超聲波電子導(dǎo)盲手杖的設(shè)計(jì)

1、本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目: 超聲波電子導(dǎo)盲手杖的設(shè)計(jì) 姓 名: 學(xué) 院: 專 業(yè): 班 級: 學(xué) 號: 指導(dǎo)教師: 職稱: 20 年 月 日XX大學(xué)教務(wù)處制25 / 28文檔可自由編輯打印目 錄摘要1關(guān)鍵詞1Abstract1Key words11 緒論11.1 研究背景與意義11.2 國內(nèi)外已經(jīng)研制成功的超聲波導(dǎo)盲裝置21.2.1 電子導(dǎo)盲儀（ETA）21.2.2 移動式機(jī)器人31.2.3 穿戴式導(dǎo)盲儀41.2.4 引導(dǎo)式手杖42 超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)的工作原理42.1 超聲42.1.1 超聲概述42.2 超聲波傳感器52.2.1 傳感器的種類及特點(diǎn)52.2.2 超聲波傳感器的選取62.3 超

2、聲波測距的應(yīng)用62.4 超聲波測距的發(fā)展概況72.5 超聲檢測的原理和方法72.6 超聲波測距的基本原理82.7 測量精度的問題92.7.1 影響測量精度的因素92.8 提高測量精度的措施103 超聲波導(dǎo)盲手杖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)113.1 總體實(shí)現(xiàn)的功能113.1.1 障礙物檢測113.1.2 超聲測距113.1.3 實(shí)時(shí)顯示檢測結(jié)果113.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)113.3 系統(tǒng)總體分析123.3.1 CPU的選型123.3.2 超聲波發(fā)射電路133.3.3 超聲波接收電路133.3.4 告警模塊設(shè)計(jì)153.4 超聲波導(dǎo)盲手杖的軟件設(shè)計(jì)163.4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理163.4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖173.

3、4.3 單片機(jī)的C程序設(shè)計(jì)17致謝25參考文獻(xiàn)26附 錄27超聲波電子導(dǎo)盲手杖的設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)電氣化與自動化專業(yè)學(xué)生 指導(dǎo)教師 摘要：中國是世界上盲人數(shù)量最多的國家。盲人生活在黑暗的世界中，給工作、生活、社交活動帶來了莫大的困難。如何安全行走，是盲人生活中最大的問題。為了解決這一問題，本文模仿蝙蝠的超聲應(yīng)用能力和原理，在研究現(xiàn)有的電子式超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用回聲定位原理，通過發(fā)送超聲波，然后獲得并分析障礙物的回波信息，研制了一套超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)作為控制器, 利用超聲測距的原理, 設(shè)計(jì)了一種超聲波導(dǎo)盲裝置，該裝置可以對盲人前面道路上的障礙物進(jìn)行距離探測并把障礙物距離

4、信息轉(zhuǎn)換成聲音或震動提示, 盲人可以根據(jù)提示聲音或震動，達(dá)到導(dǎo)盲作用。該系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量誤差小等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：超聲波；單片機(jī)；導(dǎo)盲系統(tǒng)The design of Ultrasonic electronic Blind stickStudent majoring in agriculture electrification and automation Tutor Abstract: China is a country that owns the largest number of blind people in the world. The blind live in d

5、arkness world, It has brought great difficulties to work, living and social activities. How to walk safely is the biggest problem for the blind in the life. To solve this problem, this article imitate the bat's ultrasonic applications Capability and principles .In the study of existing e-ultraso

6、nic Guide systematic basis, Apply echolocation Principle, By sending ultrasonic, Obtain and analyze the obstacles and then return information, developed a system of ultrasonic guide. The system uses AT89S52 microcontroller as the controller, using ultrasonic distance measurement principle, design an

7、 ultrasonic guiding equipment. The device can detect the distance of obstacles on the road that is in front of the blind. Than turn the distance information of the obstacle into sound or vibrating alert, According to sound or vibration, Blind may achieve guide effect. The system has some characteris

8、tics, For example the hardware structure is simple, the work is reliable, measurement error is small and so on.Key words: Ultrasonic; MCU; guidance system for the blind1 緒論1.1 研究背景與意義我國曾在上世紀(jì)80年代進(jìn)行過視力殘疾狀況調(diào)查，結(jié)果顯示，我國有視力殘疾患者近1300萬，其中盲人約就有550萬。從全國防盲技術(shù)指導(dǎo)組辦公室得到的數(shù)據(jù)也顯示，我國有500萬盲人，占世界盲人總數(shù)的1/51。隨著人民生活水平的不斷進(jìn)步，讓生

9、活變得越來越簡單方便成為了人民普遍追求的生活理念。盲人既是我們普通人民中的一員，又是一個(gè)特殊群體，他們由于先天的生理缺陷在日常生活中比我們常人會遇到更多的不方便，不能準(zhǔn)確及時(shí)的發(fā)現(xiàn)并躲避障礙物就是一個(gè)重要的弊端。雖然在現(xiàn)實(shí)生活中大多數(shù)的盲人都是借由普通的拐杖來輔助行走的，但這種拐杖只是一根普通的長桿，存在著太多的不足，比如不能探測上方懸掛的障礙物，不能識別稍遠(yuǎn)一點(diǎn)的障礙物等等2。導(dǎo)盲犬雖然是引導(dǎo)盲人行進(jìn)的不錯(cuò)選擇，然而訓(xùn)練的不易、耗時(shí)及成本高昂也使得導(dǎo)盲犬的使用率并不高。如果有一種既輕巧，又便宜，同時(shí)又能及時(shí)的識別周圍障礙物并發(fā)出報(bào)警信號的智能拐杖在盲人的手中將會為盲人的生活提供極大地方便。同

10、時(shí)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)及工業(yè)機(jī)器人的不斷出現(xiàn)，測距與識別技術(shù)在工業(yè)中已經(jīng)得到了普遍的發(fā)展，如何把這種非接觸式檢測與識別技術(shù)應(yīng)用于民用領(lǐng)域也變得十分重要。蝙蝠擅長在黑夜中飛行，在漆黑的環(huán)境里仍能夠準(zhǔn)確的判斷物體的方位及距離，并能有效的避開樹、建筑物等障礙物，以極快的速度精確地飛翔，蝙蝠的這種功能是通過回聲定位來實(shí)現(xiàn)的。所謂回聲定位，就是某些動物能通過口腔或鼻腔把從喉部產(chǎn)生的超聲波發(fā)射出去，利用折回的聲音來定向。比如蝙蝠，它通過喉部發(fā)出頻率大約100KHz的超聲波脈沖，當(dāng)遇到食物或障礙物時(shí)，脈沖波會反射回來，蝙蝠用兩只耳朵接受物體的反射波，并據(jù)此確定該物體的位置，并可從兩耳分別接受到回波間的

11、差別，來辨別物體的遠(yuǎn)近、形狀及性質(zhì)，物體的大小則由回波中的波長區(qū)別出來。根據(jù)蝙蝠的這種仿生學(xué)原理，超聲檢測與識別技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是醫(yī)用以及工業(yè)領(lǐng)域中，如醫(yī)學(xué)超聲檢測，超聲探傷等。超聲波具有傳播速度慢，指向性強(qiáng)，能級消耗緩慢，對色彩、光照度不敏感的特點(diǎn)，同時(shí)超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、費(fèi)用低、信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的特點(diǎn)3。綜合以上優(yōu)點(diǎn)，如果采用超聲檢測的方法實(shí)現(xiàn)對障礙物的識別，同時(shí)將這一項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)盲產(chǎn)品中將有廣闊的發(fā)展前景。1.2 國內(nèi)外已經(jīng)研制成功的超聲波導(dǎo)盲裝置為了提高盲人的生活質(zhì)量，增加其行走能力，世界各國一直在進(jìn)行著導(dǎo)盲系統(tǒng)的研制。有

12、許多研究已經(jīng)有了成功的案例，比如：超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)、無線電導(dǎo)盲系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)盲、盲人電子眼鏡、紅外線導(dǎo)向燈系統(tǒng)等4。其中無線電、衛(wèi)星導(dǎo)盲系統(tǒng)和紅外線導(dǎo)向燈系統(tǒng)，要求改善周圍的環(huán)境設(shè)施，患者借助于外來信息確定自身的方位，雖然反映的信息較多，但耗資龐大，信息量固定，發(fā)展更新遲緩，而且也很容易受到外來信息的干擾或者遭到人為的破壞；電子眼鏡用光導(dǎo)和攝像原理將景物和周圍物體成像轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的聽覺信號，雖然結(jié)構(gòu)簡單，信息質(zhì)量固定，但是系統(tǒng)復(fù)雜、成本昂貴。超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本低、使用方便、抗電磁干擾強(qiáng)、對光線不敏感、無電磁輻射，因此被廣泛采用5。已經(jīng)研制成功的超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)大體可以分為四類：基于電子技術(shù)的導(dǎo)盲儀

13、(Electronic travel aids，ETA)、移動式機(jī)器人(Mobile robot)、穿戴式導(dǎo)盲儀和導(dǎo)引式手杖。1.2.1 電子導(dǎo)盲儀（ETA） ETA的工作原理與雷達(dá)系統(tǒng)類似，由探頭向一定方向上發(fā)送一連串的超聲探測波，這些超聲波在傳送過程中遇到障礙物會被反射回來，被指定的傳感器接收，從接收到的回波中可以得到障礙物的信息。最早使用超聲的ETA產(chǎn)生于1965年，名字為Russell Pathsounder，它是將兩個(gè)超聲探頭安放在好后掛在人的頸部，然后把它放置于位于胸部高度的板上。收到前方障礙物的信息后儀器就會產(chǎn)生聲音報(bào)警，但這種儀器僅能產(chǎn)生三種滴答聲，通過這種滴答聲粗略地提示目標(biāo)

14、距離6。完成于1974年的Sonicguide，它的外型類似于一個(gè)眼鏡框，一個(gè)具有55°聲束角的廣角超聲發(fā)射器安放在鏡架的中央，兩個(gè)超聲波接收器被分別安放在鏡框的兩側(cè)。兩個(gè)接收器獲得的信號經(jīng)過頻移，分別傳入左右耳。使用者根據(jù)傳入兩耳之間的聲音強(qiáng)度差，可以判斷出障礙物的方向（聲音以立體聲呈現(xiàn)，靠近物體的那只耳朵聽見的聲音大于另一只耳朵聽見的）；障礙物的距離被編碼成可聽低頻聲音的頻率（聲調(diào)越高，距離越近）；物體的某些表面特征通過聲音的特征來體現(xiàn)（例如，不均勻分布的聲音可能表示一棵樹，均勻分布的聲音可能代表一面墻）。結(jié)合使用者頭部的運(yùn)動，能清楚的獲得障礙物的位置6。Mowat Sensor

15、完成于1977年。它可以相當(dāng)于一支點(diǎn)字棒，主要是把收集到的超音波訊息，根據(jù)物件的距離來發(fā)出不同程度的震，使用者通過觸覺獲得的震感來獲得周圍障礙物的距離信息。感應(yīng)的范圍可分一米和四米，使用者可利用按鈕隨意選擇Mowat Sensor的好處是可以幫助尋找到小物件如鎖匙等，也可以探到半開的門。韓國的Young-Jip Kim等人在2001年研發(fā)出的ETA，其探測組件分兩部分：眼鏡和手杖。眼鏡框兩側(cè)安裝有兩個(gè)發(fā)送和接收超聲波的超聲探頭，用于探測頭部高度前方的物體；在有滾輪的手杖前端也安放兩個(gè)超聲發(fā)射接收探頭，探測地面高度前方的物體。兩組探頭獲得的位置信息分別轉(zhuǎn)化成可聽的嗡鳴聲送至立體聲耳機(jī)，使用者借此

16、判斷周圍環(huán)境。其中障礙物的方向信息轉(zhuǎn)化為雙耳間所聽到得嗡鳴音的相位差和強(qiáng)度；障礙物的距離信息轉(zhuǎn)化為嗡鳴聲的頻率，距離越遠(yuǎn)頻率越低，距離越近頻率越高；不同探測組件得到的嗡鳴聲的音階不同，從眼鏡探測組件得到的音階高，從手杖探測組件得到的音階低。此款設(shè)計(jì)重量輕，體積小，便于攜帶，制造成本低，易于使用，并且低功耗，可使用電池供電7。2002年，英國利茲大學(xué)的迪恩·沃特斯就和他的同事們根據(jù)超聲定位原理，研制成功了一種被稱為“Batcane”的超聲波導(dǎo)航裝置。和蝙蝠一樣，這個(gè)輕便的小裝置每秒鐘能發(fā)射6萬赫茲的超聲波脈沖，這個(gè)頻率的脈沖是人耳所無法聽得到的聲納波，當(dāng)它碰到障礙物時(shí)，反射回來的聲波都

17、能被這個(gè)裝置接收并轉(zhuǎn)換成人手能感知的輕微振動，通過安裝在拐杖塑料手柄上的4個(gè)小襯墊傳遞給使用者，任何在其附近的物體都會引起其手杖塑料柄上的四塊墊子中的一塊發(fā)生震動。障礙物越近，振動的頻率越快，利用這種聲納波，盲人能夠發(fā)現(xiàn)其前方、周圍，甚至在其上方的障礙物，從而幫助存在視力缺陷的人士避開臺階或低洼的地面。綜上可知，ETA的缺陷是工作時(shí)需要使用者不斷進(jìn)行掃描探測動作，而發(fā)現(xiàn)障礙物后，必須經(jīng)過附加測量才能知道其尺寸，因此降低了行進(jìn)的速度。但由于其結(jié)構(gòu)比較簡單，便于攜帶，而且成本相對低廉，因此得以推廣。1.2.2 移動式機(jī)器人 移動式機(jī)器人8目前廣泛的應(yīng)用在工廠自動化中，主要用于物件的搬運(yùn)。由于安全與

18、自動化的的要求，移動式機(jī)器人一般具有多種的感測器、強(qiáng)大的計(jì)算能力以及高度的智能化的障礙物躲避系統(tǒng)(obstacel avoidance systems,OAS)，OAS可以探測障礙物的位置，并制定出合理的行走計(jì)劃，使得機(jī)器人在復(fù)雜的環(huán)境中可以進(jìn)行自主的導(dǎo)航，例如：位置估測、路徑規(guī)劃、軌跡追蹤、障礙物閃避等復(fù)雜的功能。因此基于移動式機(jī)器人技術(shù)的導(dǎo)盲儀，功能上較EAT有很大提高。例如Yamanashi University的HITOMI和HARUNOBU，以及NavChair與PAM-AID都是用于導(dǎo)盲的大型自走式機(jī)器人。NavChair又名“輔助性輪椅導(dǎo)航系統(tǒng)”，也就是導(dǎo)航輪椅，是由密西根大學(xué)（

19、Michigan university）機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研發(fā)成功的。它是將智能機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于電動輪椅，是一種服務(wù)器機(jī)器人，可以進(jìn)行自主導(dǎo)航并有效的避開障礙物。PAM-AID是一個(gè)“智能行走機(jī)”，通過Bayesian網(wǎng)絡(luò)將用戶的輸入值與傳感器推導(dǎo)出的高級信息結(jié)合起來對用戶的當(dāng)前導(dǎo)航目標(biāo)進(jìn)行環(huán)境相關(guān)估算。這種“智能行走機(jī)”可以幫助老弱盲人在室內(nèi)安全行走。移動式機(jī)器人雖然比ETA功能更完善，更加的智能化，但是它的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，因此對于傾斜路面、上下樓梯或者需要跨越的障礙物的處理相當(dāng)困難，在行動的范圍與地形上也會受到限制；并且行走的路徑是由移動機(jī)器人規(guī)定決策的，這導(dǎo)致盲人使用者的行進(jìn)是被動式的被機(jī)器人引

20、導(dǎo)；此外即時(shí)的自主式行走需要大量的復(fù)雜算法的支持，導(dǎo)致硬件及開發(fā)成本上都會付出相當(dāng)高的代價(jià)9，因此并沒有得到廣泛的應(yīng)用。1.2.3 穿戴式導(dǎo)盲儀 NavBelt，顧名思義是一種具有導(dǎo)航功能的腰帶，是由美國密執(zhí)安大學(xué)移動機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的科技人員Borenstein與Koren共同發(fā)明的。NavBelt的概念形成于1989年，它的設(shè)計(jì)理念來自于移動式機(jī)器人與盲人兩者在運(yùn)動上的相似性。移動式機(jī)器人與盲人同樣具有執(zhí)行運(yùn)動、行進(jìn)的能力，但卻同樣需要一個(gè)探測系統(tǒng)來探測行進(jìn)路上的障礙物并加以躲避，因此直接將移動式機(jī)器人的障礙物躲避系統(tǒng)穿載在盲人的身上，盲人作為半被動的接受障礙物躲避系統(tǒng)命令的運(yùn)動工具，并且具有

21、比移動式機(jī)器人更靈活的行動能力。該裝置由安放8個(gè)超聲探頭的腰帶、置于背包的小型計(jì)算機(jī)和立體聲耳機(jī)組成。超聲探頭收發(fā)一體，聲束角為150°，采用誤差消除快速超聲激發(fā)理論（Error Eliminating Rapid Ultrasonic Firing，EERUF），可以消除重疊干擾，均勻排列的8個(gè)探頭可以探測到120°范圍的物體。OAS運(yùn)用矢量場直方圖技術(shù)（VectoField Histogram,VFH）將超聲探頭獲得的信息加以處理，通過立體聲耳機(jī)，采用立體聲圖像技術(shù)，指引使用者行走。NavBelt因?yàn)槭谴┹d在盲人的身上的，因此無法像導(dǎo)盲犬一樣提供給盲人心理上的安全感和依

22、賴感。1.2.4 引導(dǎo)式手杖 較為新穎的導(dǎo)盲機(jī)器設(shè)計(jì)是在拐杖的末梢接上一組載有許多傳感器、小型控制計(jì)算機(jī)而下方裝有導(dǎo)輪的移動式平臺，也就是將原本移動式機(jī)器人的動力系統(tǒng)移除，保留智能感測的部分。這樣的架構(gòu)特點(diǎn)是：舍棄動力裝置，可充分減少機(jī)器的體積重量及盲人的負(fù)擔(dān)，大大提高機(jī)器的可移植性；系統(tǒng)復(fù)雜度減小之后，可以著重在感測系統(tǒng)與導(dǎo)航輔助技術(shù)的設(shè)計(jì)上；輪子拐杖（Wheel-cane）的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相對于NavBelt，在心理層面上可以給予盲人較大的依賴感與安全感。因此導(dǎo)引式手杖的設(shè)計(jì)可以禰補(bǔ)目前拐杖、電子式行進(jìn)輔具、移動式機(jī)器人及NavBelt的缺點(diǎn)。目前已存在的此類型機(jī)器主要是Borenstein的G

23、uideCane。GuideCane的概念形成于1995年，它是美國密西根大學(xué)繼NavBelt之后研發(fā)的，它的外形類似一種立式吸塵器或一臺割草機(jī)，可看作為電子導(dǎo)盲犬。這種引導(dǎo)手杖由三部分構(gòu)成：手柄、機(jī)架和車輪。在使用時(shí)，使用者握住手柄，推動GuideCan行進(jìn)。通過手柄上的微型控制桿，設(shè)定行進(jìn)目標(biāo)方向。根據(jù)超聲探頭獲得的信息，運(yùn)用VFH技術(shù)，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生周圍環(huán)境的虛擬地圖，通過伺服電機(jī)，控制轉(zhuǎn)向輪的方向引導(dǎo)使用者行進(jìn)。GuideCane與NavBelt相比是將原先有人背負(fù)的設(shè)備轉(zhuǎn)至拐杖末端的移動式平臺上，減少了機(jī)器的體積重量給使用者帶來的負(fù)擔(dān)，提高了可操作性9。GuideCane的缺點(diǎn)是體積還是

24、過于龐大，不便于攜帶，而且成本較高，所以不便于推廣。2 超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)的工作原理2.1 超聲2.1.1 超聲概述聲波按頻率高低不同可分為四種10：頻率在16KHz20KHz之間的機(jī)械波，能為人耳所聞，稱為聲波；低于16KHz的機(jī)械波稱為次聲波；高于20KHz的機(jī)械波稱為超聲波；高于10MHz的機(jī)械波稱為特超聲波。聲波產(chǎn)生的條件是首先要有一個(gè)作機(jī)械振動的質(zhì)點(diǎn)作波源，其次要有傳播振動的彈性介質(zhì)。此外，當(dāng)振動傳播時(shí)，振動的質(zhì)點(diǎn)并不隨波而移走，只是在自己的平衡位置附近振動而已，這與電磁波（交變電磁場以光速在空間的傳播）是完全不相同，與光波也不同11。因此超聲作為一種高于人的聽覺范圍的聲波，與光波與電磁

25、波不同，是一種彈性機(jī)械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播；電磁波的傳播速度為3×108m/s，而超聲波的傳播速度為340m/s，其速度相對電磁波是非常慢的，對于相同頻率的情況下波長較短，因此可以提高測量的分辨率；超聲波在相同的傳播媒體里傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，波動的傳播方向與振動方向一致，作為縱向振動的彈性機(jī)械波，它是借助于傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動而傳播的12。在兩種介質(zhì)的交界面，聲波會發(fā)生反射、折射、衍射、散射等現(xiàn)象。超聲波也具有這些傳播規(guī)律13，與可聽聲波的規(guī)律并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。但超聲波作為一種特殊的聲波，同時(shí)又具有方向性好，加速快等特點(diǎn)，而且波長很短，

26、只有幾厘米，甚至千分之幾毫米，因此與可聽聲波比較，超聲波具有許多奇異特性：傳播特性超聲波的波長很短，通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長大好多倍，因此超聲波的衍射本領(lǐng)很差，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播，超聲波的波長越短，這一特性就越顯著。功率特性當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí)，推動空氣中的微粒往復(fù)振動而對微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在相同強(qiáng)度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的。2.2 超聲波傳感器2.2.1 傳感器的種類及特點(diǎn)一般的障礙識別都采用非接觸式方式來測量被探測物體的空間位置的。非接觸式識別測量的方法很多

27、，所測得距離從納米級到成千上萬公里不等，原理也各不相同。對于導(dǎo)盲系統(tǒng)來說，探測的距離一般為幾十厘米到幾米之間，根據(jù)不同的探測原理，所用的傳感器有以下兩種14：（1）紅外和光電傳感器這類測距傳感器是依靠紅外線或是其它不可見光的直線傳播特性。通過光敏元件來發(fā)射和接收信號，從而判斷障礙物的存在與否。由于光線的傳播速度極快，通常難以通過簡單的裝置估算其傳播距離，因此在簡單、低成本的應(yīng)用中，這類傳感器也是主要用于狀態(tài)的判斷（障礙物的有無、物料是否到位、液面是否過高等）而無法實(shí)現(xiàn)對距離的實(shí)時(shí)測量。（2）超聲波傳感器超聲和可聞聲在本質(zhì)上是一致的，它們都是一種機(jī)械振動，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)傳播，是一種

28、能量的傳播形式，都能在媒質(zhì)中發(fā)生反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，其不同點(diǎn)是超聲頻率高，波長短。由于聲音在空氣中傳播時(shí)，推動空氣中的微粒往復(fù)振動而對微粒做功，而且在相同強(qiáng)度下聲音的頻率越高做功也越多，因此與一般的聲波相比，超聲波的功率要大得多。同時(shí)超聲波的波長非常短，通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長大好多倍，因此超聲波的衍射特性也很差，在均勻介質(zhì)中能夠沿直線定向的傳播15。超聲的這些特特性被廣泛的應(yīng)用于超聲波探傷、測距以及超聲成像技術(shù)中。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的用于產(chǎn)生和接收超聲波的器件，它既能夠把其他形式的能轉(zhuǎn)化為所需頻率的超聲能又能夠把超聲能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。采用超聲波

29、傳感器有以下幾個(gè)方面的好處：（1）測量方式原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)。（2）測量的精度高（3）超聲波傳感器有一定的覆蓋性，可以用較少的傳感器數(shù)量覆蓋較大的測量范圍。2.2.2 超聲波傳感器的選取超聲換能器按照發(fā)射與接收是否同體可分為收發(fā)同體與收發(fā)分體式兩種16 17。其中收發(fā)一體式就是發(fā)送器和接受器為一體的傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接受超聲波；收發(fā)分體式是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接受器用作接受超聲波。為了操作的簡便，本文超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)選用的是TCF40-18TR1型傳感器。這是一款壓電陶瓷式收發(fā)同體超聲波傳感器。其中心頻率為40KHz，發(fā)射聲壓在10V，0dB=0.02m/Pa的條件下95dB；接收靈

30、敏度在40KHz中心頻率，0dB=10V/pa的條件下-65dB；靜電容量為1260pF2340pF；探測距離為0.23m；-6dB下的指向角為60o。其發(fā)射聲壓方位特性圖如圖2-1所示18。圖2-1發(fā)射聲壓方位特性圖2.3 超聲波測距的應(yīng)用利用超聲波來實(shí)現(xiàn)定位是蝙蝠等生物作為防御和捕捉獵物的手段，生物體可以發(fā)射出人們不能聽到的超聲波（20KHz以上的聲波），借助空氣或其它介質(zhì)傳播。通過捕捉障礙物反射回來的時(shí)間間隔長短和反射回來的信號強(qiáng)弱來判斷反射物的類型及距離的遠(yuǎn)近。超聲學(xué)是近年來發(fā)展十分迅速的一門技術(shù)，人們采用仿真技能，利用超聲波，已應(yīng)用在很多方面。超聲技術(shù)可分為檢測超聲和功率超聲，作為檢

31、測用的超聲波顯然屬于檢測超聲的范疇。檢測超聲主要是利用超聲的信息載體作用，即通過超聲在媒質(zhì)中的傳播、吸收、散射、波形轉(zhuǎn)換等，提取反映媒質(zhì)本身特性或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，達(dá)到檢測媒質(zhì)性質(zhì)、物體形狀或幾何尺寸、內(nèi)部缺陷或結(jié)構(gòu)的目的。利用超聲對目標(biāo)進(jìn)行檢測有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：超聲波在傳播時(shí)，方向性強(qiáng)，能量易于集中，幾乎沿直線傳播；超聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離；超聲波對色彩、光照度不敏感，對外界光線和電磁干擾不敏感，可以用于黑暗、有煙霧或灰塵、電磁干擾強(qiáng)等惡劣的環(huán)境中；超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，費(fèi)用低，信息處理簡單可靠，易于小型化和集成化。正因?yàn)槌暡ㄓ兄@些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在國民經(jīng)濟(jì)和國

32、防中越來越被人們所重視。目前，超聲波已廣泛應(yīng)用在民用及國防工業(yè)中。例如，用超聲波可以探測海洋潛艇的位置、魚群以及確定海底暗礁等障礙物形狀及位置；利用超聲波傳播的時(shí)間確定物體的長度以及超聲波在固體里遇到障礙物的反射來確定物體內(nèi)部損傷的位置，稱之為無損探傷；利用超聲波測距輔助機(jī)器人確定自身位置，從而準(zhǔn)確避開障礙物，按照預(yù)先規(guī)劃好的行進(jìn)方向來完成預(yù)定任務(wù)。另外還有應(yīng)用于礦井探測、液面探測、物位的測量、汽車報(bào)警等領(lǐng)域。超聲波測距主要是利用超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)表現(xiàn)出來良好的性質(zhì)進(jìn)行距離測量的，與軍事、大型工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用的微波雷達(dá)測距、激光測距等技術(shù)相比，這種檢測技術(shù)難度相對較小，成本比較低廉，不易受環(huán)

33、境的限制，應(yīng)用起來比較方便、迅速、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能夠達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此超聲波測距技術(shù)得以廣泛的推廣和應(yīng)用。2.4 超聲波測距的發(fā)展概況超聲波測距雖然被大量應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，但他在低信噪比下測距精度較低，多個(gè)超聲波測距條件下會產(chǎn)生相互影響，另外測距的盲區(qū)較大，這些固有的特點(diǎn)也限制其進(jìn)一步廣泛應(yīng)用。在目前使用的超聲測距技術(shù)中，應(yīng)用最多的是Pellam 和Galt于1946年提出的脈沖回波檢測法，其原理是通過超聲傳感器發(fā)射超聲波，并接收從被測目標(biāo)反射回來的回波信號，確定超聲脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間，然后再根據(jù)超聲波傳播的速度，計(jì)算出超聲波傳感器與被測物體之間的距

34、離。為了提高超聲波位移檢測的精度，國外在這方面做了大量的研究，國內(nèi)的一些學(xué)者也做了相關(guān)的研究。廈門大學(xué)的童峰研究了一種回波輪廓分析法。提出在超聲測距系統(tǒng)中，測距誤差也即聲脈沖傳輸時(shí)間的測量誤差，實(shí)際上是對測距脈沖回波前沿的檢測誤差。根據(jù)聲波的發(fā)射，反射及傳輸理論推出了測距回波包絡(luò)曲線的近似方程，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這個(gè)方程，據(jù)此提出了一種高精度超聲波測距的信號處理方法，通過這樣處理后超聲波的傳輸時(shí)間的精度得到了很大提高。中國科學(xué)院上海聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室的王潤田提出，超聲波頻率高，衰減系數(shù)大，傳播的距離短，因此用來測距的超聲波頻率不能太高；但另一方面頻率低，波長就長，測距的誤差就增大，實(shí)際上測量精度與測距范圍

35、是矛盾的。為了在一個(gè)較遠(yuǎn)距離的范圍內(nèi)提高測距的精度，王潤田提出，在測距時(shí)同時(shí)發(fā)射兩個(gè)頻率的超聲波，頻率較高的進(jìn)行近距離的測量，頻率較低的進(jìn)行遠(yuǎn)距離的測量，這樣就實(shí)現(xiàn)了在較遠(yuǎn)范圍內(nèi)提高測距精度。東南大學(xué)無線電工程系研究了窄帶超聲傳感器對測距精度的影響，采用了基于橫向?yàn)V波器的解卷積的處理方法使接收信號的帶寬得到了擴(kuò)展，并利用最小均方誤差算法構(gòu)造了解卷積濾波器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種處理方法有效提高了系統(tǒng)的測距精度。意大利的Carullo等人提出了一種自適應(yīng)系統(tǒng)，采用特殊的發(fā)射波形使獲得的回波包絡(luò)比較理想，同時(shí)估測環(huán)境對噪聲的影響，設(shè)置一定的回波閾值電平，且采用自動增益的控制放大器，通過這些措施來提高超

36、聲波的測量精度。日本三菱電氣公司的Tomonori等人采用兩種的發(fā)射頻率來發(fā)射超聲波，通過比較兩種回波的相位來決定回波的起點(diǎn)，也提高了傳播時(shí)間的精度，從而提高了超聲波的測距精度。另外也有大量的文獻(xiàn)資料介紹了采用小波變換理論來提高傳輸時(shí)間的精度和數(shù)字信號處理技術(shù)，這些處理方法對于提到測距精度都有較好的效果。2.5 超聲檢測的原理和方法超聲檢測與超聲測距所用的方法類似。超聲測距的方法有相位檢測法、聲波幅值檢測法和往返時(shí)間檢測法等。其中相位檢測法精度高，但是監(jiān)測范圍有限，聲波幅值檢測法易受反射波的影響，采用最多的是往返時(shí)間檢測法。往返時(shí)間檢測法的基本原理在聲速已知的情況下通過測量發(fā)送信號與接收信號之

37、間的時(shí)間差來計(jì)算障礙物的距離，原理圖如圖2-4所示。具體的說就是當(dāng)40KHz的電壓脈沖信號由導(dǎo)線輸入傳感器后，由壓電陶瓷晶片將此電信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動，這種機(jī)械振動通過空氣向外發(fā)送出去，發(fā)送出的超聲信號向空中各方向沿直線傳播，遇到障礙物反射回來。傳感器在接收到反射回來的回波信號后再次將機(jī)械振動轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕牟▌印４藭r(shí)得到的電壓脈沖信號非常的微弱，經(jīng)過后極的放大電路等的處理后被采集處理。圖2-2超聲波測距原理圖2.6 超聲波測距的基本原理距是一種非接觸式的檢測技術(shù)。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光線、灰塵、煙霧、電磁干擾，惡劣環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。而且超聲波測距系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、

38、體積小、信號處理可靠等特點(diǎn)。因此超聲波作為非接觸測量手段，越來越引起人們的重視。超聲波傳感器發(fā)出超聲波，在介質(zhì)中傳播遇到障礙物反射后再通過介質(zhì)返回到接收探頭，測出超聲波從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，然后根據(jù)介質(zhì)中的聲速，就能算得從探頭到障礙物的距離。根據(jù)所用探頭的工作方式，可分為自發(fā)自收單探頭方式和一發(fā)一收雙探頭方式。單探頭方式就是探頭發(fā)出的超聲波在介質(zhì)中傳播，遇到障礙物反射后返回至同一探頭而被接收。如圖2-3所示，探頭到障礙物的距離為S，測距表達(dá)式為： （2-1）式中：S為所測障礙物的距離，c為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，t為超聲波從發(fā)送到接收所經(jīng)過的時(shí)間。從上式可看出，只要已知聲速c，就可以靠準(zhǔn)確

39、測量時(shí)間t的方法來精確測量距離S。圖2-3 單探頭測距原理圖雙探頭方式是一個(gè)探頭只負(fù)責(zé)發(fā)射超聲波，另一個(gè)探頭只負(fù)責(zé)接受反射回來的超聲波。如圖2-2所示，H 為兩個(gè)探頭之間的距離，聲速從探頭至障礙物的路徑為D，而探頭至障礙物的距離為S，則： （2-2） （2-3）式中：D為聲速從探頭至障礙物的路徑，c為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，t為超聲波從發(fā)送到接收所經(jīng)過的時(shí)間，S為探頭至障礙物的距離，H為兩個(gè)探頭之間的距離。圖2-4雙探頭反射式測距示意圖在應(yīng)用中一般發(fā)射探頭與接收探頭之間的距離很近，當(dāng)探頭與障礙物的距離較遠(yuǎn)時(shí)，D與2S相差很小，可以忽略不計(jì)，即所求的D就為所測探頭與障礙物之間的距離。一般來說，

40、單探頭自發(fā)自收的工作方式是優(yōu)先考慮采用的方式，這是因?yàn)椋旱谝?，單探頭方式中計(jì)算距離的公式比較簡單，而雙探頭方式的計(jì)算公式中都須進(jìn)行一些修正；第二，探頭多了，占地就多，所用的接插件和電纜等附件的數(shù)量都增多，出現(xiàn)故障的可能性也相應(yīng)增大。從經(jīng)濟(jì)、安裝和維修等各個(gè)角度來看，都較不利。2.7 測量精度的問題2.7.1 影響測量精度的因素在測距公式中，聲波在介質(zhì)中的傳播速度c是一個(gè)受多種因素影響的變量，聲時(shí)t是由計(jì)時(shí)電路測量得到的，并隨著被測距離的改變而變化的，對式(2.1)兩邊微分得到 （2-4）式(2-4)說明，超聲波測距系統(tǒng)的測量精度是由聲時(shí)和聲速兩個(gè)參數(shù)決定的。1聲時(shí)的影響修正在影響聲時(shí)精度的諸多

41、因素中，計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率和超聲波的發(fā)射頻率有是兩個(gè)重要因素。(1) 計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率取為常數(shù)，則（2-4）為： (2-5)假設(shè)計(jì)時(shí)頻率為，則(2-4)為 (2-6)(2-6)表明：計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率越大，測試精度越高。(2) 超聲波頻率超聲波傳感器收到回波信號后轉(zhuǎn)換為電信號輸出，電信號（接收信號）的幅值隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖3-2所示。如果將觸發(fā)計(jì)時(shí)電路的閥值設(shè)為A點(diǎn)所在的水平電信號，那么，計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)時(shí)間比接收信號的開始時(shí)間滯后了2個(gè)周期，在測量距離時(shí)將產(chǎn)生1個(gè)波長的誤差，即： （2-7）式中：T為超聲波的周期，為測量距離內(nèi)將產(chǎn)生的誤差圖2-5 接收信號示意圖所以，超聲波頻率越大，周期就

42、越小，傳感器的測量精度越高。并且超聲波頻率高，繞射能力弱，擴(kuò)散角小，波束細(xì)，則盲區(qū)比較小。但在選用超聲波換能器時(shí)，還應(yīng)考慮到超聲波換能器的頻率越大，傳播過程中的衰減系數(shù)越大，將影響它的有效測試距離。本系統(tǒng)屬于近距離測量，因此選用頻率較高的125KHz 超聲波。式(2-1)明：超聲波測距系統(tǒng)在測量距離時(shí)，必須知道超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，才能根據(jù)計(jì)時(shí)值中求出所測物體的距離。超聲波的傳播速度是一個(gè)變量，受多種因素影響，即使在傳播介質(zhì)確定的情況下，介質(zhì)溫度、壓力、風(fēng)力等因素的改變，也將影響超聲波的傳播速度。所以，在超聲波測距系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，很難得到一個(gè)穩(wěn)定不變的超聲波速度，因此必須對超聲波的速度進(jìn)

43、行實(shí)時(shí)校正。對于在大氣中傳播的聲波而言，引起聲速變化的主要原因是溫度的變化。(1) 溫度傳感器校正如果傳播介質(zhì)比較穩(wěn)定，而且溫度是影響傳播速度的最主要因素，那么就可以采用溫度傳感器對超聲波速度進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。校正方法：通過試驗(yàn)確定在傳播介質(zhì)中超聲波速度與溫度之間的關(guān)系曲線，按照一定的溫度間隔得到一個(gè)溫度與速度的關(guān)系表格，最后將溫度與速度的關(guān)系表存入超聲波測距系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)。在實(shí)時(shí)測距時(shí)，系統(tǒng)通過溫度傳感器獲得介質(zhì)的實(shí)時(shí)溫度，然后從速度與溫度關(guān)系表格中取出對應(yīng)速度，（如下表2.5所示數(shù)據(jù)）從而清除溫度對超聲波的影響，則求出實(shí)際測試距離。表2.5 超聲波的傳播速度與溫度關(guān)系溫度/-30-20-100

44、102030100聲速m/s3133193253333383443503882.8 提高測量精度的措施針對上述測量精度的影響因素，采取如下措施可以提高超聲波測距傳感器的測量精度。1. 提高計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率如果選擇1 MHz脈沖頻率，則計(jì)時(shí)頻率周期可達(dá)到，如果，則測試精度為：?？梢姡绻岣哂?jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率，則精度會提高。2. 提高超聲波換能器的固有頻率如果超聲波的固有頻率為40 KHz，并假設(shè)接收信號滯后兩個(gè)周期，則式(2.7)得測試誤差為：。如果超聲波的固有頻率為125KHz，則測試誤差將縮小3.125倍。3. 超聲波的傳播速度與溫度關(guān)系根據(jù)當(dāng)時(shí)的溫度情況，對照超聲波的傳播速度與溫度關(guān)系

45、，采用適合的聲速來進(jìn)行計(jì)算。3 超聲波導(dǎo)盲手杖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 總體實(shí)現(xiàn)的功能3.1.1 障礙物檢測這是本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的一個(gè)最主要的功能，目的是能夠?qū)γと酥車慕ㄖ?、凸起、溝壑等障礙物進(jìn)行自動判斷和定位。同時(shí)對回波信號運(yùn)用一定的數(shù)字信號處理技術(shù)進(jìn)行分析以便反映出障礙物的性質(zhì)。3.1.2 超聲測距該部分是利用超聲波在空氣中傳播時(shí)遇到障礙物返回的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)測量距離的目的。根據(jù)超聲波從發(fā)射到接收到回波的時(shí)間以及此時(shí)的聲速就可以計(jì)算出障礙物的距離。由于超聲在空氣中傳播有衰減，加上環(huán)境以及電路本身的噪聲干擾，測量距離有一定的上限，超過上限距離的障礙物的回波將無法檢測到；同時(shí)由于發(fā)射超聲波對接收超探頭的影響

46、，測量距離存在下限，低于下限距離的障礙物回波將無法與干擾信號區(qū)別開。系統(tǒng)測量的就是介于上限與下限距離范圍的障礙物信息。3.1.3 實(shí)時(shí)顯示檢測結(jié)果當(dāng)檢測到障礙物時(shí)，系統(tǒng)會發(fā)出告警信號。3.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)該系統(tǒng)由單片機(jī)、超聲波發(fā)射接收電路、液晶顯示電路及語音模塊等組成，控制核心為單片機(jī)。單片機(jī)在接收到傳感器的信息后，將傳感器的信號轉(zhuǎn)換為距離信息，通過語音播報(bào)或振動提示。系統(tǒng)工作原理方框示意圖如圖3-1所示。調(diào)試功能測試鬧鐘及播報(bào)時(shí)間超聲波換能器單片機(jī)語音報(bào)警功能電機(jī)振動控制圖3-1系統(tǒng)工作原理方框示意圖整個(gè)系統(tǒng)包括以下幾個(gè)模塊：（1）CPU模塊（2）超聲發(fā)射模塊該模塊包括產(chǎn)生超聲激勵(lì)脈沖的發(fā)射

47、電路和超聲探頭，由單片機(jī)控制產(chǎn)生激勵(lì)脈沖激勵(lì)探頭發(fā)射超聲波。（3）回波信號接收模塊該模塊由前置比例放大電路、程控放大電路和濾波電路四部分構(gòu)成?；夭ㄐ盘柦?jīng)超聲波傳感器接收后轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)放大和濾波使信號的幅度和信噪比達(dá)到一定程度，滿足信號處理的要求。（4）電源模塊該模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電。（5）顯示模塊該模塊主要用來鬧鐘的設(shè)定。3.3 系統(tǒng)總體分析3.3.1 CPU的選型單片機(jī)在控制領(lǐng)域中，具有很多優(yōu)點(diǎn)，它體積小，成本低，運(yùn)用靈活，易于產(chǎn)品化，它能方便的組成各種智能化的控制設(shè)備；面向控制，能針對性的解決從簡單到復(fù)雜的各種控制任務(wù)，而能獲得最佳的性能價(jià)格比；它抗干擾能力強(qiáng)，適用范圍寬，在各種惡劣的

48、環(huán)境下都因能可靠的工作，這是其它類型計(jì)算機(jī)無法比擬的；此外，可以方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制，使整個(gè)控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高，所以我們可以利用單片機(jī)與超聲波技術(shù)的的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)測距?；趩纹瑱C(jī)的超聲波測距系統(tǒng)易實(shí)現(xiàn)，成本低，精確度高，并且容易做到實(shí)時(shí)控制，具備較強(qiáng)的實(shí)用性。本系統(tǒng)中，單片機(jī)模塊由AT89S52單片機(jī)及其外圍電路組成，是整個(gè)超聲波測距儀的核心電路。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上F

49、lash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單

50、片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。圖3-2引腳結(jié)構(gòu)圖(1) 時(shí)鐘電路在本系統(tǒng)中的時(shí)鐘電路我們才用外部時(shí)鐘，如圖3-3所示：圖 3-3 晶振電路(2) 復(fù)位電路復(fù)位電路的目：在需要的時(shí)候，單片機(jī)復(fù)位，保證正常的工作循環(huán)，如圖3-4所示。圖3-4 復(fù)位電路3.3.2 超聲波發(fā)射電路發(fā)射電路部分主要包括超聲波信號產(chǎn)生、超聲傳感器功率驅(qū)動。超聲波的發(fā)射頻率主要是由C8051F040單片機(jī)產(chǎn)生。功率驅(qū)動電路功能是用來對超聲波換能器進(jìn)行功率驅(qū)動，經(jīng)過驅(qū)動放大達(dá)到足夠功率之后，推動超聲波換能器產(chǎn)生超聲波。圖3-5 超聲波傳感器驅(qū)動電路原理圖 3.3.3 超聲波接收電路超聲波會隨著傳播

51、距離的增加而衰減，經(jīng)過目標(biāo)反射回來的超聲波的回波信號弱，在距離較遠(yuǎn)的情況下只達(dá)毫伏級，甚至微伏。因此為了加大超聲波測距系統(tǒng)的量程范圍，需加以驅(qū)動電路。根據(jù)電路需求，接收電路的功能是將接收到的微弱信號放大并進(jìn)行濾波整形。接收電路部分主要包括限幅保護(hù)電路、帶通濾波電路、比較放大電路三部分電路構(gòu)成。1 限幅保護(hù)電路因?yàn)榇颂綔y系統(tǒng)驅(qū)動電壓較高，為了防止放大器過載，限制高電平振幅，同時(shí)也可以消除寄生調(diào)幅干擾，因此有必要對回波信號先進(jìn)行限幅保護(hù)。本系統(tǒng)采用一對穩(wěn)壓二極管IN4148構(gòu)成雙向限幅保護(hù)電路。圖3-6 限幅保護(hù)電路2 帶通濾波電路超聲波回波信號非常弱，一般為幾個(gè)毫伏，并且會接收到干擾信號，因此信

52、號濾波電路是回波接收的關(guān)鍵電路。本文采用單個(gè)集成運(yùn)放構(gòu)成二階有源帶通濾波電路，由運(yùn)算放大器LM837和RC阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的，如圖所示，其輸出與輸入同相。當(dāng)R1=R3=R4=R，R2=2R，C1=C2=C時(shí)，濾波器的諧振頻率為： (3-1)品質(zhì)因數(shù)為： (3-2)諧振增益為： (3-3)LM837RfRR1R2R3C1C2輸入輸出圖3-7 帶通濾波電路在本系統(tǒng)中發(fā)射頻率為125khz，品質(zhì)因數(shù)值越大，頻帶越窄，選頻特性越好，但是值取得過大，會使輸入信號嚴(yán)重衰減，綜合考慮后取=4，則可先選定電容=80pF，由以上三式得：R1=R3=R4=16， R2=32， =28，諧振增益=11。3 回波放大電路

53、采用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大電路具有放大倍數(shù)高，輸入電阻高，輸出電阻低的特點(diǎn)，是一種直接耦合式放大電路。這種電路比較簡單，放大倍數(shù)容易調(diào)整。圖3-8 接收電路原理圖本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選擇了各項(xiàng)性能優(yōu)越的LM387作為放大器，能充分滿足放大的要求，可雙電源供電，本系統(tǒng)考慮到電源的問題，采用單電源供電，因此設(shè)計(jì)了電壓跟隨器提供4V的基準(zhǔn)電壓，可以有效防止干擾。由于回波信號非常弱，一般為毫伏級，因此由LM387構(gòu)成了三級放大電路，每一級放大10倍，共放大1000倍左右，完全能夠滿足要求，并且三級放大可選，可以根據(jù)測距的遠(yuǎn)近選擇合適的放大倍數(shù)。 3.3.4 告警模塊設(shè)計(jì)考慮到產(chǎn)品的使用人群為盲人，因此采用的

54、是振動或語音告警形式。ISD1420語音錄放電路（1）ISD1420芯片特點(diǎn)：使用方便的單片 8 至 20 秒語音錄放高質(zhì)量、自然的語音還原技術(shù)邊沿/電平觸發(fā)放音自動節(jié)電，維持電流 0.5uA不耗電信息保存 100 年(典型值)100,000 次錄音周期（典型值）多段信息處理，可分 1 至 80/160 段片內(nèi)免調(diào)整時(shí)鐘，可選用外部時(shí)鐘無需開發(fā)系統(tǒng)5V 單電源工作（2） 語音電路圖3.4 超聲波導(dǎo)盲手杖的軟件設(shè)計(jì)在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲測距的基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是針對系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。3.4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理1.單片機(jī)C語言C語言是一種結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)語言，它的特點(diǎn)就是可以盡量減少你對硬件進(jìn)行操作，具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性、功能性和可移植性，常常被用來作為單片機(jī)系統(tǒng)的編程語言。但是用于單片機(jī)的C語言和標(biāo)準(zhǔn)C語言區(qū)別很大。如何結(jié)合單片機(jī)的系統(tǒng)資源，用C語言開發(fā)符合實(shí)際工程需要的單片機(jī)系統(tǒng)，對編程者來說具有十分重要的意義。用C編寫程序比匯編更符合人們的思考習(xí)慣，開發(fā)者可以擺脫與硬件無必要的接觸，更專心的考慮功能和