薛晶晶 周旭 董宇欣 王旭 孟凡龍

摘 要：為了解決盲人因身體原因，行走時(shí)不能準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)現(xiàn)并躲避障礙物的問題，設(shè)計(jì)一款具有聽覺/感觸和夜間照明預(yù)警功能的超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為主控芯片，包括報(bào)警、震動、光敏等模塊，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控使用者與障礙物之間的距離，距離決定蜂鳴器發(fā)出不同的報(bào)警音調(diào)。當(dāng)外界環(huán)境太嘈雜且距離小于設(shè)定距離時(shí)，震動模塊將會啟動;當(dāng)外界光線較弱時(shí)，光敏模塊會啟動LED照明功能，讓行人車輛注意避讓盲人。從用戶方面來看，該系統(tǒng)采用視頻與文字雙重解釋的使用方法，以便用戶盡快熟悉使用該產(chǎn)品。該系統(tǒng)便攜、廉價(jià)，將會很大程度上解決盲人行走安全和不便的問題，是一款適合盲人群體的性價(jià)比較高的預(yù)警系統(tǒng)，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：回波定位;超聲波傳感器;單片機(jī);導(dǎo)盲系統(tǒng);預(yù)警系統(tǒng);視頻解釋

中圖分類號：TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）09-00-04

0 引 言

盲人作為一個特殊群體，也是社會成員的一部分。據(jù)研究報(bào)告顯示，中國每年新增盲人大約45萬人，盲人在生活等方面十分不便。如何讓盲人也能便捷安全的出行成為一個焦點(diǎn)問題。傳統(tǒng)的導(dǎo)盲系統(tǒng)有盲道、導(dǎo)盲犬、紅外線導(dǎo)盲等，但它們都存在各自的局限性。盲道占用現(xiàn)象屢見不鮮，嚴(yán)重影響盲人群體的行走安全及社會參與，然而普通市民似乎都對盲道被占這一現(xiàn)象“熟視無睹”和“無動于衷”，致使盲道占用現(xiàn)象沒有得到任何改觀[1]。導(dǎo)盲犬訓(xùn)練的專業(yè)性強(qiáng)、時(shí)間長、勞動強(qiáng)度大、耗資多，加之馴成后無償捐獻(xiàn)給盲人使用，無資金回收，因此不能被廣泛普及。紅外線導(dǎo)盲在復(fù)雜外界環(huán)境中使用時(shí)，易受光線的干擾，從而使虛警率較高。如果有一種集簡單便攜、成本低廉、方向性強(qiáng)、對障礙物定位精確等特點(diǎn)于一身的設(shè)備，那么將會很大程度上解決盲人出行安全和不便的問題[2]。眾所周知，盲人由于生理缺陷造成視覺的喪失，但是他們的觸覺和聽覺會比常人敏感得多。本設(shè)計(jì)是以超聲波測距為基礎(chǔ)導(dǎo)盲系統(tǒng)，利用盲人擅長的聽覺和觸覺，滿足盲人出行的需求。

隨著社會的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國的導(dǎo)盲設(shè)備也日漸成熟。超聲波是一種高于人耳頻率的聲波，不易受外界環(huán)境的干擾，能夠定向發(fā)射，在不同的介質(zhì)中速度是定值，因此很容易檢測出與障礙物的距離。目前，超聲波已經(jīng)被廣泛運(yùn)用到醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個領(lǐng)域中。針對盲人外出將會遇到各種各樣的外界環(huán)境干擾這一問題，采用超聲波測距，能夠在很大程度上解決傳統(tǒng)導(dǎo)盲設(shè)計(jì)中存在的不足，在市場上有十分廣闊的發(fā)展前景[3-4]。

1 超聲波測距理論基礎(chǔ)

超聲波是一種頻率非常高的機(jī)械波，它的頻率在人耳能接收范圍之外，具有許多優(yōu)點(diǎn)：能定向測試前方物體，對具體方位進(jìn)行傳播，不受光線強(qiáng)弱、惡劣環(huán)境下的粉塵干擾。

超聲波測距是運(yùn)用超聲波回聲定位原理，如圖1所示。當(dāng)超聲波發(fā)射后，遇到障礙物時(shí)，立即會反饋給單片機(jī)控制系統(tǒng)，這時(shí)候計(jì)時(shí)器開始工作，停止計(jì)時(shí)后，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部信息處理，反饋到超聲波接收電路。此時(shí)根據(jù)傳播所用的時(shí)間，就可以計(jì)算出所處位置和障礙物之間的距離，通過其他模塊協(xié)調(diào)工作進(jìn)行提前預(yù)警，保障盲人出行的基本安全問題[5-6]。

由于是利用超聲波測距測量預(yù)期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波要有一定的功率和合理的頻率才能達(dá)到預(yù)定的傳播距離。同時(shí)這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有得到合理的回波頻率，接收電路才能檢測到回波信號，防止外界信號的干擾。經(jīng)分析和大量實(shí)驗(yàn)表明，頻率為40 kHz左右的超聲波在空氣中傳播效果最佳，同時(shí)為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號。限制系統(tǒng)的最大可測距離存在4個因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍，減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設(shè)計(jì)方法。超聲波聲速也易受溫度影響，所以裝置必須帶有溫度補(bǔ)償電路[7-10]。

2 導(dǎo)盲系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

導(dǎo)盲預(yù)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)由單片機(jī)、超聲波測距模塊、光敏模塊、繼電器擴(kuò)展模塊、蜂鳴器及振動模塊等組成。單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，對于預(yù)期功能的實(shí)現(xiàn)，有著非常重要的作用。控制系統(tǒng)在接收到超聲波傳感器的信息后，將回波時(shí)間通過內(nèi)部算法轉(zhuǎn)換為距離信息，然后通過蜂鳴器報(bào)警或振動預(yù)警幫助盲人，達(dá)到避障目的。當(dāng)外界光線較弱時(shí)，光敏模塊啟動，LED燈自動點(diǎn)亮，提醒路人和車輛避讓盲人，減少危險(xiǎn)的發(fā)生。盲人雖然在視力存在缺陷，但是他們的聽覺和觸覺比常人更加靈敏，所以利用蜂鳴器和振動模塊使其更能準(zhǔn)確地接收預(yù)警信號。繼電器擴(kuò)展模塊能夠在夜晚來臨時(shí)開啟，從而滿足使用者外接負(fù)載的需求，例如溫度測量器、時(shí)間播報(bào)器等。

3 導(dǎo)盲系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本文電路設(shè)計(jì)的控制核心為STC89C52單片機(jī)。控制系統(tǒng)在接收到超聲波傳感器的信息后，將回波時(shí)間通過內(nèi)部算法轉(zhuǎn)換為距離信息，然后通過蜂鳴器報(bào)警或震動預(yù)警幫助盲人，達(dá)到避障目的。

導(dǎo)盲系統(tǒng)的硬件組成如圖3所示，當(dāng)超聲波檢測到障礙物存在時(shí)，發(fā)射到控制系統(tǒng)，經(jīng)過單片機(jī)處理，將障礙信息發(fā)射到蜂鳴器和振動器。經(jīng)過距離分析，如果距離在4～5 m時(shí)，蜂鳴器啟動報(bào)警;如果距離小于1 m時(shí)，振動器和蜂鳴器會同時(shí)報(bào)警。光敏模塊檢測外界光線，當(dāng)外界光線較弱時(shí)，會反饋到控制系統(tǒng)中，啟動LED燈，而且繼電器擴(kuò)展模塊的提示燈光也會打開。

4 導(dǎo)盲系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)語言

本系統(tǒng)程序軟件設(shè)計(jì)語言采用了C語言，因?yàn)樗鼫p少了對硬件的操作，具有良好的程序結(jié)構(gòu)，而且非常適用于模塊化程序設(shè)計(jì)。在選用C語言作為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，首先盡可能地采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，將各個電路的功能模塊化，并且進(jìn)行任務(wù)分配化，這樣可使整個應(yīng)用系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)比較清晰且便于管理，易于調(diào)試和后期維護(hù)。

Keil軟件是一款集編程和仿真于一體的軟件，它支持匯編、C語言及二者的混合編程。軟件是一個系統(tǒng)的核心，想做好一個設(shè)計(jì)必須有好的思想和清晰的邏輯。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，將程序拆分成幾個相對獨(dú)立的子程序，這樣既方便程序的閱讀，也有利于以后對程序的修改和移植。本設(shè)計(jì)的軟件開發(fā)完全是依靠Keil單片機(jī)C語言平臺。此平臺程序調(diào)試簡單，具有良好的可續(xù)性和擴(kuò)展性。程序編寫使用的軟件是Keil，該軟件具有在線調(diào)試功能，通過設(shè)置斷點(diǎn)調(diào)試程序，判斷程序的運(yùn)行情況。

4.2 系統(tǒng)的總體流程

超聲波測距流程如圖5所示。主控系統(tǒng)供電后，開始工作，導(dǎo)盲系統(tǒng)初始化，超聲波模塊發(fā)射超聲波脈沖波。當(dāng)沒有障礙物存在時(shí)，系統(tǒng)會自行調(diào)試，實(shí)時(shí)監(jiān)測修正距離;當(dāng)有障礙物存在時(shí)，系統(tǒng)接收到回波信號，計(jì)時(shí)器停止工作，根據(jù)不同環(huán)境的溫度，修正傳播速度。然后計(jì)算距離，并且存儲好數(shù)據(jù)之后，與其他模塊進(jìn)行信息交互反饋。

4.3 報(bào)警程序流程

蜂鳴器報(bào)警流程如圖6所示。它連接了AT89S51單片機(jī)的P2.1口，為了確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，一般超聲波計(jì)時(shí)器工作會延遲2 ms，來確定是否有回波信息，再經(jīng)單片機(jī)處理后反饋給蜂鳴器，若距離小于4.5 m，蜂鳴器報(bào)警。

振動模塊程序流程如圖7所示。它通過P1.1口連接單片機(jī)能夠?qū)崟r(shí)處理回波信息，當(dāng)外界環(huán)境過于嘈雜，蜂鳴器報(bào)警接收效果不好，且距離障礙物距離小于1 m時(shí)，單片機(jī)會將距離信息反饋給振動系統(tǒng)，啟動振動預(yù)警。

5 系統(tǒng)的調(diào)試

簡易導(dǎo)盲裝置如圖8所示。它是根據(jù)各個模塊功能的不同，按順序焊接在萬用板上。從左邊開始依次是超聲波測距模塊，帶有橡膠套的光敏模塊，STC89C52單片機(jī)，黑色按鈕是復(fù)位開關(guān)，藍(lán)色按鈕是自鎖開關(guān)，圓形的白色和銀色模塊分別是蜂鳴器和振動模塊，黃色方塊是繼電器，下面是一排LED燈。

當(dāng)連接電源時(shí)，啟動導(dǎo)盲功能。打開自鎖開關(guān)，當(dāng)障礙物存在時(shí)，蜂鳴器會用平緩的音調(diào)播報(bào);當(dāng)距離越來越近時(shí)，蜂鳴器的報(bào)警音調(diào)頻率也會越來越尖銳;當(dāng)距離小于0.5 m，振動模塊也會開啟震動預(yù)警。同時(shí)為了模擬盲人在夜晚的情景，在光敏電阻外加了一個橡膠套，捂住橡膠套時(shí)，LED燈會打開，繼電器模塊的提示燈也會打開。

5.1 測量數(shù)據(jù)

本設(shè)計(jì)能夠滿足盲人出行測量障礙物的基本精度要求，同時(shí)也檢測了在實(shí)際應(yīng)用中該裝置能夠在不同環(huán)境下，正常啟動蜂鳴器和振動報(bào)警功能。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1和表2所列，由于檢測環(huán)境溫度不同，超聲波測距的測量值與實(shí)際報(bào)警距離存在一些誤差。

5.2 誤差分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明超聲波在實(shí)際應(yīng)用中會存在一些局限性，它們都會影響測距報(bào)警的準(zhǔn)確性。表中列出的原因共有兩個方面：

（1）本文研究的介質(zhì)大部分是空氣，但由于距離遠(yuǎn)近不同，超聲波會發(fā)生衰減，造成回波時(shí)間的誤差，因而導(dǎo)致預(yù)警不準(zhǔn)確。

（2）超聲波是一種聲波，其聲波c與溫度有關(guān)，對于近距離避障，聲速會受不同的環(huán)境溫度變化而存在一些差別。但本設(shè)計(jì)不應(yīng)用于工業(yè)場合中，所以對精度要求沒有那么苛刻。本文主要是在常溫下進(jìn)行測距報(bào)警，所以聲速差別忽略不計(jì)，統(tǒng)一為340 m/s。

實(shí)際應(yīng)用中，本設(shè)計(jì)采用US-100超聲波模塊，它是接收電路和發(fā)射電路一體化的模塊。由于回波時(shí)間非常短，而有些超聲波信號沒有經(jīng)過反射，就直接進(jìn)入超聲波接收系統(tǒng)，因此對系統(tǒng)測距結(jié)果產(chǎn)生干擾。 所以控制系統(tǒng)安裝了計(jì)時(shí)器，當(dāng)時(shí)間經(jīng)過2 ms后，接收到的信號才有效。但是這樣超聲波就會有一段停止工作的時(shí)間，所以監(jiān)測存在一定的盲區(qū)。

6 結(jié) 語

超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了解決傳統(tǒng)導(dǎo)盲產(chǎn)品的局限性，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，并且能夠通過蜂鳴器、振動模塊、光敏模塊等模塊相互配合以達(dá)到預(yù)期的報(bào)警效果。

超聲波導(dǎo)盲預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)用，降低了盲人出行事故發(fā)生率。借鑒傳統(tǒng)導(dǎo)盲系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，選出最優(yōu)方案，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了功能的完善和創(chuàng)新。

本系統(tǒng)還可以在如下幾個方面進(jìn)行修改完善，進(jìn)而使得本設(shè)計(jì)的預(yù)警功能更加完善。

（1）本設(shè)計(jì)主要是對前方障礙物起到預(yù)警提示的作用，并沒有全方位進(jìn)行障礙測量，對障礙物大小檢測要求不高，所以在以后的設(shè)計(jì)中會嘗試將多個導(dǎo)盲系統(tǒng)裝入一個便攜式背包中，進(jìn)行全方位預(yù)警，使預(yù)警功能更加精確。

（2）由于超聲波模塊的發(fā)射極和接收極焊接在同一塊板上，所以當(dāng)超聲波發(fā)射極工作時(shí)，有部分超聲波沒有經(jīng)過障礙物的反射就直接繞到超聲波接收極上，這部分信號會干擾正常障物距離的判斷。在本設(shè)計(jì)中可以安裝過零檢測裝置，減弱超聲波串口干擾，保證能夠準(zhǔn)確接收到障礙物反射回來的超聲波。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]胡林林，付龍.基于STC89C52單片機(jī)的超聲波測距設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2018（2）：33-35.

[2]舒峰.基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測試，2018（4）：5-6.

[3]嚴(yán)也，汪磊，徐遠(yuǎn)志.基于單片機(jī)的超聲測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018（3）：40-41.

[4]季江飛，黎云飛，張逸聰，等.基于藍(lán)牙的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].福建電腦，2018，34（1）：24-25.

[5]侯擇堯，祁宇明，周鴻超，等.不同溫濕度條件下AGV超聲波避障系統(tǒng)研究[J].裝備制造技術(shù)，2018（1）：4-6.

[6] GUO Zipeng，CHU Jinxia. The design for ultrasonic ranging system based on Bluetooth transmission [C]// Proceedings of 2017 5th International Conference on Machinery，Materials and Computing Technology （ICMMCT 2017）. Beijing：[s. n.]，2017：564-567.

[7]王強(qiáng)，王高亮.一種新型超聲波測距儀的設(shè)計(jì)與研究[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2017，7（5）：146-149.

[8]杜寧.基于溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].輕工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2017（4）：72-73.

[9]邰洪利，張歡，鄧俊.超聲波測距的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)—硬件設(shè)計(jì)[J].電腦迷，2017（8）：180.

[10] HUANG Wenhuan. Software implementation of a wireless ultrasonic ranging system [C]// Proceedings of 2015 12th IEEE International Conference on Electronic Measurement & Instruments. Qingdao： IEEE，2015：354-358.