基于超声波测距的盲人探障帽
2017-09-07程盛阳彭力
程盛阳+彭力
摘要：盲人依靠盲杖导行，能发现地面障碍，但是胸部以上的障碍物不便探测，时而磕碰头部，产生伤害。超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量[1]。基于超声波测距障的盲人探障帽戴在盲人头上，指向性与盲人面向一致，随着盲人行走步伐起伏变化，巧妙地探测到前方1.5-2.0米距离内，垂直平面约900cm2 范围内的障碍物，发出声音警告提醒盲人，實现导盲避障功能，较好地解决了导盲杖不便对高处障碍物判断的矛盾，更全面地保护盲人安全行走。
关键词：超声波测量；导盲；555电路；D触发器
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）05-0191-02
1 设计原理
利用超声波测障的盲人安全帽，包括带沿的帽子、超声波测量模块、电源等几个部分，系统结构图如图1所示。超声波测量模块包含振荡器、定时器、超声波传感器、比较器、报警器。基本原理是帽沿下的振荡器发出周期性工作脉冲，启动定时器与超声波传感器，超声波传感器能测量盲人与障碍物间距离，每当定时器计时达到设定值，根据超声波传感器输出状态，可判别盲人前方1.3米内是否有障碍物，如有障碍物就驱动报警器，提醒盲人注意避开障碍物。
（1）由555构成的多谐振荡器发出矩形波信号给“超声波集成模块”和“单稳态电路”。其下降沿触发超声波集成模块发生超声波，同时触发单稳态电路进入暂稳态，开始计时。
（2）超声波模块发送和接收超声波，输出一个正脉冲，脉冲宽度与超声波从发射到回收所经历时间成正比（即测量距离成正比）[2]。
（3）单稳态电路担当时钟的功能，它输出的正脉冲宽度对应着要报警距离所需要的时间。
（4）D触发器构成比较判定器，以单稳态时钟电路输出信号为触发信号，在单稳态电路一个脉冲结束时，即定时（距离）到了，来判别超声波模块此时输出信号的电平，就知道障碍物距离是否在危险范围内。如果还是高电平，说明距离长，不报警；如果已经降为低电平，说明距离短，要报警。
2 设计电路图
设计电路如图2所示。
其中：R1=10KΩ，R2=100Ω，R3=150Ω，C1=100uF，C2=0.01u，C3=47uF，C4=0.01uF。
超声波测距模块HC-SR04[3]可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。本模块为四端元件，电源正负端与 I/O端 ，在输入 Trig端给最少10us的高电平信号触发测距，模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回，如有信号返回，则通过输出口Echo端输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2。触发与响应信号如图3所示。
第一级555电路I1构成多谐振荡器，给超声波测量模块提供触发信号，工作周期[4]T=0.7（R1+2R2）C1=714ms；第二级555电路I2构成一个单稳态电路，在多谐振荡器触发超声波模块时启动，其延时脉宽[5]Tw=1.1R3C3=7.76ms，由于超声波在空气中速度为V=340m/s，所以单稳态脉宽计时巧妙地转换为测量报警距离，不再需要单片机运算电路，测障距离为：S=Tw*V/2=1.32m。
3 工作过程分析
接通电源后探测电路开始工作，具体过程叙述如下：在图4中，图a为555多谐振荡器输出波。其下降沿触发超声波发生器与555定时器。图b为555单稳态电路构成的定时器输出波形，其脉宽（t0-t3）表示超声波走回报警距离所要时间。图c、图d是测障距离不同情况下超声波模块输出情况。
如电路图2如示，超声波模块输出信号接入D输入端，当单稳态电路一个脉冲结束t3时刻上升沿触发D触发器，即距离在1.32米时，判别1.32米范围是否有障碍物，图c表示超声测量模块还没有回声信号，D输入高电平，输出也为高电平，故不报警；图d有示有障碍物，D输入低电平，其反射输出带动有源蜂鸣器对盲人报警[6]。
4 结语
根据电路原理进行组装调试，达到了设计目标，其结构简洁精巧，成本低廉可作为盲人导盲杖的补充，能有效发现盲人前上方的障碍，保护盲人行走安全，实物如图5所示。
参考文献
[1]罗振成，张桂枝.自动检测与转换技术[M].北京：化学工业出版社，2010：143-150.
[2]莫玉华.基于单片机的倒车雷达系统设计[J].数字技术与应用，2014，（1）：4.
[3]深圳市捷深科技有限公司产品说明书[Z].2012.
[4]刘勇.数字电路（第4版）[M].北京：电子工业出版社，2012：151.
[5]刘勇.数字电路（第4版）[M].北京：电子工业出版社，2012：146.
[6]袁福全.一种便携式防触电保护器[J].电工技术杂志，2000，（11）：45.endprint
