胡林慧 惠坤龍 楊博 馬曉東 王珂 郭子蒙 西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

關(guān)健詞：盲人 超聲波 測障裝置

雷達(dá)測障拐杖的運(yùn)用可大大地減輕盲人出行不便和安全隱患，降低甚至避免因盲人無法辨認(rèn)障礙所導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，并且它對人體智能設(shè)計(jì)有著重要的意義。通過借鑒前輩研究出的內(nèi)容和方法，擇選出最好的方案，在好的方案基礎(chǔ)上改造創(chuàng)新。通過對雷達(dá)測障拐杖的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，我們對超聲波測距原理有了深刻的理解。

引言：在生活中，雖然路面上鋪設(shè)了許多導(dǎo)向瓷磚為盲人引路，但是我們不難發(fā)現(xiàn)盲道上經(jīng)常被停有車輛導(dǎo)致盲人行走問題依然存在。經(jīng)我們了解，市面上的盲人拐杖由一根長桿組成，設(shè)計(jì)十分簡單，能幫助盲人的地方很少，有很大的局限性。例如，探測范圍，探測方式受限，無法對預(yù)警快速接近的障礙物等。因此，針對各種類似問題，我們決定研制采用雷達(dá)探測系統(tǒng)的拐。 由于盲人行走時無法知曉前方是否有障礙物，我們設(shè)計(jì)出了一種基于超聲波原理的位點(diǎn)測障裝置。通過超聲波的發(fā)送和接收來檢測前方是否有障礙物存在，若探測到有障礙物的存在，則振動模塊開始震動，直至障礙物消失停止。

雷達(dá)測障拐杖的運(yùn)用可大大地減輕盲人出行不便和安全隱患，降低甚至避免因盲人無法辨認(rèn)障礙所導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，并且它對人體智能設(shè)計(jì)有著重要的意義。通過借鑒前輩研究出的內(nèi)容和方法，擇選出最好的方案，在好的方案基礎(chǔ)上改造創(chuàng)新。通過對雷達(dá)測障拐杖的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，我們對超聲波測距原理有了深刻的理解。

1 超聲波系統(tǒng)電路安裝

在手杖上中下端各安裝了一套超聲測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)由超聲波發(fā)射和接收電路、單片機(jī)電路、溫度檢測電路、數(shù)碼顯示電路等組成。超聲波是頻率高于20kHz的聲波，其特征是：集中，波長較短，近似于直線傳播。傳播速度，當(dāng)其傳播時遇到障礙物，便會被障礙物反射。發(fā)出超聲波開始計(jì)時，接收到返回的超聲波停止計(jì)時，計(jì)算出回來與發(fā)出去的時間差I(lǐng)T，用公式便可計(jì)算出障礙物距拐杖的距離s。超聲波電路如下圖所示。

圖2 -1 超聲波電路圖

如圖，PNP三極管與發(fā)射探頭（單片機(jī)P1.0腳，發(fā)生器）連接。三極管的發(fā)射極接發(fā)射探頭，基極接P1.0，集電極接5 V電源。通過P1.0來控制三極管，進(jìn)而控制發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。接受電路起放大作用主要由NPN三極管組成。三極管的集電極接5 V電源提供發(fā)射集正向偏置電壓，集電極反向偏置電壓， R為基極偏置電阻，保證BJT不失真的放大。SPI和ISD4004負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，將片選CS、信號線 MOSI、串行時鐘 SCLK分別接在 P1.1、P1.2、P1.3。

圖2 -2 三極管各級連接電路圖

圖2 -3 超聲波系統(tǒng)電路圖

直流電機(jī)裝在手柄內(nèi)，偏心陀塊裝在電機(jī)軸。當(dāng)遇到障礙物時，單片機(jī)將驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 -4 電機(jī)連接電路圖

由測試結(jié)果看來，裝置操作簡易、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、性能穩(wěn)定、誤差小，能很好地指引盲人行走，具有很大的應(yīng)用價值。

2 單片機(jī)系統(tǒng)介紹

80C51是含有ROM/EPROM的單片機(jī)，由80C51單片機(jī)所構(gòu)成的最小應(yīng)用系統(tǒng)，只需接上時鐘電路和復(fù)位電路，80C51單片機(jī)最小系統(tǒng)如下圖所示。通過最小應(yīng)用系統(tǒng)可作一些較小型的控制單元。特點(diǎn)：有大量I/O口線，內(nèi)部存儲器容量適中，應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)特殊。

圖3 -1 單片機(jī)電路結(jié)構(gòu)

3 單GPIO模式下US-100與Arduino例程

unsigned int EchoPin = 2；

unsigned int TrigPin = 3；

unsigned long Time_Echo_us = 0；

unsigned long Len_mm = 0；

void setup()

{ //Initialize

Serial.begin(9600)；

pinMode(EchoPin, INPUT)；

pinMode(TrigPin, OUTPUT)；

}

void loop()

{

digitalWrite(TrigPin, HIGH)；

delayMicroseconds(50)；

digitalWrite(TrigPin, LOW)；

Time_Echo_us = pulseIn(EchoPin, HIGH)；

if((Time_Echo_us ＜ 60000) && (Time_Echo_us ＞ 1))

{

Len_mm = (Time_Echo_us*34/100)/2；

Serial.print("Present Distance is： ")；

Serial.print(Len_mm, DEC)；

Serial.println("mm")；

}

delay(1000)；

4 結(jié)束語

在以下幾個方面，本設(shè)計(jì)還可以進(jìn)行修改和完善，從而使得超聲波模塊更加完善。

（1）由于超聲波探頭的精密度有限，在溫度不同下測量誤差也不同，本設(shè)計(jì)中沒有溫度補(bǔ)償模塊，主要是起到盲人測試障礙的作用，對精確地測試距離要求不高，所以沒有運(yùn)用溫度補(bǔ)償模塊。如果能在設(shè)計(jì)中加入溫度補(bǔ)償模塊，并應(yīng)用到設(shè)計(jì)中去，那么整個系統(tǒng)將會更完善。

（2）為了防止外部干擾，可以通過過零檢測裝置設(shè)計(jì)接收裝置，可以保證只接收物體反射回來的超聲波，從而有效地防止超聲波發(fā)射輻射干擾。但要注意接收電路中的諧振回路帶寬不能太窄，以免降低了電路的穩(wěn)定性。電路元件要選用低噪聲器件，采取合理的電路布局。