趙曉東，孫運強，姚愛琴

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051)

0 引言

隨著電子技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，人們對電子產(chǎn)品的需求轉(zhuǎn)移到為人類的生活上來。依據(jù)超聲波測距原理輔助盲人行走，而超聲波導(dǎo)盲杖目前國內(nèi)市場罕見，與盲人需求相差甚大。綜合分析表明，解決好功能價格比與我國盲人購買力的矛盾，是開拓市場的關(guān)鍵。導(dǎo)盲儀器作為用于服務(wù)的電子產(chǎn)品的一種，要想使其控制方案更加優(yōu)化、行進(jìn)軌跡更加合理，模糊控制應(yīng)用在導(dǎo)盲儀器上是發(fā)展的必然趨勢。將模糊集合理論運用于自動控制而形成的模糊控制理論，在近年來得到了迅速的發(fā)展，其原因在于對那些時變的非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型的時候，利用具有智能的模糊控制器能給出有效的控制［1］。

1 超聲波導(dǎo)盲杖的整體設(shè)計及原理

1.1 超聲波的相關(guān)概念

超聲波是一種頻率為20 kHz以上的聲波，具有直線傳播的能力，頻率越高繞射能力越弱，但反射能力越強，其指向性強，能量消耗緩慢，傳播的距離較遠(yuǎn)。超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到實用的要求，因此在各方面的研制上都得到了廣泛的應(yīng)用［3］。

1.2 導(dǎo)盲杖的整體設(shè)計

超聲波導(dǎo)盲杖是將超聲波探測障礙物功能與手杖觸探障礙物功能結(jié)合為一體。前者適宜先期發(fā)現(xiàn)較遠(yuǎn)的和較大的障礙物;后者適宜于鑒別腳下低矮障礙物及反射聲波不良物。因此，超聲波發(fā)射與接收模塊裝在手杖底部，而語音報警模塊則裝在手杖上端，方便盲人聽到報警聲。本設(shè)計主要由單片機和超聲波探測電路、語音報警電路等組成。其中，超聲波探測電路包括超聲波接收電路和超聲波發(fā)射電路。超聲波導(dǎo)盲杖硬件整體構(gòu)架如圖1所示:

圖1 系統(tǒng)硬件整體架構(gòu)

2 超聲波導(dǎo)盲杖的硬件設(shè)計

2.1 微控制器的選型

PIC12C671具有如下特點:低功耗高速CMOS EPROM/EEPROM技術(shù)，寬工作電壓范圍，只有8個引腳，同時具有DIP和SOIC封裝形式。在工作電壓為5 V，時鐘頻率為4 MHz時耗電僅為2 mA，當(dāng)工作電壓為3 V，時鐘頻率為32 kHz時耗電僅為15 μA，而待機模式只有1 μA，這個特性適合于電池供電的掌上型電子產(chǎn)品［8］。因此，本設(shè)計選擇PIC12C671作為主控芯片。PIC12C671單片機(如圖1所示)是一種功能強大的微控制器，可以為嵌入式控制系統(tǒng)提供高度靈活而有效的解決方案［5］。

2.2 超聲波傳感器的選型

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。正常成年人的行走速度為1.5 m/s，反應(yīng)時間為0.15 s～0.4 s，按照人的最慢反應(yīng)時間來算，從人感知到前方障礙物到停止前進(jìn)，依然還要行進(jìn)0.6 m，而盲人的行走速度要低于正常人的，由此設(shè)定障礙物探測距離為3 m。因此，本設(shè)計采用超聲波傳感器URF04實現(xiàn)該模塊設(shè)計［4］。

2.3 系統(tǒng)各功能電路的設(shè)計

2.3.1 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計

超聲波發(fā)送器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個部分。發(fā)射電路利用一個NPN三極管與單片機P1.0腳和超聲波發(fā)生器的發(fā)射探頭相連接。三極管的基極接P1.0，集電極接5 V電源，發(fā)射極接發(fā)射探頭。通過P1.0的二進(jìn)制信號來控制三極管的通斷，進(jìn)而來控制發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。當(dāng)P1.0為低電平時，三極管不通，超聲波不發(fā)射。反之，則發(fā)射。如圖2所示。

2.3.2 超聲波接收電路的設(shè)計

接收電路如圖2所示，R1，R3為基極偏置電阻，提供一個基極電流，保證其不失真的放大。R2，R4為集電極負(fù)載電阻，將集電極電流轉(zhuǎn)換成信號電壓放大輸出。C1，C2，C3為耦合電容。發(fā)射傳感器發(fā)出的經(jīng)反射后的超聲波脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯慕涣餍盘?，?jīng)過運算放大器LM358的兩級放大后，送至音頻譯碼集成模塊LM567的3腳。LM567是帶鎖相環(huán)的音頻譯碼器，具有選頻功能，當(dāng)輸出端8腳由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，將其作為單片機的中斷請求信號，送至單片機INT0端，以啟動數(shù)據(jù)處理子程序。

2.3.3 語音報警電路的設(shè)計

語音報警模塊采用美國ISD公司的2560芯片，錄放時間可達(dá)60 s。ISD2500系列具有抗斷電、音質(zhì)好、使用方便等優(yōu)點。它的最大特點在于片內(nèi)E2PROM容量為480 kB，錄放時間長;有10個地址輸入端，尋址能力可達(dá)1024位;最多能分600段;設(shè)有OVF(溢出)端［7］。當(dāng)遇到障礙物的時候語音芯片發(fā)出蜂鳴聲提醒避障，語音芯片供電為5 V，使用時必須采用相應(yīng)的音頻輸出電路。ISD2560通過串口接收主控電路發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)，命令和數(shù)據(jù)以幀的方式進(jìn)行封裝和發(fā)送，生成需要的語音輸出。如圖2所示。

圖2 超聲波發(fā)射電路(左上)超聲波接收電路(右上)語音報警電路(下)

3 超聲波導(dǎo)盲杖的軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要由主程序、超聲波發(fā)送子程序和數(shù)據(jù)處理子程序等組成。通電后主程序無限循環(huán)，初始化后系統(tǒng)設(shè)置一系列初始值，包括超聲波發(fā)射間隔數(shù)、定時器定時初值、報警門限值等，然后再根據(jù)需要對初始設(shè)定值進(jìn)行修改，初始值報警距離設(shè)定為3 m，即3 m內(nèi)有障礙物時即驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音，程序控制發(fā)送0.2 ms寬度的超聲波，同時啟動定時器計時;為避免接收傳感器直接接收到發(fā)射的超聲波，在發(fā)射超聲波之后插入一段延時，由于設(shè)置超聲波頻率為40 kHz，超聲波常溫下在空氣中的傳播速度是340 m/s，計算可知延時6個脈沖就可以了。

3.1 主程序

主程序首先對系統(tǒng)初始化，然后循環(huán)調(diào)用超聲波發(fā)送子程序和數(shù)據(jù)處理子程序程序。超聲波發(fā)送子程序控制超聲波的發(fā)射，同時單片機開始計時，若有回波，則單片機停止計時，同時通過數(shù)據(jù)處理子程序計算結(jié)果并報警;反之，則返回。如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

3.2 超聲波發(fā)送程序的設(shè)計

本設(shè)計利用單片機控制超聲波的發(fā)射。超聲波接收電路將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?，?jīng)處理電路輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖剑鳛橹袛嗾埱笮盘査椭羻纹瑱C處理。超聲波發(fā)送子程序為定時器初始化后，單片機控制傳感器發(fā)射一段一段的超聲波。如圖4所示。

圖4 超聲波發(fā)送程序流程圖

3.3 數(shù)據(jù)處理程序的設(shè)計

圖5 外部中斷服務(wù)子程序流程圖

數(shù)據(jù)處理程序為有回波后進(jìn)入外部中斷程序，關(guān)閉外部中斷并開始讀取時間值并計算距離，若輸出結(jié)果小于設(shè)定值，則系統(tǒng)報警;若輸出結(jié)果大于設(shè)定值，則返回主程序。如圖5所示。

4 結(jié)論

經(jīng)測試，本設(shè)計的控制器能夠探測到控制器前方障礙物，并對3 m以內(nèi)的障礙物進(jìn)行語音報警。該超聲波導(dǎo)盲杖應(yīng)用超聲波測距原理可以使盲人及時避障，準(zhǔn)確可靠，靈敏度高，同時采用人性化設(shè)計，用語音提示，便于盲人使用，為他們的生活帶來方便。由于顧及盲人購買力水平，同時結(jié)合當(dāng)今導(dǎo)盲輔助工具的研究狀況，以及功能設(shè)計的簡單化，本設(shè)計為超聲波導(dǎo)盲杖，并進(jìn)行了系統(tǒng)硬件和軟件兩方面的設(shè)計。

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