超声波导盲器的设计

1 引言

盲人在独自行走时主要依靠导盲装置。最简单常用的装置是普通的手杖，用它在地面上敲击，可帮助盲人发现0.5米以内的障碍物。它的主要缺点是不能发现较远一点的障碍物以及空中突出的障碍物。例如，在相当于头部、胸的位置悬挂或突出的物体。另外，盲人还可以利用导盲犬带路，但是不易训练且成本较高。为了更好的帮助盲人行走, 许多国家都研究和生产了各种电子导盲装置，但大多成本较高，如各类导盲机器人及其它电子装置。本文提出了一种用单片机开发的超声波导盲装置的设计方案，它具有低成本、实用和精确的特点。

2 导盲装置的功能设计及系统组成

导盲装置主要由超声波探头、单片机以及测控及处理电路、按键、蜂鸣器等组成，可以放在包中，或安装在帽子上、手杖中。导盲装置有三个按钮，分别是电源开关、远距、近距控制按钮，还有一个音量调节旋纽。该装置使用电池，电源开关可控制系统通、断电，不用的时候关掉电源，节省电能。使用时，超声波探头方向指向探测方向，当前方有障碍物时，在一定距离内喇叭会发出报警声并随着向障碍物的接近频率逐渐升高，起到提示作用。远距、近距、控制按钮可用来控制报警的距离，通电时初始报警距离为2米，按远距控制按钮可将初始报警距离设为5米，按近距控制按钮可将初始报警距离设为1米，报警声音音量可用音量调节旋纽调节，有耳机插孔，可以接耳机。

该装置是以AT89C51单片机作为控制器，利用超声波回声测距的原理测距，用蜂鸣器进行声音报警。系统的硬件结构框图如图1所示。该系统主要由单片机控制系统、超声波发射电路、接收放大电路、按键控制和声音报警电路。AT89C51单片机是整个系统的核心部件，用来控制、协调各部件的工作。工作时先由单片机控制的振荡源产生40K Hz频率的信号以驱动超声波传感器，使它发射脉冲。当第一个超声波脉冲发射后，计数器开始计数，在检测到第一个回波脉冲的瞬间，计数器停止计数，计算出从发射到接收的时间差Δｔ，最终利用单片机计算出距障碍物的距离，并根据远距、近距控制按钮设定的测距值进行报警指示。

图1超声波导盲系统的硬件结构框图

3. 超声波测距原理

超声波测距采用的方法是时间差测距法，在超声波发生器发射出超声波的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，测出发射和接收到回波的时间差Δｔ。由下式可以求出超声波发射地与目标之间的距离Ｓ

Ｓ＝ｖΔｔ／２ （1）

式中ｖ为超声波的传播速度，超声波常温下在空气中的传播速度是340米／秒，传播速度与空气的温度、湿度等因素的有关，这里由于测量距离不长，测量精度要求不高，不考虑其他影响，只要测得超声波发射和接收回波的时间差Δｔ，按（1）式计算即可。

4 控制系统硬件电路设计

4.1 超声波的发射电路

超声波的发射电路主要由高频三极管及超声波发生器组成，如图2所示,超声波收发传感器采用压电陶瓷传感器UCM40，由于频率为40kHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳，因此通过执行程序由单片机P1.0产生40KHz的振荡信号,经过高频三极管放大, 驱动超声波发生传感器UCM40T发出40KHz的超声波脉冲。

图2 超声波发射电路

4.2 超声波的接收电路

超声波的接收传感器采用与发射传感器配对的UCM40R，将由发射传感器发出的经反射后的超声波脉冲转变为微弱的交流信号，经过运算放大器 LM358的两级放大后，送至音频译码集成模块LM567的3脚。LM567是带锁相环的音频译码器，具有选频功能，LM567内部的压控振荡器的中心频率f=1/1.1RC，当LM567输入信号大于25mV时，输出端8脚由高电平跳变为低电平，将其作为单片机的中断请求信号，送至单片机INT0端，以启动中断服务子程序。接收电路如图3所示。

图3超声波接收电路

4.3按键及蜂鸣器驱动电路

开关控制电源的通断,远距、近距控制按钮一端接高电平，另一端分别接单片机P1.2、P1.3，并同时经与门接入单片机INT1端，当其中任意按键按下时会产生一个中断请求信号送入INT1，同时，从P1口读数判断按键的状态并调用相应的子程序进行处理。远距、近距控制按钮同时只有一个有效，由软件控制，都按下时为近距控制按钮有效。蜂鸣器由三极管驱动，接P1.4，由报警程序控制，对应不同的按键及距离，发出不同频率的声音。

5 系统的软件设计

本系统软件采用模块化设计，超声波测距导盲器的超声波测距、按键控制、报警提示都由AT89C51单片机控制，主程序流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

上电后主程序无限循环，初始化后系统设置一系列初始值，包括超声波发