基于单片机的盲人避障装置的设计

摘要：针对盲人行走过程中无法了解到前方是否存在障碍物的问题，本文设计了一种新型的基于单片机控制的盲人避障装置，且该装置带有语音提醒功能。本方案通过超声波发送接收来检测前方一段距离内是否有障碍物存在，若有，则语音提醒模块发出提醒信息。本文是在基于单片机控制的超声波测距原理的基础上，配以比较电路，来确定目标范围内障碍物的存在，相关部分附有硬件电路图、程序流程图。此装置简单实用且便携，设计在很大程度上解决了盲人行走中的安全问题。

关键词：单片机；超声波；语音提醒

中图分类号：TP368.1文献标识码：Adoi: 10.3969/j.issn.1003-6970.2011.03.031

Obstacle-Avoidance Device Design based on Single Chip for the Blind

LIU Yan-xia, GU Lin-zhu

(School of Information and Electrical Engineering.CUMT, Xuzhou 221116, China)

【Abstract】 In view of the problem that the blind can’t understand whether there are obstacles in front during walking, a new obstacle-avoidance device was designed, which is based on single-chip. In addition, it has the function of voice-reminding. It detects whether there exist obstacles within a distance in front by means of ultrasonic-sending and ultrasonic-receiving. If having, voice-reminding module will issue information to remind the blind. On the basis of the principle of ultrasonic distance measurement, this design added the comparison circuit to ascertain the existence of obstruction in the target range. In the paper, relevant hardware circuit diagram and program flow chart are introduced in detail. This device is simple, utility and portable. To a large extent, it solved the security problems during the blind’s walking, which is of practical significance.

【Key words】single-chip; ultrasonic; voice-reminding

0引言

在我们日常生活中，盲人的生活有诸多不便，其中一个就是盲人在行走过程中，无法了解到前方是否有障碍物存在，难免出现撞到障碍物的情况。以往的设计中常使用红外线探测障碍物的存在与否，但是在实际应用中，红外干扰源较多；而且在有反射光的情况下，由于光线的干扰，很容易判断失误，出现虚警。因此，有些设备在发射信号时，改进为发送一串连续的红外脉冲，然后接收反射的信号。如果接收到的红外脉冲数量超过某一门限值时，就判断障碍存在。这种方法尽管在一定程度上可以降低虚警率，但实验表明，在较强的反射光和使用电子镇流器方式的日光灯起辉时，仍很容易出现干扰现象。

为了避免使用红外线自动感知障碍设备时出现的接收设备本身主动发送信号的干扰问题，本文致力于设计一种形如耳机的简易便携装置，盲人在行走时把此装置戴在头上，该装置能够实时探测前方一段距离内是否有障碍物存在，并由语音系统发出语音提醒，可以有效地避免盲人撞到障碍物而受伤的情况发生。

1总体方案设计

探测的基本原理是：在测量范围内，由超声波发射电路向探测方向发射超声波信号，如果存在障碍物，就会把发射的信号反射回发送端。在发送端，如果收到反射回来的信号，就确认障碍物的存在。由于本设计的目的是检测短距离内（5 米）障碍物的存在，因此加入比较电路，在比较电路设定的时间内若接收端接收到反射回来的超声波，则启动语音提醒模块。

本设计是在单片机控制的超声波测距原理的基础上[1,2]，配以比较电路，得出目标范围内是否有障碍物的存在。障碍物探测原理框图如图1：

图1探测障碍原理框图

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20kHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，结合不同的电路，可以制成超声波仪器及装置，在通讯、医疗及家电中获得广泛应用。作为超声波传感器的材料，主要为压电晶体。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，故它分为发送器和接收器。超声波传感器有透射型、反射型两种类型，常用于报警器、接近开关、测距及材料探伤、测厚等。

本设计采用T/R-40-12小型超声波传感器作为探测前方障碍物体的检测元件，其中心频率为40Hz，由80C51发出的40KHz脉冲信号驱动超声波传感器发送器发出40KHz的脉冲超声波，如前方遇到有障碍物时，此超声波信号被障碍物反射回来，由接收器接收，经LM318两级放大，再经带有锁相环的音频解码芯片LM567解码，当LM567的输入信号大于25mV时，输出端由高电平变为低电平，送80C51单片机处理。[3]

2系统硬件设计

超声波检测障碍是一种非接触式的测量物体间距离的方法。通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波时间来计算运动物体与障碍物间的距离。对距离的测定通常采用渡越时间法，即利用超声波探头向某一方向发射出超声波，在发射的同时开始计时，当超声波在介质中碰到被测物体，就会发生反射，探头接收到反射波后立即停止计时，从而计算出发射和接收回波的时间差Δt，继而根据超声波在介质中的传播速度C，计算出发射点到被测物之间的距离d=C×Δt/2。本设计是根据目标距离（5米内）反算出时间，把这个时间设为比较电路的比较参数。

2.1超声波发射电路

本系统采用了一种基于直接数字合成 (DDS-direct Digital Frequency Synthesis)技术的超声波发射电路。超声波信号发射电路原理图如图2 所示。整个电路以单片机 C8051F020 为控制核心, 用并行输入的方式实现 AD9850 控制字的写入，并为其提供时钟脉冲。AD9850的输入时钟采用 11MHz 的晶振，系统的分辨率为 0.0186Hz，频率范围可以从几 Hz 到几 MHz，但是整个系统的输出频率范围由后级功率放大电路中的一些时间常数决定。将单片机的 I/O口P0连接到 AD9850的并行输入口，P6.6和 P6.7联合控制单片机AD9850的输入输出。AD9850 控制字写完之后, 便输出相应频率的方波信号 QOUT。[4]

图 2直接数字合成技术的超声波发射电路

2.2超声波接收电路

超声波接收电路如图4所示。它由超声波接收换能器、运算放大器、选频电路及多路选通开关等部分组成。由于回波在接收传感器经压电效应产生的电压信号是mV级，所以接收到的回波信号必须经放大电路放大后才能由下一级的选频检测电路处理。放大电路采用MC33202D集成运算放大器，第一级放大100倍，第二级放大10倍。选频电路由音频译码器LM567CN实现，其5、6脚外接的电阻和电容决定了内部振荡器的中心频率f0，f0≈1/(1.1R1C1) 。当Input端接收到的信号中有接近LM567设定的频率且具有一定幅值的回波时，LM567的输出引脚OUTPUT由高电平变为低电平，此低电平信号被连接到STC12C5412AD单片机的INT0引脚触发中断。STC12C5412AD单片机在发射超声波时启动定时器，在中断产生时关闭定时器，从而得到超声波传播的时间Δt，计算人与障碍物的距离。

超声波接收电路如图3所示：

3系统软件设计

系统软件由主程序、超声波发送子程序、中断子程序、超声波接收子程序、延时子程序、语音子程序等组成。主程序和超声波子程序的流程图分别如图4和图5所示。主程序首先在上电复位后，完成单片机及其功能模块的初始化，接着启动超声波的发射，在超声波发射过程中，屏蔽接收电路向单片机输入信号。同时，使能定时器T1开始计时。超声波每次发射10个周期的信号，耗时为250μs。由于超声波在发射过程中会产生余波，同时超声波发射电路与接收电路相距较近，所以发射时会有部分余波未经反射直接绕射到超声波接收器上，引起系统误差。为了避免误差，采用延迟接收的方法，在超声波发射完1ms后开放接收电路，并使能外部中断，调用延时程序，等待超声波回波。若有回波，则引起中断，调用中断服务程序，读取T1计数值，经处理后，计算出接收回波所需的时间，送比较电路，同时把计算时间送至避障子程序入口，产生相应的避障指令，提醒盲人同志根据情况避障。

部分程序代码如下[5]：

WORK:PUSHACC

PUSHPSW

PUSHB

MOV PSW,#18H

MOV R3,45H

MOV R2,44H

MOV R1,00D

MOV R0,17D

LCALL MUL2BY2

MOV R3,#03H

MOV R2,0E8H

LCALL DIV4BY2

LCALL DIV4BY2

MOV 40H,R4

MOV A,40H

JNZ J0

MOV 40H,#0AH

J0: MOV A, R0

MOV R4,A

MOV A, R1

MOV R5,A

MOV R3,00D

MOV R2, #100D

LCALL DIV4BY2

MOV 41H,R4

MOV A,41H

JNZ J1

MOV A,40H

SUBBA,#0AH

JNZ J1

MOV 41H,#0AH

J1:MOV A,R0

MOV R4,A

MOV A,R1

MOV R5,A

MOV R3,#00D

MOV R2,10D

LCALL DIV4BY2

MOV 42H,R4

JNZ J2

MOV A,41H

SUBB A,#0AH

JNZ J2

MOV 42H,#0AH

J2:MOV 43H,R0

POP B

POP PSW

POP ACC

RET

4结语

以往的设计中常使用红外线探测障碍物的存在与否[6]，但是在实际应用中，红外干扰源较多，而且在有反射光的情况下，由于光线的干扰，很容易判断失误造成虚警的现象。而本文采用超声波探测就有效地避免了上述方法的不足，具有价格合理，夜间测量不受影响，易于多目标测量和分类，分辨率好。另外本设计在编制系统软件时，考虑到超声波测距过程的“盲区”问题，在虚假反射波到来之前这段时间内禁止接收中断的发生，避开了虚假反射波带来的干扰。本文设计的装置简单便携，具有实用价值。

参考文献

[1] 戴佳,戴卫恒.51单片机应用程序设计实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2007：255-157.

[2] 阮成功,蓝兆辉,陈硕.基于单片机的超声波测距系统[J].应用科技,2004,31(7): 22~24.

[3] YU Bo, HANG Zhanlong, HAO Xiwei, etal. Study of ultrasonic transmitting system based on DDS[J].Chongqing Technol Business Univ(Nat Sci ED), 2005,22(5):2-3.

[4] 魏海明,杨兴瑶.实用电子电路500例[M].北京:化学工业出版社，1996：127-128.

[5] 胡伟，季晓恒.单片机程序设计及应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2003：234-236.

[6] 王俊峰，孟令启.现代传感器应用技术[M].北京：机械工业出版社，2009：53-55.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文