基于超声波技术的导盲杖系统设计与实现

曲丹丹，张宏伟

（大庆师范学院机电工程学院，黑龙江大庆 163712）

随着现代社会的持续发展，人们的出行都变得十分便利，生活也变得更加丰富多彩，但是社会中也同时存在着很多的盲人。盲人在生活上的困难与心理上的痛苦是我们难以想象的，这些困难更多的体现在出行与人际交往之中。对于目前，市场上的导盲工具普遍都是导盲犬，导盲犬习惯于颈圈、导盲牵引带和其他配件的约束，可以带领盲人安全地走路，当遇到障碍它们会引导主人停下以免发生危险。但是，一只导盲犬的培训过程长达18个月，综合费用达2.5，3万美元，如此昂贵的价格不是普通用户能承担的，由于这些因素的困扰，设计了一款基于超声波技术的导盲杖，超声波作为一种频率超过20kHZ的机械波，具有其指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远的特点。同时超声波传感器还具有结构简单、体积小、信号处理可靠，检测比较迅速、方便，计算简单，易于做到实时控制等很多的优点。此外，与其他测距方法相比，超声波测距不受光线、被测对象颜色等影响。对于处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、等恶劣的环境下的被测物具有一定的适应能力。因此，基于超声波技术的导盲杖对环境的适应能力较强，稳定性较高，性价比高，足以给盲人的行路提供更加安全的必要保障。

1 系统总体功能概述

1.1 系统原理及框图

导盲杖的系统主要由一个主控制器、三对超声波测距模块和一个语音报警模块及振动模块组成。系统工作时它的三对超声波测距模块会对三个不同方向的障碍物距离进行巡回检测，检测完毕以后会再将采集到的信息送到微处理器进行一定的处理，最后微处理器再通过语音模块告知使用者足够安全的行进方向，如图1所示。

图1 系统原理及框图

1.2 发展概述

（1）超声波的发展背景。超声学是近年来发展非常迅速的一门技术，并且人们已将超声波应用到很多方面的发展技术研究中。超声技术可分为两种一个是检测超声，另一个则是功率超声，作为检测用的超声波显然属于检测超声的范畴。其中检测超声主要是利用超声的信息载体作用，也就是通过超声在媒质中的传播、吸收、散射、波形转换等方式去提取反映媒质本身特性或内部结构的信息，从而达到检测媒质性质、物体形状或几何尺寸、内部缺陷或结构的目的。超声波发生器分为两大类：一类是用电气方式产生超声波；电气方式包括压电型、电动型等；另一类则是采用机械方式产生超声波；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率，功率和声波特性都各不相同，因而它们的用途也各不相同。

（2）超声波测距的发展概况。超声波测距虽然被大量应用于各种工业领域，但它在低信噪比下测距精度较低，因为在多个超声波测距作用的条件下超声波之间会产生相互影响，另外测距的时候也存在很多的较大盲区，这些固有的特点也限制其对多方面进一步的广泛应用。在目前使用的超声测距技术中，应用最多的是Pellam和Galt于1946年提出的脉冲回波检测法，它的原理是通过超声传感器中所发射出来的超声波，接收从被测目标反射回来的回波信号，确定超声脉冲从发射一直到接收所花费的时间，然后再根据超声波传播的速度，计算出超声波传感器与被测物体之间的距离。

2 硬件系统设计

2.1 超声波概述

超声概述声波按频率高低不同可分为四种：频率在16kHz，20kHz之间的机械波，称为声波；低于16kHz的机械波称为次声波；高于20kHz的机械波称为超声波；高于10MHz的机械波称为特超声波。

声波产生的条件首先是要有一个作机械振动的质点作为波源，其次要有传播振动的弹性介质。此外，当振动传播时，振动的质点并不随波而移走，只是在自己的平衡位置附近振动而已，这与电磁波(交变电磁场以光速在空间的传播)是完全不相同，与光波也不同。因此超声作为一种高于人的听觉范围的声波，与光波与电磁波不同，是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播；电磁波的传播速度为3×108m/s，而超声波的传播速度为340m/s，其速度相对电磁波是非常慢的，对于相同频率的情况下波长较短，因此可以提高测量的分辨率；超声波在相同的传播媒体里传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，作为纵向振动的弹性机械波。

本次设计是研发电子导盲杖，主要是利用超声波测距技术，在遇到障碍物时，获得障碍物的距离信息，通过单片机控制语音模块，从而发出不同的报警录音，达到导盲的作用。主要内容如下：根据测距技术的特点，进行电子导盲杖的整体研究和设计针对电子导盲杖的整体功能来焊接各个模块的电路；对超声波发射模块进行论证和设计，产生用于测量的超声波；对超声波接受模块进行论证和设计，接收反射回来的超声波；研究和学习使用语音模块，学会如何往模块里面录音，和如何控制放音；进行数据采样电路的设计与分析，对发射和接收波的时间进行测量，计算距离；根据距离来驱动语音模块进行放音。

2.2 超声波发射电路

超声波发射电路主要由反相器HEF4069UBP和超声波换能器构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极，然后另一路经两级反相器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波的发射强度。输出端则是采用两个反相器并联，并联的目的是为了提高驱动能力。压电超声波转换器的功能是利用压电晶体谐振工作。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号的频率恰好等于压电晶片的固有振荡频率的时候，压电晶片将会发生共振，并且带动共振板振动产生超声波，这时它就是超声波发生器；如果没加电压的话，当共振板接受到超声波时，将会压迫压电振荡器作振动，同时将机械能转换为电信号，这时它就成为了超声波接受转换器。超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同。Vcc为+5V，R以用电位器，它可以调整振荡周期，开机上电时，电源通过R，和R，向C充电，当C上电压下降到V的三分之二时，内c部触发器将会被置位，输出翻转变成低电平，然后7脚端内部导通，使C通过R放电；当C上电压下降到V的三分之一时，内部触发器又将会被置位输出又翻转变成高电平，7脚端内部截止，一个周期结束。C在充电放电的过程当中，其电压在V/3和2V/3之间，因此，充电周期可表示为：

因此可发射脉冲周期：

发射脉冲波形的频率为：

输出脉冲占空比为：

2.3 超声波接收电路

当发射换能器发出超声波的信号之后，信号会经过流体传播到接收换能器，因为其中间会存在一些杂质和气泡等影响，强度会不断减小，而且强度也会不稳定。为了实现对其高精度的测量，在信号到达检测电路前必须确保信号是稳定可靠的，根据接收信号的实际情况，我们对所设计的超声波接收电路主要由放大电路、滤波电路、自动控制增益电路、电压比较电路等部分组成，如图2所示。

图2 超声波接收电路

3 超声波测距原理

超声波的指向性强而且能量消耗缓慢遇到障碍物后反射效率高，所以它是测距的良好载体。测距时由安装在同一位置的超声波发射器和接收器完成超声波的发射与接收，由定时器计时，首先由发射器向特定方向发射超声波并同时启动定时器计时，超声波在介质传播途中一旦遇到障碍物后就被反射回来，当接收器收到反射波后立刻停止计时。这样我们就用定时器记录下了超声波自发射点至障碍物之间往返传播经历的时间t(s)。由于常温下超声波在空气中的传播速度约为340m/s，所以发射点距障碍物之间的距离为：

由于单片机内部定时器的计时实际上是对机器周期T机的计数，设计中时钟频率f取12MHz，设计数值N，则

程序中按式（7）计算距离。

4 系统实现

本设计的语音芯片采用ISD1700系列芯片，该芯片提供了内置专利的多信息管理系统，新信息提示，运作模式以及可定制的信息操作指示音效等多项功能。控放音方式有2种，一是7组触点控制，可接入常开或常闭触点控制，也可组成4*4矩阵键盘。2是用485总线控制。适用于距离较远，或节点较多的情况。该导盲杖在使用时，利用超声波电路检测正前方和空中障碍物，利用红外线电路检测路面上的低矮障碍物。当检测到障碍时，语音电路控制扬声器发出提示声音，同时振动电机振动提醒。智能语音播报、操作简单等特点，它能够帮助盲人在无需专人陪伴的情况下，独立出行并提高行走速度与效率。