溫俊霞

摘要：針對(duì)越來(lái)越多的人受到失明或視力損傷困擾的問(wèn)題，研究了一種基于超聲波測(cè)距的手持式導(dǎo)盲系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32F103VET6單片機(jī)為控制核心，利用超聲波和三軸加速度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物距離和角度測(cè)量，結(jié)合溫度補(bǔ)償提高測(cè)距精度，并采用多芯片驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭的方式，增加波形的穩(wěn)定性，提高精度。探測(cè)障礙物的位置信息通過(guò)語(yǔ)音報(bào)警或振動(dòng)提示傳遞給導(dǎo)盲者。通過(guò)調(diào)試和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試，該手持式導(dǎo)盲裝置定位準(zhǔn)確、成本低廉、易于盲人操作和使用，對(duì)盲人方便出行和提高生活質(zhì)量有著重要的社會(huì)現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：STM32F103VET6單片機(jī);超聲波測(cè)距;加速度傳感器;語(yǔ)音報(bào)警;成本低廉

中圖分類號(hào)：TP311 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）34-0242-03

由于先天性眼病的遺傳、白內(nèi)障和后天眼疾，導(dǎo)致越來(lái)越多的人受到失明或者視力損傷等眼科疾病的困擾。失明和視力損傷問(wèn)題是全球最嚴(yán)重的公共衛(wèi)生和社會(huì)問(wèn)題之一，而中國(guó)在全世界中是盲人最多的國(guó)家之一，在2020年我國(guó)失明和視力低下人群數(shù)量約達(dá)5000多萬(wàn)[1]?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外所研究的導(dǎo)盲裝置存在著體積大、價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)[2-6]，不能普遍適用于盲人群體。因此，設(shè)計(jì)出一款價(jià)格便宜、外形輕巧、使用便捷，同時(shí)能夠準(zhǔn)確探測(cè)周圍障礙物位置信息并能將相關(guān)信息傳達(dá)給盲人的智能手持式導(dǎo)盲裝置，給他們的出行帶來(lái)很大的方便。

1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文研究系統(tǒng)主要完成障礙物距離和角度感知、語(yǔ)音和震動(dòng)提示及相應(yīng)設(shè)置等功能。本系統(tǒng)采用STM32F103VET6單片機(jī)為控制核心，由定時(shí)器的PWM功能產(chǎn)生40kHz波形，當(dāng)遇到障礙物時(shí)發(fā)生反射，單片機(jī)讀取超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間差，并結(jié)合溫度補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)超聲波傳播速度校正，根據(jù)時(shí)間差測(cè)距法測(cè)出發(fā)射點(diǎn)到目標(biāo)障礙物之間的距離，并采用三軸加速度傳感器檢測(cè)盲人前上方或前下方障礙物與水平面之間的夾角，防止盲人被前方障礙物撞頭或者被絆倒。通過(guò)語(yǔ)音和直流振動(dòng)電機(jī)提示兩種報(bào)警方式，將探測(cè)的障礙物位置信息傳遞給盲人。語(yǔ)音報(bào)警更直接提供信息，振動(dòng)提示彌補(bǔ)了嘈雜環(huán)境中語(yǔ)音提示的不足。

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 STM32電路設(shè)計(jì)

綜合考慮性能要求和價(jià)格因素，本系統(tǒng)采用ST（意法半導(dǎo)體）公司的STM32F103VET6增強(qiáng)型單片機(jī)。該單片機(jī)使用ARM新一代架構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核，主頻可達(dá)72MHz，在系統(tǒng)中保證了對(duì)超聲波檢測(cè)的高精度測(cè)量[7]。整個(gè)系統(tǒng)采用鋰離子電池、電源適配器和5V的USB口供電，經(jīng)過(guò)三端降壓穩(wěn)壓的HT7333A電壓轉(zhuǎn)換芯片將輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓為作為STM32的主供電電壓。當(dāng)設(shè)備VDD斷電時(shí)，由外部的VBT2電源通過(guò)VBAT引腳為內(nèi)部RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘和備用寄存器供電。STM32單片機(jī)的高速外部時(shí)鐘使用內(nèi)部的RC振蕩器和外部8MHz的外部時(shí)鐘晶振產(chǎn)生。因此，該單片機(jī)能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

2.2 傳感器電路設(shè)計(jì)

2.2.1 溫度傳感器

DS18B20與單片機(jī)之間發(fā)送和接收信息僅需要一個(gè)單線接口就可以完成[8]。其工作有兩種供電模式，一種是通過(guò)寄生電源工作，另一種是采用外部電源接入VCC引腳供電。第一種供電方式在數(shù)據(jù)拷貝和溫度轉(zhuǎn)換時(shí)，單總線必須在10μs內(nèi)要有一個(gè)強(qiáng)上拉。因此，該系統(tǒng)實(shí)際中采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式較簡(jiǎn)單，且在溫度轉(zhuǎn)換時(shí)總線無(wú)須總保持高電平。

2.2.2超聲波傳感器

1）超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)

在探測(cè)前方障礙物距離時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)定時(shí)器的PWM功能，輸出40kHz的脈沖信號(hào)。為了增加超聲波發(fā)射探頭的驅(qū)動(dòng)電壓，該系統(tǒng)中采用MAX3232通過(guò)推挽方式增大驅(qū)動(dòng)電壓的峰峰值，以提高壓電的轉(zhuǎn)換效率。將單片機(jī)輸出的PWM脈沖信號(hào)先經(jīng)過(guò)一個(gè)非門，得到兩路±12V互補(bǔ)信號(hào)，再作為超聲波探頭的驅(qū)動(dòng)電壓，增加了探頭的功率，從而增加探測(cè)距離。該系統(tǒng)中采用兩片相同的MAX3232芯片并聯(lián)的方式驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭，使波形更穩(wěn)定，增加探測(cè)距離的精度。

2）超聲波接收電路設(shè)計(jì)

CX20106A芯片由5V電壓供電。其外圍電路設(shè)計(jì)，如圖1所示。超聲波探頭將接收到的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸入到CX20106A的1引腳，在輸出引腳7發(fā)生一個(gè)由高電平到低電平的突變信號(hào)，觸發(fā)定時(shí)器停止計(jì)時(shí)，讀取出從發(fā)送到返回的時(shí)間差，從而測(cè)出障礙物的距離。芯片7引腳在電源端接一個(gè)上拉電阻，當(dāng)沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，該端為高電平，反之則產(chǎn)生一個(gè)下降突變，觸發(fā)單片機(jī)中斷。

2.2.3 ADXL345電路設(shè)計(jì)

ADXL345是一款超低功耗的3軸加速度傳感器[9]，能夠檢測(cè)到障礙物與盲人前上方或者前下方是否有障礙物，為其安全出行提供更好的保障。其芯片外圍電路，如圖2所示。7引腳始終被上拉至VDD I/O，是I2C模式使能，僅需要2線式連接。該芯片內(nèi)部集成32級(jí)的FIFO緩沖器，降低了單片機(jī)負(fù)荷和整個(gè)系統(tǒng)的功耗，因此能夠滿足該導(dǎo)盲系統(tǒng)對(duì)前方障礙物角度測(cè)量的要求。

2.2.4 語(yǔ)音提示模塊

本系統(tǒng)選用專用語(yǔ)音芯片VS1053B完成MP3格式語(yǔ)音文件的解碼和播放，選用SPIFlash芯片進(jìn)行語(yǔ)音文件存儲(chǔ)功能。該系統(tǒng)在語(yǔ)音電路中設(shè)計(jì)了兩種功放芯片NS8002和PAM8403外圍電路，在實(shí)際測(cè)試中可根據(jù)測(cè)試結(jié)果選用效果好的功放。設(shè)計(jì)耳機(jī)模式和功放模式，由盲人自行選擇播放方式。功放電路原理圖，如圖3所示。

輸入耦合電容C53、C48決定低頻響應(yīng)，能夠抑制噪聲產(chǎn)生。但如果輸入耦合電容較大，則反饋網(wǎng)絡(luò)的延遲增大，將會(huì)出現(xiàn)POP噪音。因此，選用較小的耦合電容來(lái)減少該噪聲。在確定輸入耦合電容值的大小時(shí)，必須考慮BYPASS引腳的電容C62，其影響開(kāi)關(guān)噪聲的性能，因此根據(jù)芯片資料，取C62為1μF，且要求該電容盡量靠近芯片，C53、C48的值取0.39uF，即可滿足系統(tǒng)的性能要求。

2.2.5 振動(dòng)提示電路設(shè)計(jì)

該導(dǎo)盲系統(tǒng)中選用5V直流振動(dòng)電機(jī)進(jìn)行振動(dòng)提示模塊的電路設(shè)計(jì)。采用三極管集電極放大電路對(duì)其輸出信號(hào)先進(jìn)行放大后再驅(qū)動(dòng)直流振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。直流振動(dòng)電機(jī)的繞阻線圈在啟動(dòng)時(shí)會(huì)進(jìn)行充電，相當(dāng)于電感，在斷電時(shí)線圈放電，就會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)。在振動(dòng)電機(jī)兩端并接一個(gè)續(xù)流二極管和一個(gè)電容，與振動(dòng)電機(jī)構(gòu)成閉合回路，將電流快速放電，以防損壞周圍其他器件。

2.3 供電電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三種外部供電方式：9～15V直流電源適配器供電、5VUSB供電、鋰離子電池供電。采用多種供電方式，方便系統(tǒng)使用和調(diào)試。系統(tǒng)內(nèi)部電路需要兩種電壓供電：3.3V直流電壓和5V直流電壓。整個(gè)系統(tǒng)中只有超聲波接收芯片CX20106A和振動(dòng)電機(jī)電路采用5V供電，其他電路全部采用3.3V供電。因此選用三端降壓穩(wěn)壓的HT7333A電壓轉(zhuǎn)換芯片將輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓。該芯片功耗低，輸出的電壓精度高，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)電壓的要求。在該部分穩(wěn)壓降壓電路設(shè)計(jì)中，考慮到低功耗設(shè)計(jì)，采用三片相同的HT7333A芯片，分別將輸入電壓轉(zhuǎn)換為VDD、VDD1、VDD2。

2.4 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)弱決定著其工作性能的可靠性。電磁干擾會(huì)引起系統(tǒng)故障或者給信號(hào)的傳輸帶來(lái)影響。通過(guò)硬件設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)的抗干擾能力是一種行之有效的方式。因此，在電路設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮控制干擾源、合理區(qū)分地線問(wèn)題以及混合信號(hào)的合理設(shè)計(jì)三種抗干擾方式?？垢蓴_源設(shè)計(jì)中，多處采用在干擾源的兩端并聯(lián)電容的方式來(lái)減少du/dt的值，以降低輸入端的波紋電流損耗和去噪;降低干擾源di/dt時(shí)，通過(guò)在其回路中串聯(lián)磁珠或增加續(xù)流二極管的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。干擾傳播抑制設(shè)計(jì)中，在單片機(jī)供電電源處加濾波電路，采用大小電容并聯(lián)的方式降低干擾，晶振布局與單片機(jī)的接口端靠近，晶振外殼要接地并且固定?；旌闲盘?hào)抗干擾設(shè)計(jì)中，采用多點(diǎn)接地和混合接地的方式。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體流程圖

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法。主程序主要有系統(tǒng)的初始化，環(huán)境溫度檢測(cè)程序、超聲波測(cè)距程序、三軸加速度測(cè)傾斜角度程序、語(yǔ)音報(bào)警程序、振動(dòng)報(bào)警程序和延遲程序。該系統(tǒng)執(zhí)行軟件基本流程：首先初始化系統(tǒng)時(shí)鐘和外圍控制模塊，然后由溫度傳感器DS18B20實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度，并依據(jù)聲速—溫度關(guān)系表查找出當(dāng)前溫度下的聲速值，做好計(jì)算前方障礙物距離的準(zhǔn)備;啟動(dòng)定時(shí)器同時(shí)由STM32的PWM功能產(chǎn)生3個(gè)周期的40kHz脈沖方波信號(hào)，從I/O口輸出經(jīng)兩級(jí)并聯(lián)換能放大器后由超聲波發(fā)射探頭發(fā)出，遇到前方障礙物時(shí)超聲波返回，當(dāng)超聲波接收芯片CX20106A接收到回波并由單片機(jī)處理得到前方障礙物的距離，由三軸加速度傳感器ADXL345測(cè)量出前方障礙物的傾斜角度;最后依據(jù)導(dǎo)盲者通過(guò)按鍵對(duì)導(dǎo)盲系統(tǒng)報(bào)警提示功能的選擇，進(jìn)行語(yǔ)音或者振動(dòng)提示將前方障礙物的位置信息提供給導(dǎo)盲者，方便其安全行走。系統(tǒng)總流程圖，如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

為測(cè)得該系統(tǒng)超聲波測(cè)距的量程、精度和盲區(qū)。選擇同一障礙物放置在離該裝置不同距離處，分別連續(xù)測(cè)量5組數(shù)據(jù)，求平均值作為最終測(cè)量值。其中實(shí)際距離是利用精度為1cm的米尺測(cè)量所得。實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，如表1所示。該導(dǎo)盲系統(tǒng)的超聲波測(cè)距最大有效距離為7.6m，精度約為5cm。當(dāng)障礙物距離大于最大量程時(shí)，由于回波信號(hào)很微弱，系統(tǒng)基本檢測(cè)不到任何信號(hào)。對(duì)于該系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，能夠滿足設(shè)計(jì)的要求，以保證盲人安全行走的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)從盲人經(jīng)濟(jì)狀況、使用便捷和準(zhǔn)確探測(cè)障礙物位置信息的角度出發(fā)，利用超聲波回波定位原理和三軸加速度傳感器測(cè)傾斜角原理，實(shí)現(xiàn)了一款基于STM32的手持式導(dǎo)盲系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)能夠獨(dú)立工作，定位準(zhǔn)確，成本低廉，易于盲人操作和使用。

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【通聯(lián)編輯：梁書】