖上端，方便盲人听到报警声。本设计主要由单片机和超声波探测电路、语音报警电路等组成。其中，超声波探测电路包括超声波接收电路和超声波发射电路。超声波导盲杖硬件整体构架如图1所示:

图1 系统硬件整体架构

2 超声波导盲杖的硬件设计

2.1 微控制器的选型

PIC12C671具有如下特点:低功耗高速CMOS EPROM/EEPROM技术，宽工作电压范围，只有8个引脚，同时具有DIP和SOIC封装形式。在工作电压为5 V，时钟频率为4 MHz时耗电仅为2 mA，当工作电压为3 V，时钟频率为32 kHz时耗电仅为15 μA，而待机模式只有1 μA，这个特性适合于电池供电的掌上型电子产品［8］。因此，本设计选择PIC12C671作为主控芯片。PIC12C671单片机(如图1所示)是一种功能强大的微控制器，可以为嵌入式控制系统提供高度灵活而有效的解决方案［5］。

2.2 超声波传感器的选型

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。正常成年人的行走速度为1.5 m/s，反应时间为0.15 s～0.4 s，按照人的最慢反应时间来算，从人感知到前方障碍物到停止前进，依然还要行进0.6 m，而盲人的行走速度要低于正常人的，由此设定障碍物探测距离为3 m。因此，本设计采用超声波传感器URF04实现该模块设计［4］。

2.3 系统各功能电路的设计

2.3.1 超声波发射电路的设计

超声波发送器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分。发射电路利用一个NPN三极管与单片机P1.0脚和超声波发生器的发射探头相连接。三极管的基极接P1.0，集电极接5 V电源，发射极接发射探头。通过P1.0的二进制信号来控制三极管的通断，进而来控制发射探头发射超声波。当P1.0为低电平时，三极管不通，超声波不发射。反之，则发射。如图2所示。

2.3.2 超声波接收电路的设计

接收电路如图2所示，R1，R3为基极偏置电阻，提供一个基极电流，保证其不失真的放大。R2，R4为集电极负载电阻，将集电极电流转换成信号电压放大输出。C1，C2，C3为耦合电容。发射传感器发出的经反射后的超声波脉冲转变为微弱的交流信号，经过运算放大器LM358的两级放大后，送至音频译码集成模块LM567的3脚。LM567是带锁相环的音频译码器，具有选频功能，当输出端8脚由高电平跳变为低电平，将其作为单片机的中断请求信号，送至单片机INT0端，以启动数据处理子程序。

2.3.3 语音报警电路的设计

语音报警模块采用美国ISD公司的2560芯片，录放时间可达60 s。ISD2500系列具有抗断电、音质好、使用方便等优点。它的最大特点在于片内E2PROM容量为480 kB，录放时间长;有10个地址输入端，寻址能力可达1024位;最多能分600段;设有OVF(溢出)端［7］。当遇到障碍物的时候语音芯片发出蜂鸣声提醒避障，语音芯片供电为5 V，使用时必须采用相应的音频输出电路。ISD2560通过串口接收主控电路发送的命令和数据，命令和数据以帧的方式进行封装和发送，生成需要的语音输出。如图2所示。

图2 超声波发射电路(左上)超声波接收电路(右上)语音报警电路(下)

3 超声波导盲杖的软件设计

软件设计主要由主程序、超声波发送子程序和数据处理子程序等组成。通电后主程序无限循环，初始化后系统设置一系列初始值，包括超声波发射间隔数、定时器定时初值、报警门限值等，然后再根据需要对初始设定值进行修改，初始值报警距离设定为3 m，即3 m内有障碍物时即驱动蜂鸣器发出声音，程序控制发送0.2 ms宽度的超声波，同时启动定时器计时;为避免接收传感器直接接收到发射的超声波，在发射超声波之后插入一段延时，由于设置超声波频率为40 kHz，超声波常温下在空气中的传播速度是340 m/s，计算可知延时6个脉冲就可以了。

3.1 主程序

主程序首先对系统初始化，然后循环调用超声波发送子程序和数据处理子程序程序。超声波发送子程序控制超声波的发射，同时单片机开始计时，若有回波，则单片机停止计时，同时通过数据处理子程序计算结果并报警;反之，则返回。如图3所示。

图3 主程序流程图

3.2 超声波发送程序的设计

本设计利用单片机控制超声波的发射。超声波接收电路将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经处理电路输出由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号送至单片机处理。超声波发送子程序为定时器初始化后，单片机控制传感器发射一段一段的超声波。如图4所示。

图4 超声波发送程序流程图

3.3 数据处理程序的设计

图5 外部中断服务子程序流程图

数据处理程序为有回波后进入外部中断程序，关闭外部中断并开始读取时间值并计算距离，若输出结果小于设定值，则系统报警;若输出结果大于设定值，则返回主程序。如图5所示。

4 结论

经测试，本设计的控制器能够探测到控制器前方障碍物，并对3 m以内的障碍物进行语音报警。该超声波导盲杖应用超声波测距原理可以使盲人及时避障，准确可靠，灵敏度高，同时采用人性化设计，用语音提示，便于盲人使用，为他们的生活带来方便。由于顾及盲人购买力水平，同时结合当今导盲辅助工具的研究状况，以及功能设计的简单化，本设计为超声波导盲杖，并进行了系统硬件和软件两方面的设计。

［1］罗曦，张钦宇，焦健，等.基于超声波传感器多目标定位系统［J］.传感器世界，2007，13(9):25－26.

［2］王和平，耿生群.超声波盲人导航系统的研究与应用［J］.电子测量与仪器学报，2004(3):12－15.

［3］美国ISD公司.ISD2560系列单片语音录放电路［C］.电子技术论坛，2009:1－5.

［4］上海飒昂机器人科技有限公司.URF04转接模块用户手册［Z］.上海，2009:1－2.

［5］S.Shoval，J.Borenstein.The NavBelt-A Computerized Travel Aid for the Blind on Mobile Robotics Technology［J］.IEEE Transactions on Biomedical Engineering，1998:107－116.

［6］逢涛，高立新，崔玲丽，等.基于单片机无线通信技术的盲人交通提示系统设计［J］.电子技术应用，2007(10):12－16.

［7］陈美銮，尹浩，黎飘，等.智能盲人导航仪的设计与实现［J］.电子技术应用，2006(10):4－5.

［8］孙文红，孟延，李新，等.盲人智能探路手杖的研究［J］.中国医学物理学杂志，2005(5):674－676.

［9］夏敏燕.机电产品中的人机工程学［J］.机械研究与应用，2006(3):16－19.