超声波感应导盲手杖的研制

李羊林 成中平

摘 要：具有超声波测量功能的传感器装在手杖上面。超声波传感器为 HC-SR04，在超声波发射之后，如果接收到反射的超声波讯号，计算出超声波传感器与障碍物之间的距离，如果在手杖上下各安装两个这样的系统，并发出各种不同声音，就可以判断障碍物情况。

关键词：超声波传感器;距离测量;盲人手杖

1.前言

盲人手杖的主要功能在于协助视障者，利用非身体直接接触的方式，感知前方周遭的路况，因为运用手脚能够伸展的范围有限，且利用肢体去接触周遭环境有潜在的危险性，藉由手杖可加长感知距离且不会使身体受伤。不像拐杖、登山杖或助行器，需要支撑身体的重量，所以看起来不那么粗壮。由于无法取得白手杖，成品部分我们小组以与白手杖相似之拐杖代替。

盲人在行走時普遍陪伴他们的，是手杖或导盲犬。然而结合科技之便，将常应用于生活中的感测配件和手杖结合，以增加感测障碍物之范围，为盲人的安全多一层保障。

将具有超声波感测功能之配件装在手杖上面。我们选择了现代许多人在用的Arduino Uno微控制器，这是一块模板，上面有许多接脚，可以连接包括温度感测、湿度感测等许多相关配件，而我们使用了超声波感测和蜂鸣器二大配件作为手杖功能上的强化。

2原理

2.1. 超声波传感器

超声波传感器为 HC-SR04， 左侧T是发射器（Transmitter），会发出 40 kHz 的声波，这个声波超出人类可感知20kHz 上限， 右侧R 的是接收器（Receiver），可接收超声波。HC-SR04 脚位从左至右分别为 Vcc、Trig、Echo 与 GND，Vcc 与 GND 就是接 5V 电源及 GND 了，Trig 为输入脚位，Echo 为输出脚位，超声波的发射与接收，就是靠 Trig 与 Echo 这两个脚位，如果你送出 10 微秒的 5V 高电位讯号给 Trig，就会触发超声波的发射，接着 Echo 脚位就会处于 5V 高电位状态，如果接收到反射的超声波讯号，那么 Echo 脚位就会处于 0V 低电位状态，见图1。

因此，在超声波发射之后，Echo 的高电位持续时间，就可以搭配音波速度每秒 343.2 公尺，也就是每cm要花费 29.1 微秒左右，计算出超声波传感器与障碍物之间的距离，音波往返是走了两倍距离，因此 Echo 的高电位持续时间要除以 2，再用来除以 29.1 微秒，才是与障碍物之间的距离。

2.2 无源蜂鸣器

有源 / 无源 蜂鸣器（Buzzer），源指的是震荡源（震荡电路）。有源蜂鸣器内部带有震荡电路，只要一通电就会鸣叫。无源蜂鸣器内部不带震荡电路，所以要用2K-5K方波驱动。无源蜂鸣器特色为便宜、声频可控制，而有源蜂鸣器特色为过程控制方便。

2.3.Arduino Uno控制器

Arduino 包含了硬件与软件二大部分，硬件部分是一个约手掌大小的控制板（宽 70mm高 54mm），核心使用八位 ATMEGA8 系列的的微控制器，提供14 个数位式输出/入端，6 个类比式输出/入端，支持 USB 资料传输，可以使用自备电源（5V～9V）或是直接使用 USB 电源，使用者可以在数位式输出/入端上接上不同的电子装置，例如 LED 灯、喇叭、马达，然后再由控制器来驱动灯的亮灭、喇叭发声、马达运转。Arduino 控制板采用开放式源码设计的概念，电路设计图、韧体都可以在网路上下载，稍具电子知识就可以自行制作;也可以在网路上用很便宜的价钱买到。

Arduino Uno可透过三个管道提供电源：USB端口、电源输入插座、Vin脚位。

透过USB端口提供给控制板的电源必须是5V的电压，最基本的方式，就是透过Type B USB连接控制板，而另一头是Type A USB连接个人计算机，这可以提供5V、500mA的电源给控制板，因为计算机要透过USB传送程序给Arduino。

3. Arduino程序

Arduino的开发环境是基于Java与Processing程序语言为基础，以AVR-GCC编译程序与avr-libc、AVRlib函式库所构成的开放原始码开发环境，它让使用者可以很轻易的上手编写程序并将程序上传到I/O板上，它可以运行于市面上各种作业软件：Windows的Mac OS X，Linux….等等。Arduino 的精神就是走开放式软硬件的概念，因此只要有兴趣的使用者都可以免费的在网路上取得各种资源，它可以与众多程序语言（C#、VB、C++）结合，成为教学程序语言的教具，也能够和受欢迎的应用程序如Flash、Processing、Max/MSP 等沟通，快速发展出多彩多姿的交互式多媒体软件，便重要的是它非常的简单，不用太多的电子背景也很容活上手，非常适合应用在教学活动上。图五和图六为最后设计出的程序。

为达理想之效果，设定模式为每当侦测到的障碍物越来越接近使用者时，蜂鸣器之鸣响间隔会越来越短，声音会越来越尖以提醒使用者以注意安全。

4.结论

本盲人手杖一共由UNO微控器感应配件、程序、手杖所组成。超声波传感器采一上一下之放置，下方模块较能侦测地面凹凸不平之状况，上方模块较能侦测使用者之大约膝盖的前下方的障碍物。使用后我们发现蜂鸣器的程序设定，因着超声波感应和蜂鸣器收到讯号以至于鸣响的速度会跟不太上实际步行的速度，可以改成在较远的距离时即可鸣响。

参考文献：

[1]李羊林 传感器原理与应用，清华大学出版社，2013年6月

[2]周自平，杨席，瑛健，罗奎，冯健 基于实测声速的超声波测距方法及超声波传感器 发明专利， 2016.5.20

[3]赵珂 等.高准确度超声波测距仪的研制.传感器技术，2003年第22卷第2期

（泰州职业技术学院  江苏  泰州  225300）