基于单片机的新型导盲器的设计与应用研究

作者/鲍捷、陈洪斌、欧仁侠，吉林医药学院生物医学工程学院

基于单片机的新型导盲器的设计与应用研究

作者/鲍捷、陈洪斌、欧仁侠，吉林医药学院生物医学工程学院

本文依据超声波测距原理，利用单片机设计了一种新型智能导盲器，可准确探测2米范围内的障碍物，能够以蜂鸣报警和振动报警提醒盲人避障。测试结果表明，该导盲器性能稳定，使用方便，导盲效果良好，值得推广应用。

单片机；导盲器；超声测距；振动报警

引言

盲人是因先天眼睛患有疾病，或后天眼睛遭受意外伤害而存在视觉障碍的人士，分为失明和弱视两类。失明类视障人士完全看不见，而弱视类人士的视力则低于正常视力60%。根据世界卫生组织2010年数据，我国盲人有824.8万，低视力6727.4万，大约每100个人中，就有一个盲人。全世界盲人数量大约在4500万左右[1]。盲人是特殊的群体，由于看不见或看不清，他们必须要借助辅助工具，例如手杖、导盲犬等，才能进行生活并完成一些行为活动。手杖是盲人最常用的辅助工具，借助长长的手杖，盲人可以探查前方道路和地面上的障碍，或者是道路行走指向。但手杖探测范围受长度影响，在靠近障碍物时，无法发出声音警报，还不便于携带；导盲犬资源稀少、价格高，需要照顾，不能进入某些特定社交场合。随着信息科技的进步，国内外研制出不少电子导盲装置，这些装置大多采用 GPS 全球定位系统,因为成本和售价较高，无法适用大多数盲人。

本文在分析盲人实际需求的前提下，构思设计出一款新型智能导盲器。该导盲器以单片机为主控芯片，采用超声波测距原理，可探测前方一定距离内的障碍物，并发出报警提示，可有效辅助盲人安全行动。

1.导盲器整体结构

该导盲器主要由主控模块、超声波测距模块和报警模块三部分组成，主控芯片采用STM32芯片，超声波测距采用KS103模块，报警电路利用蜂鸣器和振动马达实现。电路主要功能是通过超声波测距实现2米范围内对盲人避障提醒，如果导盲器与障碍物之间距离接近2米，导盲器会发出声音报警和振动提示，距离越近，提示音和振动频率越快。该导盲器放置在手杖内，在盲人使用手杖触探障碍物的前提下，辅助盲人更好的躲避大体积障碍物。图1为导盲器整体结构框图。

■1.1 主控模块

主控模块的功能是控制和协调各部分电路正常工作，主要控制超声测距模块和报警电路。当系统接通电源后，主控电路控制超声波测距模块发射方波、回波检测、温度补偿、距离计算和数据存储，然后根据所测距离控制报警电路发出提示。

图1 导盲器整体结构框图

系统主控模块选用性能好、速度快、低功耗的STM32芯片，它是整个控制模块的核心器件，是32位微处理器中功耗最低的，待机时电流可达2μA,工作电压在2～3.6V，系统为其提供3.3V电压。

■1.2 超声波测距模块

本导盲器采用KS103超声波测距模块，该模块有I2C接口和TTL串口模式，测距模块和主控芯片采用I2C模式连接通信，当测距模块的模式选择MODE引脚悬空时为I2C模式。在该模式下控制芯片最多可扩展连接测距模块20个，以满足不同情况的需求。该模块探测频率500Hz,每秒可探测500次，模块包含超声波发射器、接收器和外围控制电路[2]。工作电压3～5.5V,为确保测距量程不受影响，系统为其提供5V电压。测距模块发射端发出方波，方波在遇到障碍物后会反射回来，回波被接收端接收，当有效的环境温度数据和回波时间采集到后,经测距模块的控制程序进行温度补偿计算、计算出测距点与障碍物之间的距离，主控模块根据返回值进行下一步动作，如果所测距离低于安全值，系统会启动报警模块，从而发出警示提示。

超声波测距是一种非接触式检测方式，在使用中不受光照度、电磁场和被测物色彩等因素影响[3],但其受传播介质和温度的影响，为提高测距的准确性，在测距模块中有温度补偿，具体计算公式如下：

式中，T为环境温度，单位为摄氏温度；331.4m/s为超声波室温下在空气中传播速度；

s为发射点到反射点的距离，即待测距离；t为从发射超声波至接收到回波的整个时间。

■1.3 报警提示模块

该导盲器的报警模块有两部分组成，蜂鸣器报警和振动报警。由于室外环境嘈杂，为防止盲人漏听或误听蜂鸣器警报提示音，系统还设计了振动报警，会随着测量距离的变化而改变振动频率，系统采用的是微型手机用扁平式振动马达，工作电压3.3V，成本低、体积小、功耗低，适用于便携式系统中。

2.软件设计

系统利用C语言进行软件编程，整体采用模块化设计，主要包括主程序、延时子程序、超声波发射子程序、超声波接收子程序、测距子程序和报警子程序等。报警子程序分为振动报警子程序和蜂鸣器报警子程序。

系统主程序流程如下：系统初始化以后，启动定时器，调用发射子程序,延时10ms，开中断准备接收回波，如果接收到回波，关定时器，调用测距子程序，根据测量的环境温度和检测到回波的时间计算距离，并将计算后的距离返回主程序，如果在10ms内未检测到回波，发射器重新发射方波；如果返回值距离小于2米，主程序调用报警子程序，启动蜂鸣器和振动马达同时报警。

3.系统测试与实现

本文设计的基于单片机的新型导盲器，具有一定的前瞻性和先进性，而且成本低廉，普适性较强。为测试导盲器的实际使用效果，拟从硬件和软件方面分别进行调试，并进行了距离测试、繁杂环境测试、使用适应性测试、实用性测试等相关测试。根据调试结果调整程序，再次进行了距离测试。结果表明，在障碍物探测距离、物体判断准确性方面，导盲器完全符合设计预期，蜂鸣和振动提示清晰、准确，可较好地为盲人安全出行保驾护航。

4.结语

本文所设计的新型导盲器，是一种基于超声波测距的新型导盲器，对2米范围内的障碍物，能进行准确探测，并以蜂鸣和振动形式提示盲人，帮助盲人及时避障。导盲器智能化水平较高，设计简单而人性，便携性好、探测精准，成本低廉，可以进行进一步推广。不过，由于受到多种因素的影响，本设计仍有许多值得改进的地方，例如，对2米范围外的物体探测准确性不高，不能同时探测左右方向的障碍物等，上述不足之处，将在后续研究中进行完善。同时，还可考虑导盲器与手机功能融合,进一步设计出具有导盲功能的手机,为盲人用户提供便利。

* [1]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[J].电子世界,2016,07:123-124.

* [2]帅盼,张海宁,白福等. 基超声波测距的汽车倒车避障系统设计[J].国外电子测量技术,2016,09:54-57.

* [3]赵海鸣,卜英勇,王纪婵. 一种高精度超声波测距系统的研制[J].矿业研究与开发,2016,06:62-65.

课题支持：吉林省教育科学“十三五”一般规划课题“《模拟电子技术》课程互联网+交互学习模式与资源共享构建研究”（GH170528）；吉林省教育科学“十三五”一般规划课题“基于医学仪器技能实验平台理论教学与知识体系构建研究”（GH170527）；吉林省高等教育学会课题（JGJX2017D181、JGJX2017C72）。