基于超声波技术的导盲杖设计论文龙剑凤娟伟钦邹东江强进指导老师：谭永宏（科技学院电子工程系）摘要：由于电子技术和压电材料的快速发展，使超声波检测技术得到了迅猛发展。
利用超声波指向性强、能量消耗缓慢的特点，通过发射具有特征频率的超声波实现对目标的探测便是超声检测技术的应用之一。
本文利用超声波障碍检测技术设计了一款导盲杖，该导盲杖能自动检测前方3米围障碍物，采用语音和振动两种方式有效提示盲人避障。
本设计是一种基于超声波测距技术，以STC89C52单片机为核心的低成本、高精度智能导盲杖。
整个系统包括主控制器、超声波发射器、超声波接收器、温度补偿模块、语音播报模块、电源、开关、拐杖把和拐杖体。
在拐杖体和拐杖把对接处制有便于握杖手按动的电源开关，拐杖体采用刚性材料制成腔为空体式，腔中安装有控制电路板、电源及超声波发射与接收器件；在拐杖体下端、中间、顶端与拐杖把拐向相对应方向装有上、下排列的超声波发射器与接收器共3对。
在拐杖把下端有一语音播报模块。
本系统能够感应到使用者前方3米脸部，腿部高度处的障碍物，并通过震动手柄，及语音播报通知使用者，以保障盲人的行路安全。
【关键词】导盲杖超声波测距技术语音播报STC89C52一引言随着信息化和数字化的发展,现在社会中人们的生活变得更加丰富多彩,生活更加便利。
但是有一种人群却不容忽视,社会上形形色色、丰富多彩的物是与他们无缘的,他们就是盲人。
众所周知眼晴是“心灵之窗”,而对于突然失去或从未拥有过“心灵之窗”的盲人来说,生活上的困难与心理上的痛苦是可想而知的。
他们的衣食住行存在诸多不便,而在出行与人际交往中遇到的困难更加突出。
目前，市场上的导盲工具主要是导盲犬,导盲犬习惯于颈圈、导盲牵引带和其他配件的约束；懂得“来”、“前进”、“停止”等口令，可以带领盲人安全地走路，当遇到障碍和需要拐弯时，会引导主人停下以免发生危险。
但是,导盲犬的培训过程长达18 个月,综合费用达2.5～3万美元,如此昂贵的价格不是普通用户能承担的,所以设计一款基于超声波技术的导盲杖。
本设计基于超声波测距技术，超声波作为一种频率超过20KHZ 的机械波, 其指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远。
此外，与其他测距方法相比，如电磁或光学的方法，超声波测距不受光线、被测对象颜色等影响。
对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、等恶劣的环境下有一定的适应能力。
此外，超声波传感器还具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点，检测比较迅速、方便，计算简单，易于做到实时控制。
因此，基于超声波技术的导盲杖对环境的适应能力较强，稳定性较高，性价比高，给盲人的行路安全提供了必要保障。
本系统设计拟解决的关键问题：1、大角度围的高精度超声波测距处理方法。
2、提高移动式超声波测距系统测距精度的方法。
3、语音播报模块。
1.1系统总体功能概述1.1.1 系统原理及框图系统原理描述：系统主要由一个主控制器、三对超声波测距模块和一个语音报警模块及振动模块组成。
系统工作时三对超声波测距模块对三个不同方向的障碍物距离进行巡回检测，再将采集到的信息送微处理器处理，微处理器再通过语音模块告知使用者安全的行进方向。
其系统总体框图如图1.1.1所示。
图1.1.1 系统总体框图1.1.2 系统具体方案超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波；另一类是用机械方式产生超声波。
电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
它们所产生的超声波的频率，功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。
目前在近距离测量方面较为常用的是压电式超声波换能器。
根据设计要求并综合各方面因素，本设计决定采用STC89C52单片机作为主控制器，采用压电式超声波换能器，采用ISD1700系列语音芯片进行语音播报。
二硬件系统设计2.1 超声波发射电路超声波发射电路主要由反相器HEF4069UBP和超声波换能器构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反相器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波的发射强度。
输出端采用两个反相器并联，用以提高驱动能力。
上拉电阻R10、R11一方面可以提高反相器HEF4069UBP输出高电平的驱动能力；另一方面可以增强超声波换能器的阻尼效果，以缩短其自由振荡的时间。
压电超声波转换器的功能：利用压电晶体谐振工作。
它有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器；如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。
超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同。
超声波发射电路如图2.1所示。
图2.1 超声波发射电路2.2 超声波接收电路超声波接收模块主要由集成电路CX20106A红外线检波接收的专用芯片组成，芯片引脚说明如下：l脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。
2脚：该脚与GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。
增大电阻R或减小C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。
但C的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R=4.7Ω，C=3.3μF。
3脚：该脚与GND之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μF。
4脚：接地端。
5脚：该脚与电源端VCC接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。
例如，取R=200kΩ时，fn ≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。
6脚：该脚与GND之间接入一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。
7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22kΩ，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会输出低电平。
8脚：电源正极，4.5V～5V。
超声波接收电路如图2.2所示：图2.2 超声波接收电路2.3 语音播报电路本设计语音芯片采用ISD1700系列芯片，ISD1700系列芯片是华邦公司新推出的单片优质语音录放电路，该芯提供多项新功能，包括置专利的多信息管理系统，新信息提示（vAlert）,运作模式（独立&嵌入式），以及可定制的信息操作指示音效。
芯片部含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与等的全方位整合系统功能。
2.3．1 特点1）可录、放音十万次，存储容可以断电保留一百年。
2）两种控制方式，两种录音输入方式，两种放音输出方式。
3）可处理多达255 段以上信息。
4）有丰富多样的工作状态提示。
5）多种采样频率对应多种录放时间。
6）音质好，电压围宽，应用灵活。
2.3．2 电特性1）工作电压：2.4V-5.5V,最高不能超过6V。
2）静态电流：0.5-1μA。
3）工作电流：20mA。
图2.3．2 芯片实物图与引脚图用户可利用震荡电阻来自定芯片的采样频率，从而决定芯片的录放时间和录放音质。
下表为ISD1700 的参数表：表2.3．2 ISD1700参数表2.3．3独立按键工作模式ISD1700的独立按键工作模式录放电路非常简单，而且功能强大。
不仅有录、放功能，还有快进、擦除、音量控制、直通放音和复位等功能。
这些功能仅仅通过按键就可完成。
在按键模式工作时，芯片可以通过LED管脚给出信号来提示芯片的工作状态，并且伴随有提示音，用户也可自定4种提示音效。
录音操作：按下REC键，/REC管脚电平变低后开始录音，直到松开按键使电平拉高或者芯片录满时结束。
录音结束后，录音指针自动移向下一个有效地址。
而放音指针则指向刚刚录完的那段语音地址。
放音操作：放音操作有两种模式，分别是边沿触发和电平触发，都由PLAY 管脚触发。
1）边沿触发模式点按一下PLAY 键，PLAY 管脚电平变低便开始播放当前段的语音，并在遇到EOM标志后自动停止。
放音结束后，播放指针停留在刚播放的语音起始地址处，再次点按放音键会重新播放刚才的语音。
在放音期间，LED灯会闪烁直到放音结束时熄灭。
如果在放音期间点按放音键会停止放音。
2）电平放音模式如果一直按住PLAY键，使PLAY管脚电平持续为低，那么会将芯片所有语音信息播放出来，并且循环播放直到松开按键将PLAY 管脚电平拉高。
在放音期间LED闪烁。
当放音停止，播放指针会停留在当前停止的语音段起始位置。
快进操作：点按一下FWD按钮将FWD端拉低，会启动快进操作。
快进操作用来将播放指针移向下一段语音信息。
当播放指针到达最后一段语音处时，再次快进，指针会返回到第一段语音。
当下降沿来到FWD 端时，快进操作还要决定于芯片当时的状态：1）如果芯片在掉电状态并且当前播放指针的位置不在最后一段，那么指针会前进一段，到达下一段语音处。
2)如果芯片在掉电状态并且当前播放指针的位置在最后一段，那么指针会返回到第一段语音处。
3)如果芯片正在播放一段语音（非最后一段），那么此时放音停止，播放指针前进到下一段，紧接着播放新的语音。
4)如果芯片正在播放最一段语音，那么此时，放音停止，播放指针返回到第一段语音，紧接着播放第一段语音。
擦除操作：擦除操作分为单段擦除和全体擦除两种擦除方式，区别如下：1)单个擦除只有第一段或最后一段语音可以被单个擦除。
点按一下ERASE 键将ERASE 管脚拉低，这时具体的擦除情况要看播放指针的状态：·如果芯片空闲并且播放指针指向第一段语音，则会删除第一段语音，播放指针指向新的第一段语音（执行擦除操作前的第二段）。
·如果芯片空闲并且播放指针指向最后一段语音，则会删除最后一段语音，播放指针指向新的最后一段语音（执行擦除操作前的倒数第二段）。
·如果芯片空闲并且播放指针指向没有指向第一或最后一段语音，则不会删除任何语音，播放指针也不会被改变。
·如果芯片当前正在播放第一段或最后一段语音，点按下ERASE键会删除当前语音。
2)全体擦除当按下ERASE键将ERASE管脚电平拉低超过2.5秒钟，会触发全体擦除操作，删除全部语音信息。
复位操作：如果用RESET控制此管脚，建议RESET 管脚与地之间连接一个0.1 μF 电容。
当RESET 被触发，芯片将播放指针和录音指针都放置在最后一段语音信息的位置。
音量操作：点按一下VOL键将VOL管脚拉低会改变音量大小。
