基于超声波的盲人导盲系统的设计

毛达许 程海玉

（嘉兴学院南湖学院，浙江 嘉兴314000）

0 引言

中国是世界上盲人最多的国家,视力障碍或全盲者,占全世界4500万盲人总数的20%左右.由于生理上的缺陷,盲人在生活、工作等方面有着诸多不便,其中，如何安全行走是盲人生活中最大的问题。

目前引导盲人行走的方法主要有三种：（1）传统的手杖引导；（2）盲道引导；（3）导盲犬引导。其中传统的手杖引导通过敲击地面告知盲人前方是否为可行路线，它无法告知盲人周围障碍物的空间分布和距离；盲道存在一定的局限性；而导盲犬的培训周期长，并且成本很高。因此，设计一种方便、实用，可靠性高的盲人避障装置具有一定的现实意义和实用意义。本文提出设计的超声波传感器的导盲系统，正是为了实现以上应用，与普通导盲杖相比，本设计的最大不同之处在于可以测出3米内的障碍物而不是传统的那种只是杆长可以接触到的范围，该超声导盲系统可以使盲人及时避障，并且具有准确性强，灵敏度高等特点。同时提供人性化的设计，用语音予以提示，为盲人的生活带来了方便。

1 系统的硬件设计

1.1 导盲系统的整体设计

超声波导盲系统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。

本系统是在单片机的控制下，利用超声波测距原理，测量盲人与障碍物之间的距离。当两者距离小于安全距离时，系统会及时发出报警声音，提醒盲人采取避让措施，避免撞上障碍物。本系统的硬件由发送、接收处理、检测温度、声音报警等部分组成，系统的硬件结构框图如图1所示。

图1 系统硬件结构框图

1.2 超声波测距的原理

超声波发生器内部结构有一个共振板和两个压电晶片。当它的两级外加脉冲信号频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。在超声波探测的电路中，发射端输出一系列脉冲方波，其宽度为发射超声波与接收超声波的时间间隔，输出脉冲个数与被测距离成正比。被测物距越远，脉冲宽度越大。

目前超声波测距有脉冲回波法、共振法和频差法，其中常用脉冲回波法测距。超声波测距的原理一般采用渡越时间法(time of light)，其原理是超声传感器发射超声波，超声波在空气中传播至障碍物，经反射后由超声传感器接收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接收的时间，再乘以超声波在空气中的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。由发射传感器、发射电路、接收传感器、接收电路、回波信号处理电路和单片机控制电路等几部分组成。

超声波测距原理工作原理是把40kHz脉冲串输入到超声波发射器两端后，脉冲信号经超声波内部振子振荡产生了机械波，再通过空气介质传播到被测面，接收器接收到由被测面反射到超声波的信号，在超声波接收器的两端，超声波往返时间是超声波经气体介质的传播到接收器的时间。声波传输的距离是超声波往返时间与气体介质中的声速相乘的结果，声波传输距离的一半即所测的距离。

1.3 超声波测距的计算

根据超声波在空气中传播的性质，并考虑空气温度对超声波传播速度的影响，得出超声波测距的计算公式。超声波速度计算公式：C=C0+0．607×T

式中，C0：零摄氏度下，超声波在空气中的传播速度为332m/s；T：空气的实际摄氏温度。

距离计算公式：

S=(T×C)/2

式中，T：由微处理器计数器计算而得。

1.4 电源模块设计

AMS1117是一个正向低压降稳压器，在1A电流下压降为1.2V。AMS1117有两个版本:固定输出版本和可调版本,固定输出电压为1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V,具有1%的精度；固定输出电压为1.2V的精度为2%。AMS1117内部集成过热保护和限流电路,是电池供电的最佳选择。

2 系统软件的设计

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3m，即3m内有障碍物时即驱动蜂鸣器发出声音，程序控制发送0．2ms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40kHz，超声波常温下在空气中的传播速度是340m/s，计算可知延时6个脉冲就可以了。