超声波雷达测障装置的研究与设计
2018-08-11胡林慧惠坤龙杨博马晓东王珂郭子蒙西安石油大学机械工程学院
胡林慧 惠坤龙 杨博 马晓东 王珂 郭子蒙 西安石油大学机械工程学院
关健词：盲人 超声波 测障装置
雷达测障拐杖的运用可大大地减轻盲人出行不便和安全隐患，降低甚至避免因盲人无法辨认障碍所导致安全事故的发生，并且它对人体智能设计有着重要的意义。通过借鉴前辈研究出的内容和方法，择选出最好的方案，在好的方案基础上改造创新。通过对雷达测障拐杖的设计学习，我们对超声波测距原理有了深刻的理解。
引言：在生活中，虽然路面上铺设了许多导向瓷砖为盲人引路，但是我们不难发现盲道上经常被停有车辆导致盲人行走问题依然存在。经我们了解，市面上的盲人拐杖由一根长杆组成，设计十分简单，能帮助盲人的地方很少，有很大的局限性。例如，探测范围，探测方式受限，无法对预警快速接近的障碍物等。因此，针对各种类似问题，我们决定研制采用雷达探测系统的拐。 由于盲人行走时无法知晓前方是否有障碍物，我们设计出了一种基于超声波原理的位点测障装置。通过超声波的发送和接收来检测前方是否有障碍物存在，若探测到有障碍物的存在，则振动模块开始震动，直至障碍物消失停止。
雷达测障拐杖的运用可大大地减轻盲人出行不便和安全隐患，降低甚至避免因盲人无法辨认障碍所导致安全事故的发生，并且它对人体智能设计有着重要的意义。通过借鉴前辈研究出的内容和方法，择选出最好的方案，在好的方案基础上改造创新。通过对雷达测障拐杖的设计学习，我们对超声波测距原理有了深刻的理解。
1 超声波系统电路安装
在手杖上中下端各安装了一套超声测距系统。该系统由超声波发射和接收电路、单片机电路、温度检测电路、数码显示电路等组成。超声波是频率高于20kHz的声波，其特征是：集中，波长较短，近似于直线传播。传播速度，当其传播时遇到障碍物，便会被障碍物反射。发出超声波开始计时，接收到返回的超声波停止计时，计算出回来与发出去的时间差IT，用公式便可计算出障碍物距拐杖的距离s。超声波电路如下图所示。
图2 -1 超声波电路图
如图，PNP三极管与发射探头（单片机P1.0脚，发生器）连接。三极管的发射极接发射探头，基极接P1.0，集电极接5 V电源。通过P1.0来控制三极管，进而控制发射探头发射超声波。接受电路起放大作用主要由NPN三极管组成。三极管的集电极接5 V电源提供发射集正向偏置电压，集电极反向偏置电压， R为基极偏置电阻，保证BJT不失真的放大。SPI和ISD4004负责数据传输，将片选CS、信号线 MOSI、串行时钟 SCLK分别接在 P1.1、P1.2、P1.3。
图2 -2 三极管各级连接电路图
图2 -3 超声波系统电路图
直流电机装在手柄内，偏心陀块装在电机轴。当遇到障碍物时，单片机将驱动电机运转。
图2 -4 电机连接电路图
由测试结果看来，装置操作简易、结构简单、使用方便、性能稳定、误差小，能很好地指引盲人行走，具有很大的应用价值。
2 单片机系统介绍
80C51是含有ROM/EPROM的单片机，由80C51单片机所构成的最小应用系统，只需接上时钟电路和复位电路，80C51单片机最小系统如下图所示。通过最小应用系统可作一些较小型的控制单元。特点：有大量I/O口线，内部存储器容量适中，应用系统的开发特殊。
图3 -1 单片机电路结构
3 单GPIO模式下US-100与Arduino例程
unsigned int EchoPin = 2；
unsigned int TrigPin = 3；
unsigned long Time_Echo_us = 0；
unsigned long Len_mm = 0；
void setup()
{ //Initialize
Serial.begin(9600)；
pinMode(EchoPin, INPUT)；
pinMode(TrigPin, OUTPUT)；
}
void loop()
{
digitalWrite(TrigPin, HIGH)；
delayMicroseconds(50)；
digitalWrite(TrigPin, LOW)；
Time_Echo_us = pulseIn(EchoPin, HIGH)；
if((Time_Echo_us ＜ 60000) && (Time_Echo_us ＞ 1))
{
Len_mm = (Time_Echo_us*34/100)/2；
Serial.print("Present Distance is： ")；
Serial.print(Len_mm, DEC)；
Serial.println("mm")；
}
delay(1000)；
4 结束语
在以下几个方面，本设计还可以进行修改和完善，从而使得超声波模块更加完善。
（1）由于超声波探头的精密度有限，在温度不同下测量误差也不同，本设计中没有温度补偿模块，主要是起到盲人测试障碍的作用，对精确地测试距离要求不高，所以没有运用温度补偿模块。如果能在设计中加入温度补偿模块，并应用到设计中去，那么整个系统将会更完善。
（2）为了防止外部干扰，可以通过过零检测装置设计接收装置，可以保证只接收物体反射回来的超声波，从而有效地防止超声波发射辐射干扰。但要注意接收电路中的谐振回路带宽不能太窄，以免降低了电路的稳定性。电路元件要选用低噪声器件，采取合理的电路布局。
