红外导盲系统设计_黄剑平

1 红外距离传感器的选择
常见的红外距离传感器是运用红外发射管发射出 一束红外光，经前方的物体反射后在发射管同一侧用红 外接收管检测反射光的强度，从而大致判断出传感器和
收稿日期：2013⁃03⁃19 基金项目：厦门理工学院科研基金（XKJJ201103）
图 1 GP2Y0A02YK0F 红外测距传感器内部结构图
[3] MARTIN F G. 机器人探索：工程实践指南[M].北京：电子工业 出版社，2004.
[4] ATMEL. ATmega8 datasheet [EB/OL]. [2013 ⁃ 02 ⁃ 03]. http：// /Images/Atmel ⁃ 2486 ⁃ 8 ⁃ bit ⁃ AVR ⁃ microcontroller ⁃ ATmega8_L_datasheet.pdf.
图 7 单片机软件流程图
4结语
本系统利用 ATmega8 单片机采集 3 个红外测距传感 器 GP2Y0A02YK0F 的 测 量 输 出 值 ，探 测 前 、左 、右 三 个 方 向 上 的 障 碍 物 情 况 ，经 过 滑 动 平 均 滤 波 后 得 到 距 离 值 ，并 在 距 离 值 小 于 门 限 阈 值 的 时 候 发 出 语 言 提 示 信 息。该系统的传感器采用 PSD 测量原理，不受障碍物表 面 反 射 率 和 环 境 光 的 影 响 ，抗 干 扰 能 力 强 ，测 量 准 确。 可以有效地帮助盲人判断路面上障碍物的情况，从而更 安全地行走。
图 3 系统硬件框图
2.2 ATmega8 单片机介绍 系统主控制器选用高性能、低功耗的 ATmega8 单片
机。ATmega8 单片机是 Atmel 公司 AVR 系列的单片机， 采用先进的 RISC 精简指令集结构，绝大多数指令为单 周期指令，芯片内置 8K 的可编程 FLASH 存储器，1 KB 的片内 SRAM，8 个通道的 A/D 采样接口。工作电压[4]为 4.5~5.5 V。该款单片机强大的性能和小巧灵活的特点， 使之适合本系统的设计要求。 2.3 测距传感电路
障碍物的距离。但这种方法对距离的判断误差比较大， 因为各种物体表面的反射率因材料的不同而各不相同， 对反射接收到的光信号很难同一定标，且该方法容易受 到环境光的影响。
Sharp 公司的光电距离传感器 GP2Y0A02YK0F 可以 克服上述缺点。该传感器的内部结构如图 1 所示。它内 部集成了红外调制光发射器、信号处理电路、位置敏感探 测元件、输出接口电路等模块。输出与测量距离成比例 的模拟电平信号。检测的距离范围[2]为 20~150 cm。
参考文献
[1] 杨国建，石秀娟，潘鸿雁，等.基于 SPCE061 的智能盲人导航系 统[J].工业控制计算机，2010，23（3）：93⁃94.
[2] SHARP. GP2Y0A02YK0F datasheet [EB/OL]. [2007 ⁃ 03 ⁃ 23]. http：///download/gp2y0a02yk⁃epdf.
ISD4004 播放的语音信息还需通过音频功率放大 电路进行放大，如图 6 所示。功率放大芯片选用 LM386 音频集成功放，它的静态功耗低，失真小，所需的外围元 件少，适用于手持设备 。 [6] 输入音频信号通过一个用于 调整音量的变阻器 R4 分压后输入 LM386 的输入端，连 接在芯片第 1 和第 8 引脚间的 R5 和 C7 用于设置功放的 增益。放大后的音频信号从第 5 引脚 Vout 端输出，经过
图 2 红外测距传感器测距原理
2 系统硬件设计
2.1 系统整体设计 整个系统的硬件设计框图如图 3 所示。3 组红外测
距 传 感 器 分 别 用 于 检 测 前 、左 、右 三 个 方 向 上 障 碍 物 的 距离情况，传感器输出的测距模拟信号送入单片机主控 制器中进行 A/D 采样处理，采样后的信号经过软件滤波 后 ，若 判 断 距 离 障 碍 物 较 近 ，则 单 片 机 控 制 语 音 播 放 模 块和音频放大电路发出距离提示信息。
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现代电子技术
一个 220 μF 的电容 C9 隔离直流信号后驱动喇叭发声。
2013 年第 36 卷
图 5 ATmega8 单片机控制 ISD4004 连线图
图 6 LM386 音频功率放大电路
3 系统软件设计
ATmega8 单片机控制整个电路系统的协同工作，其 软件流程图如图 7 所示。开机初始化后，ATmega8 通过 内置的 ADC 转换端口依次对 3 个方向的红外测距传感 器模拟量输出值进行 A/D 采样。为减小噪声干扰和测 量 偶 然 误 差 的 影 响 ，采 用 滑 动 平 均 算 法 ，对 一 个 传 感 器 每隔 20 ms 连续采样 8 次，取 8 次采样的平均值作为这 一小段时间内的距离测量值。将计算结果与门限阈值 进行比较片机控制语音芯片发出报警信息，调 用事先存储在 ISD4004 上的语音信息，将方位信息和障 碍物距离的值播报出来。
HUANG Jian⁃ping，LI Zhao⁃dai
（School of Optoelectronic and Communication Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China）
Abstract：An infrared blind guidance system with single chip microcomputer was designed for helping blind people. The system uses ATmega8 as control core and chooses the ranging infrared sensor GP2Y0A02YK0F based on PSD principle. The sin⁃ glechip samples the output analog signals from distance measuring sensors through ADC ports，and uses moving average filter to eliminate noise interference. The singlechip compares the distance value to the threshold value，and controls the voice broadcast⁃ ing circuit to announce the distance reminding messages. The system detects the barriers from three directions including front， left and right within 1.5 meters，and it has strong anti⁃interference and stability.
2013 年 7 月 1 日 第 36 卷第 13 期
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现代电子技术 Modern Electronics Technique
Jul. 2013 Vol. 36 No. 13
基于 ATmega8 单片机的红外导盲系统设计
黄剑平，李昭代
（厦门理工学院 光电与通信工程学院，福建 厦门 361024）
Keywords：GP2Y0A02YK0F；guidance for the blind；infrared distance measurement；ISD4004 chip
0引言
盲人在行走引导方面有很大的困难，目前盲人的导 盲主要是依靠手杖敲击路面来判断前方是否有可行的 路线，这种方法效率不高，且有一定的局限性，无法告知 盲人周围障碍物的分布情况和距离 。 [1] 本文对采用光电 式的导盲方式进行了探索研究，提出了一种单片机红外 避障导盲系统的简便方案，通过单片机采集红外测距传 感 器 的 信 号 ，判 断 出 使 用 者 周 围 障 碍 物 的 方 位 和 距 离 ， 通过语音芯片发出报警提示信息。该系统具有设计简 便小巧，稳定可靠等特点。
测距传感器与单片机的连接电路如图 4 所示，3 个 测 距 传 感 器 GP2Y0A02YK0F 的 模 拟 输 出 引 脚 分 别 与
图 4 测距传感电路
2.4 语言提示电路 系统的语音提示部分采用 ISD4004 芯片来播放提
示语音。ISD4004 是一款采用 CMOS 技术的语音录放芯 片 ，内 部 集 成 有 片 上 振 荡 器 、抗 混 叠 滤 波 器 、平 滑 滤 波 器、音频放大器、自动静噪功能和高密度多电平 FLASH 存储阵列。芯片采用多电平直接模拟量存储技术，音频 采 样 率 最 大 可 达 8 kHz，具 有 播 放 的 声 音 清 晰 自 然 ，功 耗低等特点 。 [5] 将事先录制好各种提示和距离值播报语 音，存储在 ISD4004 的 FLASH 存储阵列上，由 ATmega8 单片机控制播放，连线如图 5 所示。ATmega8 单片机通 过 SPI 接口控制 ISD4004 的工作，ISD4004 的模拟和数字 电源输入端都增加了去耦电容，滤除外部噪声的干扰。
摘 要：为帮助盲人群体更方便地导盲，设计了用单片机控制的红外导盲系统。以 ATmega8 单片机为控制核心，选用
基于 PSD 原理的红外测距传感器 GP2Y0A02YK0F。单片机利用 ADC 端口实时采集测距传感器的模拟输出信号，并对采集
到的数据进行滑动平均滤波，以消除噪声干扰。单片机将得到的距离值与门限值进行比较，并控制语音播报电路发出距离
提示信息。该系统能检测前、左、右 3 个方向 1.5 m 内的障碍物信息，抗干扰性强，稳定可靠。
关键词：GP2Y0A02YK0F；导盲；红外测距；ISD4004 芯片
中图分类号：TN215⁃34
文献标识码：A
文章编号：1004⁃373X（2013）13⁃0128⁃03