太陽能超聲波導(dǎo)盲器的研制

摘要：為了幫助盲人克服行走不便的困難，提出了基于單片機的太陽能超聲波導(dǎo)盲器的設(shè)計方法和工作原理。該導(dǎo)盲器由單片機主控制系統(tǒng)模塊、太陽能供電模塊、語音報警模塊、量程設(shè)置模塊、溫度檢測模塊組成。其特點是溫度補償技術(shù)提高了測距精確度，太陽能供電模塊高效節(jié)能，克服了盲人充電不方便的困難，智能報警模式可以改善導(dǎo)盲器的使用效果。
關(guān)鍵詞：太陽能；溫度補償；超聲測距；導(dǎo)盲器

0 引言
為了更好地幫助盲人行走，各科研機構(gòu)研制了各種電子導(dǎo)盲設(shè)備。傳統(tǒng)電子導(dǎo)盲裝置存在以下不足：使用普通電池，工作時間短，需要頻繁更換電池；傳感器受外界影響較大，探測精度不高；操作復(fù)雜，并且造價昂貴。
超聲波測距是一種非接觸式檢測方式，利用其可測范圍廣，不受光線和被測物體顏色的影響等優(yōu)勢，可以解決很多問題，在工業(yè)控制、勘探測量、精確定位和交通安全等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。目前超聲測距實現(xiàn)方便，計算簡單，容易實現(xiàn)實時控制，并且在測量精度上能達到使用的要求，因此可以很好地使用于導(dǎo)盲器的研制中。

1 超聲波傳感器及測距的原理
超聲波是指頻率高于20 kHz的機械波，超聲波傳感器是在超聲波頻率內(nèi)將交變的電信號轉(zhuǎn)換成聲音信號或者將外界聲場中的聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕哪芰哭D(zhuǎn)換器件，習(xí)慣上稱為超聲波換能器，或是超聲波探頭。超聲波探頭材料是壓電晶體或壓電陶瓷，這種探頭統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭，利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的，其壓電效應(yīng)具有可逆性。逆壓電效應(yīng)是將高頻脈沖轉(zhuǎn)換成高頻機械振動，以產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭。正壓電效應(yīng)是將高頻機械振動轉(zhuǎn)化成高頻電脈沖，可接收超聲波信號，作為接收探頭。
超聲波測距的原理一般是回波渡越時間法，即檢測從超聲波發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波，經(jīng)空氣介質(zhì)的傳播，與其遇到障礙物后產(chǎn)生回波，并被超聲波接收探頭接收的時間差△t，即渡越時間，求出聲源到障礙物的距離S，計算公式為：
S=v△t／2 (1)
式中v為某一溫度下的超聲波速。

2 實驗裝置與控制方法
本項目研究的太陽能超聲波導(dǎo)盲器從功能上分為太陽能供電、語音報警、量程設(shè)置、溫度檢測、主控制系統(tǒng)等五個模塊，其原理框圖如圖1所示。

太陽能電池板固定在導(dǎo)盲器支架頂端，通過驅(qū)動電路連接到可充電的鎳氫電池為導(dǎo)盲器提供5 V直流電。超聲波傳感器和溫度傳感器固定在導(dǎo)盲器支架前端，分別連接到主控制電路上。使用時，先選擇量程，打開開關(guān)，溫度傳感器檢測環(huán)境溫度，并將檢測到的溫度信號傳輸給單片機，單片機對超聲波傳播速度進行修正。在量程范圍內(nèi)，當(dāng)超聲波信號遇到障礙物時，信號被反射回來，并被超聲波傳感器接收。信號發(fā)射到接收的時間差與障礙物的位置有關(guān)，單片機通過分析超聲波發(fā)射到返回的時間差，可以計算出障礙物的距離，并執(zhí)行報警程序，語音報警聲可以通過耳機接線口連接到耳機。
2．1 主控制模塊
主控制模塊主要由單片機進行控制，包括了超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路，由于要實現(xiàn)遠距離測量，而超聲波在空氣中傳播，其能量會隨傳播距離的增大而減小，從遠距離傳播回來的信號比較弱，需要經(jīng)過多級信號放大。