基于单片机的超声波导盲系统

北京林业大学理学院　李筱雅　高　寒　张璐璐　郭丰超　唐　戎



基于单片机的超声波导盲系统

北京林业大学理学院李筱雅高寒张璐璐郭丰超唐戎

【摘要】本文设计并研究了一种便携性好、价格低廉、探测精准的导盲设备，该设备利用超声波对周围环境进行探测，并将盲人前进道路上与障碍物的距离信息转化为声音提示，从而实现导盲的功能。在分析了导盲辅助工具特点的基础上，利用stc12le4052单片机作为主控制器，设计了超声波发射和接收电路，并进行了软件编写。

【关键词】导盲设备；超声波；stc12le4052

0　引言

目前我国的盲人现状不容乐观，主要体现在两个方面。一方面，据调查显示中国是全世界盲人数量最多的国家之一，约每分钟就有一个人失明，照目前情况来看预计到2020年中国盲人数至少增加一倍，因此我国目前的盲和视力损伤问题已经成为了我国目前最严重的社会和公共卫生问题之一。另一方面，城市里导盲基础设施不完善，盲道断断续续，不能对盲人的行走起到很好的指向作用，另外导盲杖探测范围较小，导盲犬价格昂贵。本文采用超声波测距在导盲系统中的应用，设计了一种方便，价格低廉并且具有高精度的可穿戴导盲设备。

1　系统结构

该系统主要由主控制器、超声波发射电路、超声波接收电路以及报警提示模块四部分组成，如图1所示：

图1　系统结构图

在此系统中，单片机作为主控制器，控制超声波发射电路发射出特定频率的方波，经障碍物反射由超声波接收电路接收信号并将信号处理，经过计算得出前方障碍物距测距点的距离，当距离小于安全距离，报警模块工作。

2　系统硬件实现

2.1主控制器

本系统由单片机作为核心控制部分，根据设定的工作方式，产生40KHz的方波，经过驱动电路驱动超声波发生器发出一簇信号，此时，单片机开始计时。

在这里主控制器选用具有低电压、低功耗的stc12le4052单片机作为主控制器(见图2)。

2.2超声波测距原理

超声波发生器由一个共振板和两个压电晶体组成。当压电晶体在发生器所加脉冲信号的频率等于压电晶体的固有振荡频率时，就发生共振，即产生超声波[2]。同理，对于超声波接收器，需要满足以下条件，两电极之间不加电压，当共振板接收到超声波时，促使压迫压电晶体作振动，完成机械能向电能的转换。

图2

图3　超声波发射电路图

2.3超声波发射电路

超声波发射电路如图3所示，其中Send_ctrl、cut_off端由stc12le4052单片机控制，此单片机的I/O口设置为推挽输出模式，拉电流、灌电流均可达到20mA，保证了D882有足够的驱动能力和快速的通断性能。

为提高发射效率，将变压器的次级电感和发射器构成谐振回路，但这样也存在余波时间较长，导致近距离的回波被淹没的问题，因此，在此电路设计中，使用了2种余波抑制电路。一个是R6，通过增加谐振回路的损耗加速余波结束，这种方法不需要控制，但由于同时也消耗了发射的功率，所以阻值不能太小[2]。

2.4超声波接收电路

超声波接收电路是系统中最关键的部分，它能够将接收到的反射波转化成为电信号，然后将其放大到一定幅值，同时抑制噪声和干扰以利用后续单元进行进一步的处理，

鉴于回波信号的变化范围较大，因此对放大电路的增益提出了两个要求：一是放大增益要大，以适应小信号的需要；二是放大增益能变化，以适应信号变化范围大的需要[3]。

此设计中，接收回路为谐振回路，能够将微弱的回波信号检出，送到信号放大电路放大，收到的脉冲输出送往单片机中断端，单片机收到中断信号后则停止计时，计算出距离值，保存等待读出，或者直接经过UART送出。在接收的过程中，单片机定时控制放大电路的增益逐步提高以适应距离越远越弱的回波信号[4]。

图4

2.5报警提示模块

导盲器响应时间是辅助盲人行走的一个重要指标，为了提高其响应速度，使用蜂鸣器报警。蜂鸣器报警只需要一个高电平就可以使其发声，信号处理过程简单，反应迅速。

利用单片机可以控制蜂鸣器发出不同频率的声音，仿照倒车雷达的工作原理，将接受到的超声波回波信号通过滤波和放大电路进行处理之后，由单片机的IO口对其进行检测[5]。当接收完全部传感器的信号后，由系统通过特定的算法得到最近的距离，并驱动蜂鸣器工作，提醒盲人最近的障碍物距离以及方位。

3　系统软件实现

3.1超声波测距系统的算法

当超声波发射探头发出的声波，碰到障碍物以后被反射回来，就能够被超声波接收探头接收。计算出超声波信号发出到接收到返回信号所用的时间，就能计算出障碍物到人的距离。计算公式如下：

d为障碍物与接收模块的距离，s为声波来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。

3.2程序设计

本设计利用单片机控制超声波的发射。超声波接收电路将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经过处理电路输出由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号送至单片机处理。超声波发送子程序为定时器初始化后，单片机控制传感器发射一段一段的超声波[6]。

图5

当输出的距离小于安全距离时，报警系统工作蜂鸣器发出不同频率的响声；当输出距离大于安全距离时，则返回主程序，继续监测信号。

4　结论

该设计灵感来源于倒车雷达，在原有导盲设备的基础上做了进一步改进，经测试，该设计方案可行，测量精准，响应程度良好，同时利用蜂鸣器报警设计较为人性化。并且其成本较低，相较于目前存在市面上的导盲设备具有价格低廉的特点，更适合于盲人普遍购买。

参考文献

[1]杜新珂.超声波测距在智能导盲系统中的应用[D].南京理工大学,2012.

[2]http://www.doc88.com/p-165108828632.html.

[3]岑陈,牛德号.基于超声波测距的导盲系统设计[J].电子技术,2014,05:18-20+17.

[4]http://www.docin.com/p-941604107.html.

[5]张珂,俞国华,刘钢海.超声波测距回波信号处理方法的研究[J].测控技术,2008,01:48-50.

[6]赵晓东,孙运强,姚爱琴.超声波导盲杖的设计[J].山西电子技术,2011,05:19-21.

李筱雅（1994—），河北张家口人，大学本科，现就读于北京林业大学。

霍虎（1973—），北京人，硕士，高级实验师，主要研究方向：嵌入式系统和计算机应用。

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