基于数字传感器技术导盲装置

张玉梅 朱林

摘要：介绍了以单片机为核心的数字传感器技术导盲装置，通过超声波传感器实现测距，色彩传感器识别信号灯颜色。通过超声波传感器以及色彩传感器传输回来的数据进行分析，由语音提示对盲人进行语音播报。该系统方便，准确可为盲人的安全提供保障。

关键词：超声波测距;智能控制;

0引言

我国是世界上盲人最多的国家，就绝对数字而言，中国盲人总数已超过诸如丹麦，芬兰或挪威等国家的人口。在我国每年约有45万人失明，如果以 目前的趋势继续保持不变，到2020年预期我国的盲人总数将增加4倍。盲人发生交通事故的事件也屡屡发生。因此为了保护盲人的生命安全设计了以单片机为核心的基于数字传感器技术导盲装置。

1整体设计及原理

装置的整体设计框图如图1所示。

超声波测距是一种传统而实用的非接触测量方法，不因为外界的电磁场等因素影响测量的准确性。同时具有穿透性强， 衰减小， 反射能力强等特点，可以适应一些恶劣环境且原理简单，成本低，方便制作。设计利用超声波在介质中所往返时间来检测距离，其原理为;检测从超声波发射器发出超声波（假设传播为气体）经过气体介质的传播到接收器的时间即往返时间，往返时间与气体介质中的声速相乘就是声波传输的距离。而所测距离是声波传输距离的一半，即  L=1/2vt（1）在式（1）中，L为待测距离，为超声波的声速为往返时间。已知声速v=344m/s（20℃时）。

1.2色彩识别传感器原理

TCS230色彩识别传感器是一种可以通过编程将彩色光转换成频率的传感器，通过硅光电二级管和频率转换器集成在唯一的CMOS电路板上，并设置了红、绿、黄三种滤光器。输出数字量的信号用来驱动TTL或CMOS逻辑输入。因此，可直接与微处理器或其他逻辑电路相连接，并且，能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度，因而，不再需要A/D转换电路，使整个电路的设计变得更简单，通过色彩采集探头以TCS230芯片为核心，在其周围安装4只同样的白色发光二极管选用纯白光源，以保证准确接收信号灯颜色。当光源照射到色彩采集器探头，由TCS230芯片处理反射回来的光线，便可准确地识别出信号灯颜色。

2.硬件电路设计

2.1超声波发射电路

本文利用STC80C51的P3.3口发射40kHz的方波信号，通过74LS04放大后输出到超声波换能器，产生超声波。74LS04是一个高速GMOS六反相器，可将超声波进行放大，具有对称的传输延迟和转换时间，而相对于LSTTL逻辑IC，它的功耗减少很多。对于HC类型，其工作电压为2V-6V，它具有高抗扰度，可以同时直接输人LSTTL逻辑信号和GMOS逻辑输人等特点。本系统将40kH方波信号分成两路，分别由74LS04经两次和一次反向放大，从而构成推拉式反向放大。

2.2超声波接收电路

接收的回来的超声波信号先经过前置放大器和限蝠放大器，将超声波信号调整到合适的振幅，再经过带通滤波器滤波，得到有用信号，滤除干扰信号;最后由峰值检波器和整形电路输出到锁相环路，实现准确的计时。

2.3色彩识别传感器

系统硬件设计主要包括2部分：前端的颜色采集探头，主要包括光源的选择、探头的设计以及TCS230使用时的外界条件设置;后端基于STC80C51单片机的控制电路，实现对颜色信号的输出频率读取和分析。

STC80C51单片机的P1是个标准的8位准双向并行I/O口，在组成应用系统时P1日常作通用I/O日用，且可用于位处理，在应用中十分方便。

用STC80C51單片机对TCS230辑引脚的控制功能时输出频系数比例的控制引脚S0，S1分别接到P1.2和P1.1口，光电二极管类型的选择控制引脚S2，S3分别接到P1.5和P1.4口，通过对这几个端口高低电平值的入编程，实现对TCS230几个逻辑引脚选择的自动控制。分频系数比例的选择十分重要，它保证了单片机和颜色传感器TCS230之间的频率匹配。

2.4自动拨号系统

本系统由主控部分和警情采集部分两部分组成。主控部分包括以下的几个部分电路：电源电路及充电电路、拨号电路、通话电路、录放音电路、摘挂机及断线检测电路、警情接收电路、E2PROM 存储和蜂鸣器报警电路。系统工作原理如下：当单片机STC80C51接收到超声波传感器实时检测到的警情信号后，立即控制摘挂机电路进行模拟摘机，同时控制拨号电路中双音多频收发电路产生DTMF信号，自动拨打预先存储在E2PROM存储器中的相应的电话号码（若重力传感器， 则c路播放预存在录放音电路中相应的语音信息。

3 系统软件设计

本文设计的导盲装置可以分为两个方面，一是超声波测距系统，二是语音提示系统。图2为该系统的流程图。根据途中指令来设计编程，通过超声波传感器测出使用者与周围环境中距离，和色彩识别传感器识别到的信号灯颜色，传入到单片机STC80C51，然后通过语音提示的方式来指导盲人。

本文设计的导盲装置拥有测距准、灵敏度高、方便携带等特点。并且造价低，误差小，拥有更好的性价比;体积小巧，稳定性强，可以随身佩戴，也可安放在书包、盲杖、眼镜等处。基于数字传感器的导盲装置系统可以更加进一步普及，为盲人提供更方便的服务。