基于超声波技术的导盲杖设计

（４）放音子函数。在设计中，已对 ＩＳＤ １７３０ 录入了语音“前方距离 为”、“０￣９”１０ 个数字，“点”、“米”、“小心”等字段。其中字段“当前距离 为”用 ２ｓ 的时间单独录入，其他字段，每个占时 ０．５ｓ。进行语音播报时， 大约需要 ５ｓ 才能完成。
六、结论 本装置结构简单、体积小、性能稳定，结合手杖让盲人使用简单、方 便，也可以安装在不同的载体上，制作成不同的用具，如导盲小车、导盲 头盔等，因而具有一定推广应用价值。由于系统具有数字和语音双重输 出功能，稍加改动，就可应用于倒车避应用设计中。
图 ２ 主函数流程
图 ３Ｔ１ 中断函数流程
图 ４ 外部中断 ０ 服务函数流程
参考文献 ［１］孙传友，孙晓斌．感测技术基础（第 ２ 版）［Ｍ ］．北京：电子工业出 版社，２００６ ［２］陆军，米文龙，朱齐丹，王艳．超声波测距系统在移动机器人中的 设计与应用［Ｊ］．电子技术应用，２００７．（６） ［３］ＩＳＤ １７００ 系列数码语音电路使用手册．中青世纪 ｈｔｔｐ：／／ｗ ｗ ｗ ． ａｔｖｏｃ．ｃｏｍ ／
（上接第 ２０ 页） 教师作为大学教育的主要实施者，在大学生科研与实践创新能力
培养过程中具有重要的作用。在师范背景下，机械专业教师一方面可以 积极指导学生参加学科竞赛和项目研究，另一方面，在上课教学的过程 中也要积极引导学生重视科研和实践创新能力的培养。
２．２ 加大经费投入，完善硬件设备和实验场地 师范类的专业，大多不需要硬件设备支撑，但机械专业的科研与实 践需要有一个平台，因此，建设一个开放的机电类大学生创新实验室是 很有必要的，这样可以让学生有一个稳定的科研环境和互相学习的氛 围。 学校应对机械专业加大经费投入，学院应多方筹措资金，完善创新 实验室的建设，购买一批先进的实验设备，一方面加强对学生的吸引 力，激发学生的兴趣，另一方面有利于提高学生创新成果的质量。另外， 要逐步实行开放式实验室管理模式，放手让学生自主实验，这可以增强 学生的创造性，强化学生的实践动手能力。但实验室开放的同时，必须 建立与之配套的现代化教学管体系与制度，从而规范实验行为，加强实 验管理［４］。 ２．３ 区别于师范类专业的发展，形成具有自己特色的培养评价体系 师范类高校发展机械专业，往往容易根据师范背景的思维惯性，而 忽视了机械专业的特殊性。机械专业不同于师范类专业，它不再强调教 师技能和学生管理能力的培养，而更加重视科研实践能力的锻炼。在师 范背景下，机械专业要想更好的发展，就要形成具有自己特色的培养评 价体系，实现由注重知识传授向注重创新能力的转变［５］，努力提高学生 动手能力，并转变学生的思维模式，使学生提高科研与实践能力。文献 ［５］提出了机械专业人才培养的三个层次，第一层次，工程认识实践与基
一、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。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 Ｇ ＰＳ 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。导盲犬价格则更高，并且在某些社交场合（例如禁止宠 物进入）不适合使用，这些因素也造成导盲犬无法普及。为此，利用技术 成熟的超声波测距原理开发一种导盲装置，搭配传统的普通手杖一起 使用，组合成价格低廉的电子导盲杖。 二、超声波测距与避障原理 安装在手杖上方的超声波传感器，能发出或接收超声波。系统的单 片机首先测出超声波从发射到遇到被测物返回所经历的时间，再乘以 超声波的速度就得到 ２ 倍的手杖与被测物之间的距离，即 ｓ＝ｃｔ／２。其中 ｓ 为手杖与被测物之间的距离，ｃ 为超声波在介质中的传输速度。超声 波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，也与环境的条件有关。在 气体中，传播速度与气体种类、压力及温度有关，在空气中超声波传播 速度的经验公式为：ｃ＝３３１．５＋０．６０７ｔ。其中 ｔ为环境温度，可被温度传感 器采集并送给单片机进行超声波速度计算。在精度要求不是很高的情 况下，一般认为 ｃ 为常数 ３４０ｍ ／ｓ。距离测出后，可根据手杖的长度和盲 人的需要进行避障提示。 三、超声波测距误差分析 根据超声波测距公式 ｓ＝ｃｔ／２，可知测距的误差是由超声波的传播速 度误差和测量距离传播的时间误差引起的。当要求测距误差小于 ２ｍ ｍ 时，假设已知超声波速度 ｃ＝３４０ｍ ／ｓ ，忽略声速的传播误差。则测距误差 △ｓ ＝（ｃ△ｔ）／２＝（３４０×△ｔ）／２，即时间误差△ｔ＝０．００４／３４０≈０．００００１１７６４７ｓ ＝１１．７６４７μｓ。所以，在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的 传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于 ２ｍ ｍ 的 误差。使用 １２Ｍ Ｈ ｚ 晶振的 Ａ Ｔ８９Ｓ５１ 单片机定时器能方便地计数到 １μｓ 的精度，因此系统能保证时间误差在 ２ｍ ｍ 的测量范围内。 如果系统测距精度要求达到 ２ｍ ｍ 时，还必须把超声波传播的环境 温度考虑进去。例如当温度 １０℃时超声波速度是 ３３７．６ｍ ／ｓ，４０℃时是 ３５５．８ｍ ／ｓ。若超声波在 １０℃的环境下以 ４０℃的声速测量 ０．１ｍ 距离所引 起的测量误差接近 ５ｍ ｍ 。所以在较高精度的超声波测距中，温度补偿是 必须的。 由于超声波发射点与接收点不是同一点（如相距 ４０ｍ ｍ），而距离应 是垂直被测物的，所以当被测距离小于 ２０ｍ ｍ 时，根本不能测出，必定 出现测量盲区。从勾股定理的关系可知，当被测距离小于 ９０ｍ ｍ 时，将 会出现误差大于 ２ｍ ｍ 的情况。由于盲区不是很宽，通过实验，可以在软 件中所测数据进行分段修正。如当所测数据为 ２０ｍ ｍ 时，加上 ７ｍ ｍ 得 到实际距离；当所测数据为 ３０ｍ ｍ 时，加上 ６ｍ ｍ 得到实际距离……当 所测数据为 ８０ｍ ｍ 时，加上 １ｍ ｍ 得到实际距离。通过以上方法，保证了 系统测距精度稳定在 ２ｍ ｍ 以内。 四、系统硬件设计 系统的硬件电路如图 １ 所示。按照导盲杖所要求实现的功能，系统 硬件分为五个模块。 （１）控制模块，采用 Ａ Ｔ８９Ｓ５１ 单片机。除了控制以下几个模块外，还 利用其内部的定时器 ／计数器 Ｔ１ 和 Ｔ０，分别用于控制超声波的发射及 计算超声波传播时间。 （２）超声波收 ／发模块，采用发射头、接收头相匹配的 ＴＣ Ｔ４０－ １６Ｓ１／ １６Ｆ１ 传感器，其有效工作频率为（４０±１）ｋＨ ｚ。电子市场上常见的超声探 头是收发分体式，一般频率为 ４０Ｋ Ｈ ｚ。如果需要更高频率的超声探头， 比如几百赫兹或者几兆赫兹的频率，就需要到专业经营超声产品的厂 商去购买或者定制。ＴＣ Ｔ４０－１６Ｓ１／１６Ｆ１ 在使用时，发射头与接收头不可 混淆，否则不能正常工作。安装时应保持发射探头和接收探头的中心轴 线平行并相距 ４０ｍ ｍ 左右，如果能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起 来，那可以大大提高抗干扰能力。同时也可以根据测量范围及精度要求
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基于超声波技术的导盲杖设计
刘湘云 １ 王定山 １ 朱志伟 ２ （１．长沙民政学院电教实训中心 ２．长沙民政学院电子信息工程系）
［摘 要］本文详细介绍了以 Ａ Ｔ ８９Ｓ５１ 单片机为核心，利用超声测距的工作原理，设计了一种导盲装置。该装置可以对盲人前进道路 上的障碍物进行距离探测并把障碍物距离信息转换成声音提示，从而起到导盲作用。同时分析了超声波温度补偿问题和盲区问题， 提出了解决方法。该装置具有硬件结构简单、工作可靠、流程清晰、精度高等优点。 ［关键词］超声波测距 语音提示 导盲杖
不同，适当地调整与超声波接头探头并接的滤波电容的大小，以获得合 适的接收灵敏度和抗干扰能力。
图 １ 系统硬件电路 超声波接收电路采用了 Ｃ Ｘ ２０１０６Ａ 。Ｃ Ｘ ２０１０６Ａ 由前置放大、自动 偏压控制、振幅放大、峰值检波和整形电路组成。通过外接电阻，将其内 部带通滤波电路的中心频率 ｆ０ 设置为 ４０ ｋＨ ｚ，就可接收和放大超声波 电信号，并整形输出负脉冲。引脚 １ 为信号输入端。引脚 ２ 为 Ｒ Ｃ 网络连 接端，这是内部前置放大电路负反馈网络的组成部分，改变电阻的数值 则调整前置放大电路的增益。引脚 ３ 为检波电容连接端，改变检波电容 的值就可改变超声波信号放大和整形电路的灵敏度和抗干扰能力。引 脚 ４ 为接地端。引脚 ５ 为带通滤波器中心频率设置端，当外接 ２００ｋΩ 时，ｆ０＝４０ ｋＨ ｚ。引脚 ６ 为积分电容连接端，积分电容的标准值为 ３３０ＰＦ， 如果该电容值取得太大，输出脉冲低电平持续时间就会增加，测量距离 变短。引脚 ７ 为信号输出端。引脚 ８ 为供电电源端。工作时，换能器 ＴＣ Ｔ４０－１６Ｆ１ 将所接收到的微弱声波振动信号转化成为电信号，送给 Ｃ Ｘ ２０１０６Ａ 的输入端 １，当 Ｃ Ｘ ２０１０６Ａ 接收到信号时，７ 脚就会输出一个 低电平，可用于单片机的中断信号源。当单片机接收到中断信号时，说 明检测到了反射回来的超声波，单片机就进入中断状态，开始距离计 算。 （３）温度检测模块，采用 １—Ｗ ｉｒｅ 式温度传感器 Ｄ Ｓ１８Ｂ ２０ 检测环境 温度 ｔ，并送给单片机进行超声波速度校正计算。 （４）距离显示功能模块，采用超小型 ＬＥ Ｄ 数码管显示。字形码用 ７４ＬＳ２４５ 反相驱动，位码用三极管 ９０１２ 驱动。 （５）语音录、放模块，由 ＩＳＤ １７３０ 和一个 Ｍ ＩＣ 及 ＳＰＥ Ａ Ｋ Ｅ Ｒ 等组成。 例如 ＬＥ Ｄ 数码管显示测量结果为 １．３５ 米，紧接着就可听到自动语音播 报：“前方距离为一点三五米”。ＩＳＤ １７３０ 是华邦 ＩＳＤ 公司 ２００７ 年新推出 的单片优质语音录放电路，该芯片支持两种工作模式：按键模式与 ＳＰＩ 模式。所谓按键模式，其实就跟普通录放机工作一样，通过按键来操作。 它支持录音、放音、删除、快进、音量控制等按键。对于电路上的实现，其 实就是相应管脚接个接地按钮。ＳＰ Ｉ 模式其实就是用控制器，如单片机 等，对 ＩＳＤ １７３０ 芯片进行完全的控制。该模式可以实现按键模式下的所 有操作，同时还增加了根据地址进行的一系列分段操作。ＩＳＤ １７３０ 芯片 将自己的存储声音数据的空间分成若干个段，每个段都有一个自己的 地址。通过段地址，可以删除某一部分存储空间，也可以播放或录制某 一部分存储空间，这样我们就可以将不同段的声音连起来播放，自由组 成相应的语句。 五、系统软件设计 （１）主函数。主函数流程如图 ２ 所示。主要完成系统初始化操作，设 置定时器 ／计数器模式。涉及到三个关键的中断服务函数：①Ｔ１ 中断服 务函数，主要功能是产生 ４０ｋＨ ｚ 的超声波；②Ｔ０ 中断服务函数，计算超 声波的传播时间；③外部中断 ０ 服务函数，计算超声波传播的距离。将 处理结果送至 ＬＥ Ｄ 显示，然后由 ＩＳＤ １７３０ 驱动语音输出测量结果。 （２）Ｔ１ 中断服务函数。函数流程图如图 ３ 所示。将 Ｐ１．０ 每隔 １２μｓ 反复取反 ４ 次，即可发射 ２ 个 ４０Ｋ Ｈ ｚ 的超声波脉冲。超声波发射后，马 上启动 Ｔ０ 计数。由于超声波发射器和接收器较近，故刚发出的波束最