超聲波導(dǎo)盲杖的設(shè)計

摘要：世界上視覺障礙者數(shù)量眾多，他們只能用60％的感覺來獲取信息。超聲波導(dǎo)盲杖是為視覺障礙者提供環(huán)境導(dǎo)引的輔助工具。它通過超聲波傳感器對周圍環(huán)境進行探測，將探測的信息反饋給視覺障礙者，幫助他們視覺信息的缺失。因而設(shè)計一款實用的導(dǎo)盲杖來幫助視覺障礙者是十分重要的。本設(shè)計在分析了國內(nèi)外現(xiàn)有導(dǎo)盲輔助工具特點的基礎(chǔ)上，確定了超聲波導(dǎo)盲杖的總體設(shè)計方案，重點闡述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。系統(tǒng)采用PIC12C671作為主控制器，設(shè)計了超聲波發(fā)射接收電路和語音報警電路，并進行了軟件程序的編寫，以達到輔助盲人安全行走的目的。
關(guān)鍵詞：超聲波；視覺障礙者；PIC12C671；傳感器

0 引言
隨著電子技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，人們對電子產(chǎn)品的需求轉(zhuǎn)移到為人類的生活上來。依據(jù)超聲波測距原理輔助盲人行走，而超聲波導(dǎo)盲杖目前國內(nèi)市場罕見，與盲人需求相差甚大。綜合分析表明，解決好功能價格比與我國盲人購買力的矛盾，是開拓市場的關(guān)鍵。導(dǎo)盲儀器作為用于服務(wù)的電子產(chǎn)品的一種，要想使其控制方案更加優(yōu)化、行進軌跡更加合理，模糊控制應(yīng)用在導(dǎo)盲儀器上是發(fā)展的必然趨勢。將模糊集合理論運用于自動控制而形成的模糊控制理論，在近年來得到了迅速的發(fā)展，其原因在于對那些時變的非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型的時候，利用具有智能的模糊控制器能給出有效的控制。

1 超聲波導(dǎo)盲杖的整體設(shè)計及原理
1．1 超聲波的相關(guān)概念
超聲波是一種頻率為20 kHz以上的聲波，具有直線傳播的能力，頻率越高繞射能力越弱，但反射能力越強，其指向性強，能量消耗緩慢，傳播的距離較遠(yuǎn)。超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到實用的要求，因此在各方面的研制上都得到了廣泛的應(yīng)用。
1．2 導(dǎo)盲杖的整體設(shè)計
超聲波導(dǎo)盲杖是將超聲波探測障礙物功能與手杖觸探障礙物功能結(jié)合為一體。前者適宜先期發(fā)現(xiàn)較遠(yuǎn)的和較大的障礙物；后者適宜于鑒別腳下低矮障礙物及反射聲波不良物。因此，超聲波發(fā)射與接收模塊裝在手杖底部，而語音報警模塊則裝在手杖上端，方便盲人聽到報警聲。本設(shè)計主要由單片機和超聲波探測電路、語音報警電路等組成。其中，超聲波探測電路包括超聲波接收電路和超聲波發(fā)射電路。
超聲波導(dǎo)盲杖硬件整體構(gòu)架如圖1所示：

2 超聲波導(dǎo)盲杖的硬件設(shè)計
2．1 微控制器的選型
PIC12C671具有如下特點：低功耗高速CMOS EPROM／EEPROM技術(shù)，寬工作電壓范圍，只有8個引腳，同時具有DIP和SOIC封裝形式。在工作電壓為5 V，時鐘頻率為4 MHz時耗電僅為2 mA，當(dāng)工作電壓為3 V，時鐘頻率為32 kHz時耗電僅為15μA，而待機模式只有1μA，這個特性適合于電池供電的掌上型電子產(chǎn)品。因此，本設(shè)計選擇PIC12C671作為主控芯片。PIC12C671單片機(如圖1所示)是一種功能強大的微控制器，可以為嵌入式控制系統(tǒng)提供高度靈活而有效的解決方案。
2．2 超聲波傳感器的選型
超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。正常成年人的行走速度為1．5 m／s，反應(yīng)時間為0．15 s～0．4 s，按照人的最慢反應(yīng)時間來算，從人感知到前方障礙物到停止前進，依然還要行進0．6 m，而盲人的行走速度要低于正常人的，由此設(shè)定障礙物探測距離為3m。因此，本設(shè)計采用超聲波傳感器URF04實現(xiàn)該模塊設(shè)計。