光电智能导盲器方案设计

光电智能导盲器方案设计
作者：刘仲禹张欣婷
来源：《电子技术与软件工程》2015年第14期
本文设计一种采用ATMEGA16L单片机作为控制器，利用红外测距的原理，设计了一种手持式红外导盲装置。

该装置可以对盲人前面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电脉冲信号，识别前方障碍物的方向及距离。

【关键词】ATMEGA16L单片机红外测距电脉冲信号
1 引言
眼睛是我们身体不可缺少的器官，是人类了解世界感知外界的窗口，然而对于盲人来说简单的散步都是一件奢侈的事情。

本文设计一种光电智能导盲器帮助盲人能够在不借助他人或当盲犬的情况下，盲人经过简单的训练可以利用触觉感知脉冲信号并根据的频率变化来判断有无障碍物及离障碍物的距离和大致方位，达到导盲作用。

2 研究方案
利用红外测距原理障碍物进行多点测量并将障碍物信息通过电脉冲信号传递给手指，使使用者通过触觉大概感知到障碍物及其方位。

当打开声音开关时会有声音提示障碍物方位。

（如图1）
由于探测距离和高度的影响，本系统测量范围可设定在六米以内。

近距工作模式工作距离设定为两米工作高度为两米，这样可以保证使用者在复杂的工作环境中能不晃动仪器就能感知障碍物的存在。

光学部分采用850nm红外LED光源，出射角为20度，功率1W 出射距离可达20米，满足测量距离的覆盖要求。

接受器件选用850nm红外接受管，经过光学系统使其接收角度控制在1度。

电子部分可控制光源发出一个脉冲的同时开始计时，当接受器接收到这个脉冲时计时结束，单片机根据时间得出距离，测距方程： D=CT/2（D 为被测距离，C 为光速，T 为光脉冲信号来回于测距仪和待测目标反射脉冲的时间）。

采集系统会对每个接受器所对应角度进行扫描，然后把数据传递给单片机进行分析，从而对计算出障碍物的距离和方位，最后通过脉冲发生器和扬声器把信息传递给使用者。

3 技术路线及可行性分析
3.1 光学部分
利用多枚850nm大功率LED作为光源。

光源视角为44度在5m处形成高2m，在2.5m出形成低1m的光幕（如图2）。

此工作模式可在复杂场合使用。

接收器为850nm红外接收器阵列，每个接收器针对各自的小视场范围进行接收以提高单个接收器的方向性，减小光信号的叠加干扰（如图3）。

在光源的工作模式下，分别针对光源的视角用机械的方式改变接收的角度。

3.2 电子部分
本系统利用ATMEGA16L单片机作为控制器，对每个角度的接收器信号进行比较分析，并将分析结果转化为电脉冲信号使人感知（如图4）。

本系统采用ATMEGA16L单片机作为主控芯片。

单片机对于TDCGP2进行寄存器配置以及时间测量控制，时间测量结果传回给单片机通过算法进行距离的精确计算。

通过测量结果得出哪个方向是否有障碍物，通过脉冲发生器产生电流信号刺激手指，从而让盲人知道哪个方向有障碍物向哪个方向躲避。

单片机控制开关，是否打开扬声器。

TDC-GP2芯片发射出光脉冲同时将发射脉冲输入到芯片的start 端口，触发时差测量。

一旦从物体传回的反射脉冲达到了光电探测器（接收电路）则给TDC 产生一个Stop 信号，这个时候时差测量完成。

那么从Start 到Stop 脉冲之间的时差被TDC-GP2精确记录下来，用于计算所测物体与发射端的距离。

3.3 主要芯片介绍
ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。

由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

ATmega16 AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。

所有的寄存器都直接与算逻单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。

这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。

引脚TQFP 封装。

工作电压范围：2.7 - 5.5V 。

速度等级，0 - 8 MHz。

ATmega16L 在1 MHz， 3V， 25℃时的功耗，正常模式为 1.1 mA 。

空闲模式为0.35 mA 。

掉电模式为 < 1
μA 。

信号的发射和采集选用ACAM公司的TDC-GP2芯片，该芯片具有高脉冲发生器（需外接高速晶振），停止信号使能，典型分辨率可达到50ps rms在不添加AD的情况下直接输出数字信号，便于单片机进行比较处理。

计算公式为d=ct/2 （d为距离，c为光速）。

根据此公式，通过1km所用的时间就是6.7us。

如果距离分辨率要达到1cm，则时间分辨率需达到67ps。

用ACAM公司的标准TDC（分辨率达110ps的GP1），只对4次测量进行取样，分辨率就可达到1cm。

对多次采样取平均值，在距离为14km的测量中分辨率可达1mm。

一般来讲当光线遇到物体的时候会被反射回来。

因此在这种情况下光将飞行两倍的被测距离。

因此我们有如下对应关系：
1ns - 150mm 距离（双倍包括反射）
100ps - 15mm
10ps – 1.5mm
这个精度范围非常适合我们的TDC 系列芯片，例如TDC-GP2，精度为65ps，相当于9.8mm。

完全满足本系统的要求。

本系统采用2000mA的手机电池作为本系统的电源。

锂电池便于充电和生产制造，由于技术成熟，可以大大降低导盲器的生产成本。

4 结论
本文采用多点测量，提高了可用性，并能对如何绕开障碍物起到了一定的提示作用。

利用电流脉冲刺激手指作为提示信号，相比于声音提示加大了信息量的同时提高了信息在传输中的可靠性。

参考文献
[1]徐哲.科技致富向导直通道[J].新型光电智能导盲器，2005.
作者简介
刘仲禹（1982-），男，吉林省长春市人，现为长春理工大学光电信息学院讲师。

从事光电传感器教学。

作者单位
长春理工大学光电信息学院吉林省长春市 130012。