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基于单片机的超声导盲杖设计
作者：张亮
来源：《价值工程》2012年第33期
摘要： 本文利用超声波测距原理，以AT89S52单片机为主控核心，设计了一种导盲装置，该装置可以对盲人前进的道路上的障碍物进行距离探测并把障碍物的距离信息转换成声音和振动提示，从而起到导盲作用。
Abstract： This paper designs a blind guiding device whose main control part is AT89S52 SCM by using ultrasonic ranging principle. The device measure the distance with obstacle and transform the information into sound information and vibration alert， thus creating a blind guiding effect. 关键词： 单片机；超声波；导盲
Key words： SCM；ultrasonic；blind guiding
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）33-0176-03 0 引言
盲人作为特殊的群体，其借助的辅助工具主要有手杖和导盲犬，其中使用手杖最为普遍。传统的盲人拐杖是一根长杆，存在一系列的不足。例如：探测的距离受限于拐杖的长度；难于探测悬挂的障碍物；无法对快速接近的障碍物发出预先报警；公共场合不利于收藏等。为了更好地帮助盲人行走，国内外很多机构都研究和生产了相关电子导盲装置，由于利用了GPS全球定位系统及建立无线电基站等方法，导致用这些方法实现的导盲器价格昂贵，不适合于普通消费者。导盲犬则价格更高，并且在某些社交场合（例如禁止宠物进入）不适合使用，造成导盲犬无法普及。
本文构思设计一种能辅助盲人安全行动的智能拐杖，该拐杖可以对前方一定距离的障碍物进行探测，并给出警报提示，从而对视力存在缺陷者提供较好的辅助行走功能。该设计采用基于超声波传感器，以单片机为主控芯片，利用超声波测距原理辅助盲人行走，使用简单方便，具有方向性强、能量易于集中、传播距离较远，以及对障碍物定位具有一定的精确性，体积相对较小、方便携带、价格低廉等特点。 1 系统的硬件结构及基本功能
本设计主要分为主控模块、超声波测距模块和报警模块三个部分。首先由超声波传感器发射端产生一个高频的超声波，然后接收端接收到这个回波，通过计算传感器发送信号和接收信号的时间间隔来确定对象的距离，最后通过对距离的判断发出警报信号，实现智能导盲的作用。硬件的整体结构如图1所示。
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1.1 超声波测距模块 应用超声波脉冲回波法测距的过程是：用持续时间一定的超声频高压电脉冲信号激励超声换能器，使之向外部介质发送一串超声波，当超声波在换能器的声轴上遇到一个或多个目标时，部分声能将被反射回来并作用在换能器上，使换能器输出微弱的电信号。该信号经过放大滤波后，送入微处理系统进行信息处理，以判定回波信号出现的时刻，并计算出超声波的射程时间及对应的目标距离，从而完成了一个测距周期。
本设计中的测距模块采用收发分体式，由一对超声传感器组成，超声波发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，由主控模块向超声波的发射端送出固定频率（40kHz）的脉冲信号，在发射端经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，将电脉冲信号转成超声波发射出去，若前方有障碍物存在，超声波接收端将收到的一部分反射回波转为电信号，该信号经放大后送至主控模块的另一路，被主控模块接收后计算回波时间，从而计算出障碍物的距离。
在发射端，信号经两级反相后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。发射接收电路图如图2所示。 1.2 主控模块 本设计采用的主控芯片是AT89S52，它是一种低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在线可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
在本设计中，该芯片主要完成把各个模块之间的数据信号进行分析处理后给出相应的指示，利用内部的定时器/计数器控制超声波发射接收并计算超声波的时间，通过时差算出距离，最终通过软件实现障碍物的识别，输出结果。
1.3 报警提示模块 由于导盲杖被广泛用于室外的嘈杂环境中，本设计采用了蜂鸣器和振动双重报警，当通过超声波的发射和接收电路以及软件结合判断出前方有障碍物时，系统将发出报警信号。
声音报警电路通过一个简单的三极管驱动蜂鸣器报警，振动报警则是利用小型电机偏心轴原理实现导盲杖振动，可用于安静环境或嘈杂环境中听不见语音提示的情况。电路图如图3所示。
1.4 硬件系统PCB图 PCB（Printed Circuit Board）是印制电路板的简称。通常把在绝缘材料上，按预定设计，制成印制线路、印制原件或两者组合而成的导电图形称为印制电路。而在绝缘基材上提供元器件之间的电气连接的导电图形称为印制线路。这样就把印制线路的成品称为印制线路板，亦称为印制板或印制电路板。
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印制电路板的设计是以电路原理图为根据，借助protell99SE软件来设计电路在电路板上的布局设计。印制电路板的设计主要指版图设计，需要考虑外部连接的布局，内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。优秀的版图设计可以节约生产成本，达到良好的电路性能。
PCB的制作一般分为单层板、双层板、多层板。由于本设计的元器件比较少且连线不复杂，所以采用的是单层板，导线只出现在其中一面。本设计的PCB图如图4所示。 2 系统软件模块组成及基本功能
系统的软件设计采用C语言，可以大大提高程序编写时的效率，设计的关键是超声的发射和接收，障碍物距离的计算和语音报警。主程序首先对系统初始化，然后循环调用超声波发射子程序，延时程序，超声波测距子程序，报警子程序等。其中，超声波发射子程序的主要功能是利用单片机的P1.0口产生一个频率为40KHz、占空比为40%的方波。考虑到前方可能一直没有障碍物的特殊情况，并为了使定时器便于计时，以及距离范围在3米内的具体要求，发射子程序采用先连续发射40个周期的方波（时长为1ms），然后延时20ms（用于等待接收端应答）的方式，保证每次收到的回波都是最近一次发射的脉冲反射回来的。
测距子程序包括回波时间计算和距离计算两部分：回波时间计算由单片机的的P1.1口控制，一旦查询到该引脚由高到低，则表明接收到了本次发射返回的超声回波；而距离的计算则通过定时器中存储的数据进行简单运算得出。
报警子程序分为振动报警和蜂鸣器报警，之所以采用振动报警是由于考虑到嘈杂环境下蜂鸣器音量有限而设置的。 主程序流程如图5所示。 3 系统调试及测试结果
系统调试分为硬件调试与软件调试，经仿真调试后焊接线路板，并进行了距离测试，结果如表1所示。 4 结论
本设计利用基于单片机的超声波测距原理完成了智能导盲杖的设计，可以探测到0到3米的障碍物，同时发出蜂鸣和振动提示，实现了探测一定范围内障碍物的功能，制作出的实物还在调试测试阶段，功能稳定性还有待于后期调试和检验。
与普通导盲杖相比，本设计的最大不同之处在于可以测出3米内的障碍物而不是传统的那种只可以杆长可以接触到的范围，该超声导盲杖可以使盲人及时避障，准确性可靠，灵敏度高。同时提供人性化的设计，用语音加振动予以提示，为盲人的生活带来了方便。