基于STC89C52的超声波导盲系统设计

薛晶晶 周旭 董宇欣 王旭 孟凡龙

摘 要：为了解决盲人因身体原因，行走时不能准确及时地发现并躲避障碍物的问题，设计一款具有听觉/感触和夜间照明预警功能的超声波导盲系统。该系统以STC89C52单片机为主控芯片，包括报警、震动、光敏等模块，能够实时监控使用者与障碍物之间的距离，距离决定蜂鸣器发出不同的报警音调。当外界环境太嘈杂且距离小于设定距离时，震动模块将会启动;当外界光线较弱时，光敏模块会启动LED照明功能，让行人车辆注意避让盲人。从用户方面来看，该系统采用视频与文字双重解释的使用方法，以便用户尽快熟悉使用该产品。该系统便携、廉价，将会很大程度上解决盲人行走安全和不便的问题，是一款适合盲人群体的性价比较高的预警系统，具有十分广阔的应用前景。

关键词：回波定位;超声波传感器;单片机;导盲系统;预警系统;视频解释

中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）09-00-04

0 引 言

盲人作为一个特殊群体，也是社会成员的一部分。据研究报告显示，中国每年新增盲人大约45万人，盲人在生活等方面十分不便。如何让盲人也能便捷安全的出行成为一个焦点问题。传统的导盲系统有盲道、导盲犬、红外线导盲等，但它们都存在各自的局限性。盲道占用现象屡见不鲜，严重影响盲人群体的行走安全及社会参与，然而普通市民似乎都对盲道被占这一现象“熟视无睹”和“无动于衷”，致使盲道占用现象没有得到任何改观[1]。导盲犬训练的专业性强、时间长、劳动强度大、耗资多，加之驯成后无偿捐献给盲人使用，无资金回收，因此不能被广泛普及。红外线导盲在复杂外界环境中使用时，易受光线的干扰，从而使虚警率较高。如果有一种集简单便携、成本低廉、方向性强、对障碍物定位精确等特点于一身的设备，那么将会很大程度上解决盲人出行安全和不便的问题[2]。众所周知，盲人由于生理缺陷造成视觉的丧失，但是他们的触觉和听觉会比常人敏感得多。本设计是以超声波测距为基础导盲系统，利用盲人擅长的听觉和触觉，满足盲人出行的需求。

随着社会的科学技术的发展，我国的导盲设备也日渐成熟。超声波是一种高于人耳频率的声波，不易受外界环境的干扰，能够定向发射，在不同的介质中速度是定值，因此很容易检测出与障碍物的距离。目前，超声波已经被广泛运用到医学、军事、工业、农业等各个领域中。针对盲人外出将会遇到各种各样的外界环境干扰这一问题，采用超声波测距，能够在很大程度上解决传统导盲设计中存在的不足，在市场上有十分广阔的发展前景[3-4]。

1 超声波测距理论基础

超声波是一种频率非常高的机械波，它的频率在人耳能接收范围之外，具有许多优点：能定向测试前方物体，对具体方位进行传播，不受光线强弱、恶劣环境下的粉尘干扰。

超声波测距是运用超声波回声定位原理，如图1所示。当超声波发射后，遇到障碍物时，立即会反馈给单片机控制系统，这时候计时器开始工作，停止计时后，经过单片机内部信息处理，反馈到超声波接收电路。此时根据传播所用的时间，就可以计算出所处位置和障碍物之间的距离，通过其他模块协调工作进行提前预警，保障盲人出行的基本安全问题[5-6]。

由于是利用超声波测距测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能達到预定的传播距离。同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有得到合理的回波频率，接收电路才能检测到回波信号，防止外界信号的干扰。经分析和大量实验表明，频率为40 kHz左右的超声波在空气中传播效果最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。限制系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围，减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。超声波声速也易受温度影响，所以装置必须带有温度补偿电路[7-10]。

2 导盲系统设计原理

导盲预警系统的总体设计如图2所示。

本文系统设计由单片机、超声波测距模块、光敏模块、继电器扩展模块、蜂鸣器及振动模块等组成。单片机作为整个系统的控制系统，对于预期功能的实现，有着非常重要的作用。控制系统在接收到超声波传感器的信息后，将回波时间通过内部算法转换为距离信息，然后通过蜂鸣器报警或振动预警帮助盲人，达到避障目的。当外界光线较弱时，光敏模块启动，LED灯自动点亮，提醒路人和车辆避让盲人，减少危险的发生。盲人虽然在视力存在缺陷，但是他们的听觉和触觉比常人更加灵敏，所以利用蜂鸣器和振动模块使其更能准确地接收预警信号。继电器扩展模块能够在夜晚来临时开启，从而满足使用者外接负载的需求，例如温度测量器、时间播报器等。

3 导盲系统硬件电路设计

本文电路设计的控制核心为STC89C52单片机。控制系统在接收到超声波传感器的信息后，将回波时间通过内部算法转换为距离信息，然后通过蜂鸣器报警或震动预警帮助盲人，达到避障目的。

导盲系统的硬件组成如图3所示，当超声波检测到障碍物存在时，发射到控制系统，经过单片机处理，将障碍信息发射到蜂鸣器和振动器。经过距离分析，如果距离在4～5 m时，蜂鸣器启动报警;如果距离小于1 m时，振动器和蜂鸣器会同时报警。光敏模块检测外界光线，当外界光线较弱时，会反馈到控制系统中，启动LED灯，而且继电器扩展模块的提示灯光也会打开。

4 导盲系统软件设计

4.1 系统软件设计语言

本系统程序软件设计语言采用了C语言，因为它减少了对硬件的操作，具有良好的程序结构，而且非常适用于模块化程序设计。在选用C语言作为单片机应用系统时，首先尽可能地采用结构化的程序设计方法，将各个电路的功能模块化，并且进行任务分配化，这样可使整个应用系统程序结构比较清晰且便于管理，易于调试和后期维护。

Keil软件是一款集编程和仿真于一体的软件，它支持汇编、C语言及二者的混合编程。软件是一个系统的核心，想做好一个设计必须有好的思想和清晰的逻辑。本系统采用模块化设计，将程序拆分成几个相对独立的子程序，这样既方便程序的阅读，也有利于以后对程序的修改和移植。本设计的软件开发完全是依靠Keil单片机C语言平台。此平台程序调试简单，具有良好的可续性和扩展性。程序编写使用的软件是Keil，该软件具有在线调试功能，通过设置断点调试程序，判断程序的运行情况。

4.2 系统的总体流程

超声波测距流程如图5所示。主控系统供电后，开始工作，导盲系统初始化，超声波模块发射超声波脉冲波。当没有障碍物存在时，系统会自行调试，实时监测修正距离;当有障碍物存在时，系统接收到回波信号，计时器停止工作，根据不同环境的温度，修正传播速度。然后计算距离，并且存储好数据之后，与其他模块进行信息交互反馈。

4.3 报警程序流程

蜂鸣器报警流程如图6所示。它连接了AT89S51单片机的P2.1口，为了确保采集数据的准确性，一般超声波计时器工作会延迟2 ms，来确定是否有回波信息，再经单片机处理后反馈给蜂鸣器，若距离小于4.5 m，蜂鸣器报警。

振动模块程序流程如图7所示。它通过P1.1口连接单片机能够实时处理回波信息，当外界环境过于嘈杂，蜂鸣器报警接收效果不好，且距离障碍物距离小于1 m时，单片机会将距离信息反馈给振动系统，启动振动预警。

5 系统的调试

简易导盲装置如图8所示。它是根据各个模块功能的不同，按顺序焊接在万用板上。从左边开始依次是超声波测距模块，带有橡胶套的光敏模块，STC89C52单片机，黑色按钮是复位开关，蓝色按钮是自锁开关，圆形的白色和银色模块分别是蜂鸣器和振动模块，黄色方块是继电器，下面是一排LED灯。

当连接电源时，启动导盲功能。打开自锁开关，当障碍物存在时，蜂鸣器会用平缓的音调播报;当距离越来越近时，蜂鸣器的报警音调频率也会越来越尖锐;当距离小于0.5 m，振动模块也会开启震动预警。同时为了模拟盲人在夜晚的情景，在光敏电阻外加了一个橡胶套，捂住橡胶套时，LED灯会打开，继电器模块的提示灯也会打开。

5.1 测量数据

本设计能够满足盲人出行测量障碍物的基本精度要求，同时也检测了在实际应用中该装置能够在不同环境下，正常启动蜂鸣器和振动报警功能。实验数据见表1和表2所列，由于检测环境温度不同，超声波测距的测量值与实际报警距离存在一些误差。

5.2 误差分析

实验数据表明超声波在实际应用中会存在一些局限性，它们都会影响测距报警的准确性。表中列出的原因共有两个方面：

（1）本文研究的介质大部分是空气，但由于距离远近不同，超声波会发生衰减，造成回波时间的误差，因而导致预警不准确。

（2）超声波是一种声波，其声波c与温度有关，对于近距离避障，声速会受不同的环境温度变化而存在一些差别。但本设计不应用于工业场合中，所以对精度要求没有那么苛刻。本文主要是在常温下进行测距报警，所以声速差别忽略不计，统一为340 m/s。

实际应用中，本设计采用US-100超声波模块，它是接收电路和发射电路一体化的模块。由于回波时间非常短，而有些超声波信号没有经过反射，就直接进入超声波接收系统，因此对系统测距结果产生干扰。 所以控制系统安装了计时器，当时间经过2 ms后，接收到的信号才有效。但是这样超声波就会有一段停止工作的时间，所以监测存在一定的盲区。

6 结 语

超声波导盲系统的设计是为了解决传统导盲产品的局限性，实现超声波的发送与接收，并且能够通过蜂鸣器、振动模块、光敏模块等模块相互配合以达到预期的报警效果。

超声波导盲预警系统的运用，降低了盲人出行事故发生率。借鉴传统导盲系统设计的方法，选出最优方案，在此基础上进行了功能的完善和创新。

本系统还可以在如下几个方面进行修改完善，进而使得本设计的预警功能更加完善。

（1）本设计主要是对前方障碍物起到预警提示的作用，并没有全方位进行障碍测量，对障碍物大小检测要求不高，所以在以后的设计中会尝试将多个导盲系统装入一个便携式背包中，进行全方位预警，使预警功能更加精确。

（2）由于超声波模块的发射极和接收极焊接在同一块板上，所以当超声波发射极工作时，有部分超声波没有经过障碍物的反射就直接绕到超声波接收极上，这部分信号会干扰正常障物距离的判断。在本设计中可以安装过零检测装置，减弱超声波串口干扰，保证能够准确接收到障碍物反射回来的超声波。

参 考 文 献

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[3]严也，汪磊，徐远志.基于单片机的超声测距系统设计[J].科学技术创新，2018（3）：40-41.

[4]季江飞，黎云飞，张逸聪，等.基于蓝牙的超声波测距系统的設计与实现[J].福建电脑，2018，34（1）：24-25.

[5]侯择尧，祁宇明，周鸿超，等.不同温湿度条件下AGV超声波避障系统研究[J].装备制造技术，2018（1）：4-6.

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