超声波导盲器的设计

射间隔数、定时器定时初值、报警门限值等，然后读取按键的状态，再根据按键状态对初始设定值进行修改，初始值报警距离设定为2米，即2米内有障碍物时即驱动蜂鸣器发出声音，并且随着距离的接近，不断调整参数，使得声音的频率不断提高。远距、近距控制按钮分别对应不同的超声波发射间隔和报警门限、频率等；程序控制发送0.2毫秒宽度的超声波，同时启动定时器Ｔ0计时；为避免接收传感器直接接收到发射的超声波，在发射超声波之后插入一段延时，由于设置超声波频率为40KHz , 超声波常温下在空气中的传播速度是340米／秒,计算可知延时6个脉冲就可以了。延时后启动接收回波程序，等待接收回波，超时(即在设定距离内无障碍物) 即返回前面，若有回波则停止计时，读取时间差,利用公式(1)计算出距离，然后执行报警程序，根据计算距离结果及设定值比较选择不同参数，驱动蜂鸣器发出不同频率的声音，距离越近频率越高。最后返回重新开始。

6 误差分析

对系统进行实验测试，结果发现在５米范围内，最大误差在5cm以内，且距离越近，误差越小，完全满足导盲的需要。分析误差主要有几个原因：一是空气温度变化等引起的声速变化造成的误差，由于超声波在空气中的传播速度为V=331.5+0.607t，t为现场环境温度，温度在-30℃--40℃范围变化时，传播速度V的变化范围为313米／秒--356米／秒，对利用公式(1)计算出的距离值有一定影响，采用声速预置和传播介质温度测量结合的方法对声速进行修正，可有效地降低温度变化产生的误差。二是发射与脉冲计数由于响应快慢差异开启不同步引起的误差，对此在调试中通过脉冲计数值补偿进行修正。三是超声波在传播过程由于受衍射、散射和吸收等影响衰减导致的误差，近距离误差不明显，距离越远产生的误差越大，可适当增大超声波的发射功率等来改善。四是发射和接受前置电路延迟的时间误差等，而发射前置电路和接收前置电路中采用集成芯片都有时间延迟，而计数器则一直是在工作，直到回波经过LM567处理后变成负跳变电信号产生外部INTO中断，在整个计数过程中，多了延迟时间中的计数次数，导致测距数据的误差。对此采取时间增益控制，来减少误差，由于本装置对于厘米级的精度已经足够，电路延迟都是纳秒数量级，记数频率是40KHz，所以减少一个记数单位完全可以矫正。针对误差原因在程序设计及系统调试中做了相应处理后，收到一定的效果，精度得到一定的提高。

7 结束语

由于考虑到体积、成本等因素，本装置在性能上、功能上还存在不足，有待于进一步提高：

(1)增加几路不同方向的超声波探测或红外探测器以及温度补偿电路等,可以提高装置的灵敏度和精度,同时提高可靠性。

(2)可在装置中增加一个语音芯片，将蜂鸣报警改为语音说明指示，根据探测结果直接报出距离、方位,更便于使用。

(3)由于受发射功率及回波检测灵敏度的限制,探测范围较小,可增加发射功率调节等电路，以便增大探测范围，可用于夜间探路、井下探索等。

本文创新点：

(1)从测试结果分析可知，本装置采用较低成本的器件设计制作，且误差较小，完全满足盲人行走的指引作用，具有较高的性价比。

(2)本装置结构简单、体积小、性能稳定，操作容易、使用方便，可以安装在不同的载体上，制作成不同的用具，如手杖、导盲眼镜、导盲背心等，盲人很容易学会使用，具有一定推广应用价值。

参考文献

[1]何道清.传感器与传感器技术[M].科学出版社,2003.10

[2]赵 珂.时差法超声测距仪的研制[J].国外电子元器件,2005.1

[3]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M]．北京航空航天大学出版社，1990

[4]路锦正.超声波测距仪的设计[J].传感器技术,2002.8

[5]赵宏刚,黄席樾.基于AT89C2051的超声波泊车防撞系统设计[J].自动化与仪器仪表,2005.4

[6]宋建国.AVR单片机原理及应用[M]．北京航空航天大学出版社，1998

[7]张健,李刚.超声波系统的研究与设计[J].合肥工业大学学报,2004.6

[8]王俊英. 基于AT89S51单片机的PWM专用信号发生器的设计[J]。微计算机信息,2005,12-2,p102-104