太阳能超声波导盲器的研制

摘要：为了帮助盲人克服行走不便的困难，提出了基于单片机的太阳能超声波导盲器的设计方法和工作原理。该导盲器由单片机主控制系统模块、太阳能供电模块、语音报警模块、量程设置模块、温度检测模块组成。其特点是温度补偿技术提高了测距精确度，太阳能供电模块高效节能，克服了盲人充电不方便的困难，智能报警模式可以改善导盲器的使用效果。
关键词：太阳能；温度补偿；超声测距；导盲器

0 引言
    为了更好地帮助盲人行走，各科研机构研制了各种电子导盲设备。传统电子导盲装置存在以下不足：使用普通电池，工作时间短，需要频繁更换电池；传感器受外界影响较大，探测精度不高；操作复杂，并且造价昂贵。
    超声波测距是一种非接触式检测方式，利用其可测范围广，不受光线和被测物体颜色的影响等优势，可以解决很多问题，在工业控制、勘探测量、精确定位和交通安全等领域都有广泛的应用。目前超声测距实现方便，计算简单，容易实现实时控制，并且在测量精度上能达到使用的要求，因此可以很好地使用于导盲器的研制中。

1 超声波传感器及测距的原理
    超声波是指频率高于20 kHz的机械波，超声波传感器是在超声波频率内将交变的电信号转换成声音信号或者将外界声场中的声音信号转变为电信号的能量转换器件，习惯上称为超声波换能器，或是超声波探头。超声波探头材料是压电晶体或压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头，利用压电材料的压电效应来工作的，其压电效应具有可逆性。逆压电效应是将高频脉冲转换成高频机械振动，以产生超声波，可作为发射探头。正压电效应是将高频机械振动转化成高频电脉冲，可接收超声波信号，作为接收探头。
    超声波测距的原理一般是回波渡越时间法，即检测从超声波发射探头发射的超声波，经空气介质的传播，与其遇到障碍物后产生回波，并被超声波接收探头接收的时间差△t，即渡越时间，求出声源到障碍物的距离S，计算公式为：
    S=v△t／2 (1)
    式中v为某一温度下的超声波速。

2 实验装置与控制方法
    本项目研究的太阳能超声波导盲器从功能上分为太阳能供电、语音报警、量程设置、温度检测、主控制系统等五个模块，其原理框图如图1所示。

    太阳能电池板固定在导盲器支架顶端，通过驱动电路连接到可充电的镍氢电池为导盲器提供5 V直流电。超声波传感器和温度传感器固定在导盲器支架前端，分别连接到主控制电路上。使用时，先选择量程，打开开关，温度传感器检测环境温度，并将检测到的温度信号传输给单片机，单片机对超声波传播速度进行修正。在量程范围内，当超声波信号遇到障碍物时，信号被反射回来，并被超声波传感器接收。信号发射到接收的时间差与障碍物的位置有关，单片机通过分析超声波发射到返回的时间差，可以计算出障碍物的距离，并执行报警程序，语音报警声可以通过耳机接线口连接到耳机。
2．1 主控制模块
    主控制模块主要由单片机进行控制，包括了超声波发射电路和超声波接收电路，由于要实现远距离测量，而超声波在空气中传播，其能量会随传播距离的增大而减小，从远距离传播回来的信号比较弱，需要经过多级信号放大。
2．1．1 超声波发射电路
    发射电路主要由反向器74LS04和TCT40-1F超声波发射传感器构成，单片机P2．0端口输出的40 kHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波传感器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波传感器的另一个电极。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻既可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，也可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。其原理图如图2所示。

2．1．2 超声波接收电路
    超声波接收器采用与发射器相配对的TCT40-2S，将超声波调制脉冲转换为40 kHz的电压信号。集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，内置前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器、整型电路等。其中前置放大器具有自动增益控制功能，可保证在超声波接收较远反射信号而输出微弱电压时，放大器有较高的增益，而在近距离输入信号强时，放大器不会过载。考虑到红外遥控常用的载波频率为38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路，如图3所示。利用CX20106A接收超声波，具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。

2．2 温度补偿模块
    由于超声波属于声波范围，其波速v与温度有关，声波速度受温度影响较大。其传播速度与温度T的关系为：
   
    增加温度传感器，检测装置工作时的温度，将接收到的温度信息传至单片机，对超声波的速度进行温度补偿，可以校正超声波的传播速度，提高测量精确度。利用集成温度传感器DS18B20和AT89S52单片机为主体，可以构成一个高精度的数字温度检测系统，其电路如图4所示。DS18B20温度传感器，与传统的热敏电阻温度传感器不同，它能够直接读出被测的温度值，并且可根据实际要求，通过简单的编程，实现9～12位的A／D转换。因而，使用DS18B20可使系统结构更趋简单，同时可靠性更高。

2．3 语音报警模块
    普通导盲器的报警方式比较简单，或者是单一的蜂鸣器报警，或者只有语音报警，二者都存在缺陷。结合两种报警方式，设置蜂鸣器和语音芯片作为声音报警器，使用者若选用语音芯片，系统可根据距离探测的结果语音报出障碍物的距离，也可以根据需要选择蜂鸣器直接报警。在近距离模式中，可以用蜂鸣器的频率来表示距离的远近，远的时候采用低频率的蜂鸣声，近的时候采用频率高的蜂鸣声，使用者可以根据声音频率的高低快速准确地判断前方障碍物的大致距离。在远距离模式中，采用语音报警模式来表示前方障碍物的距离，语音报警模块采用的语音芯片是WT588D。
    语音系统的原理框图如图5所示，分语音存储和语音播放两部分。系统利用单片机进行数据采集，经处理转换为可判断语音芯片播放哪段语音的判断信号。然后驱动耳机播放声音信号，利用WT588D VoiceChip软件可以对语音芯片进行编辑、声音录入等操作。

2．4 量程设置模块
    本装置预设远距、中距、近距三个量程用来控制报警的距离，系统初始报警距离为近距1 m，按中距和远距按键可分别将初始报警距离设为3m和6m。
2．5 太阳能供电模块
    通过太阳能光伏电池发出的直流电驱动系统，并以可充电的镍氢电池作为积蓄太阳能发电板的剩余电力的设备。太阳能供电模块由太阳能电池、太阳能控制器、蓄电池和DC-DC转换器等组成，如图6所示。太阳能控制器可以控制蓄电池对太阳能的采集和储存的工作状态，并对蓄电池起到保护作用，延长蓄电池使用寿命。

3 算法设计与实验结果分析
3．1 算法设计
    本装置软件的控制核心为AT89S52单片机，单片机通过读取量程设置值和温度值对初始设置状态进行修改，控制发射超声波，同时启动定时器计时，为了避免接收传感器直接接受发出的超声波，可在发射超声波后设置一段延时。当超声波探测器探测到回波时，计时器停止计时，读取时间差，根据回波测距原理计算出障碍物距离，并执行报警程序，程序流程图如图7所示。由于采用的是12 MHz的晶振，计数器每个计数就是1μs，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数(即超声波来回所用的时间)按式(3)计算，即可得被测物体与测距器之间的距离S，假设温度为20℃，则对应声速v为344m／s，则有：
    S=(v·△t)／2=172 T0／10 000cm   (3)
3．2 实验结果分析
    试验中选用一纸箱作为障碍物，将报警模块换为液晶显示器进行定量测量，不同气温下在同一点位置测量5个值，添加温度补偿和量程选择，得到如表1所示结果。

    由此可以看出，本实验的相对误差较小，但是由于盲区的出现，所测的结果不能与标准值完全相等。并且当障碍物距离比较近时，测量精确性较高；障碍物较远时，精确性相对较低；这是由于距离较远时，超声波回波信号较弱，噪声较大，容易产生误差。

4 结语
    目前导盲器的研究较多，本实验提出的设计方案特点是以太阳能作为系统的动力来源，采用半导体数字温度传感器实现对单片机超声波测距系统的温度测量和补偿，从而对声速进行补偿，对引起测量误差的因素进行修正处理，可以提高导盲器的导盲精度及灵敏度。由于预留了单片机引脚，便于进行功能拓展，同时导盲器系统以模块化进行组装，适宜增加其他功能模块。例如可以添加GPS定位器，可以帮助盲人家属及时了解盲人的行踪，避免盲人走失。而且本设计具有操作简便、体积较小等优点，因此可以很好地应用于实际生活中。