基于超聲波的路障預(yù)警系統(tǒng)*

作者簡介：劉熙明（1993—），男，貴州畢節(jié)人，碩士，助理工程師，主要從事自動控制、嵌入式控制、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)方面研究。

0   引言

盲人出行一直以來都是我們比較關(guān)注的問題，由于各種生理上的缺陷，在出行的時(shí)候，他們看不見周圍的一切，不知道前面是否有障礙物，如果在行走的過程中前面有人或者物體擋住，直接走過去會出現(xiàn)碰撞的情況，再比如失聰?shù)娜嗽隈R路上走著根本聽不到呼嘯而來的汽車聲音，很容易引發(fā)危險(xiǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種針對殘障人士尤其是失明和失聰人士的超聲波路障預(yù)警系統(tǒng)，殘障人士安裝上這種系統(tǒng)之后能夠通過避障超聲波傳感器判別前面是否有障礙物，如果有物體，通過振動或語音提醒使用者規(guī)避^[1]。通過路障預(yù)警系統(tǒng)，能夠?yàn)闅堈先耸康某鲂刑峁└影踩谋Ｕ虾捅Ｗo(hù)，減少他們在路上出現(xiàn)意外的可能性，體現(xiàn)了對殘障人士的關(guān)懷，為他們的生命增添一份保護(hù)。

1   超聲波測距介紹

超聲波和人耳能夠聽到的聲音一樣，都是由物體的震動發(fā)出來的，根據(jù)物理學(xué)中對聲波的定義，我們把頻率高于20 kHz 的聲波叫做“超聲波”，超聲波具有良好的方向性，對物體的穿透能力強(qiáng)^[2]。超聲波測量距離的原理是波的反射，其測量過程如下：首先利用超聲波傳感器對準(zhǔn)被測物體，發(fā)射出超聲波的同時(shí)開始計(jì)時(shí)。之后超聲波在空氣中開始傳播，遇到障礙物之后被反射回到超聲波能量轉(zhuǎn)換器，通過發(fā)射和接受之間的時(shí)間差計(jì)算出傳播時(shí)間，然后根據(jù)超聲波的傳遞速度和傳遞時(shí)間就能計(jì)算出距離。測量的距離D的計(jì)算公式為

D=ct/2

其中c 為聲波在介質(zhì)中的傳播速度，t 為時(shí)間，超聲波發(fā)射出去之后遇到障礙物被反射回來，走了2 倍的距離，因而得到上面的計(jì)算公式^[3]。

2   系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文需要設(shè)計(jì)出一個(gè)基于超聲波路障預(yù)警系統(tǒng)，利用聲音的特性達(dá)到為盲人報(bào)警、預(yù)判危險(xiǎn)的目的，其工作機(jī)理是：整個(gè)系統(tǒng)包括聲音傳感器和超聲波測距模塊，安放在盲人或者聾啞人的胸前，聲目標(biāo)預(yù)警系統(tǒng)安裝的超聲波測距裝置主要用于檢測盲人在行走時(shí)前面是否有障礙物或者是行人，通過超聲波測距裝置測量出目標(biāo)或者是障礙物離人的距離，提醒盲人規(guī)避或者是停止朝前運(yùn)動，避免受傷^[4]。本設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)主要由聲目標(biāo)預(yù)警電路、超聲波發(fā)射電路、接收電路、放大電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、液晶顯示電路以及電源電路組成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3   硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 超聲波發(fā)射和接收電路設(shè)計(jì)

超聲波傳感器是一種利用超聲波特性做成的特殊傳感器，我們知道，超聲波是一種振動頻率比較高的機(jī)械波，可以通過電壓去激勵(lì)換能晶片讓其震動產(chǎn)生超聲波。超聲波具有很高的頻率、比較短的波長，尤其是十分良好的方向性；對于液體和固體的穿透能力十分強(qiáng)大。要使用超聲波作為檢測手段，首先要發(fā)射出超聲波和接收到超聲波，因此我們需要一種超聲波傳感器，通常稱之為超聲探頭或者是超聲波換能器。

圖2 超聲波發(fā)射電路原理圖

超聲波接收轉(zhuǎn)換電路主要是由超聲波換能器、前級放大電路和鎖相環(huán)檢波電路構(gòu)成；整個(gè)超聲波接收電路如圖2 所示。超聲波傳感器接收到反射波之后，由于經(jīng)過超聲波傳感器轉(zhuǎn)換出來的壓電信號十分的微弱，不足以驅(qū)動LM567 構(gòu)成的鎖相環(huán)電路，因此在超聲波傳感器的輸出級和鎖相環(huán)的輸入級之間增加了信號放大電路，對超聲波傳感器轉(zhuǎn)換出的信號進(jìn)行放大，在放大有用信號的同時(shí)加入了濾波電路，驅(qū)動后面的鎖相環(huán)，此處的中間級放大電路不但能夠?qū)τ杏玫男盘栠M(jìn)行放大，同時(shí)也能抑制其他的干擾和噪聲，從而提升信噪比，利于后續(xù)電路的設(shè)計(jì)。圖3 是超聲波接收電路原理圖。

圖3 超聲波接收電路原理圖

3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

對于本系統(tǒng)而言，采用STC89C51 芯片作為主控制器，該芯片支持在串口下載單片機(jī)程序，因此在我們對程序進(jìn)行反復(fù)燒寫時(shí)不需要頻繁的插拔單片機(jī)，因此不會對芯片造成損害。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖4 所示。

圖4 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

3.3 電源電路

由于系統(tǒng)需要做成能夠讓盲人或者使用者放在身上的裝置，因此需要盡量減輕質(zhì)量，就本系統(tǒng)而言，需要的電壓不是很高，只需+50 V 直流電壓即可，電源提供的功率也不需要太高，因此使用電池加上穩(wěn)壓電路。3種電路模塊電路圖如圖5 所示，通過蓄電池輸出120 V直流電源，經(jīng)三端集成穩(wěn)壓芯片之后輸送至用電器，弊端是這種穩(wěn)壓模塊只能提供有限的功率，但是鑒于本系統(tǒng)所使用的器件都屬于小規(guī)模低功耗器件，因此這種供電方案完全能夠滿足系統(tǒng)的需求，系統(tǒng)供電方案原理圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)供電方案原理圖

3.4 顯示電路和鍵盤電路設(shè)計(jì)

對于液晶顯示部分，由于本系統(tǒng)只需要顯示系統(tǒng)所測量出的有障礙物時(shí)候的距離，方便測試和維護(hù)系統(tǒng)。LCD1602 是一款顯示十分優(yōu)秀的液晶顯示器，能同時(shí)顯示16×2 也就是32 個(gè)字符。該液晶顯示器采用標(biāo)準(zhǔn)16 腳接口，其中有3 根控制線，8 根雙向數(shù)據(jù)線，其余的引腳皆為電源或地。我們在控制的時(shí)候利用單片機(jī)的P0 口和1602 的雙向數(shù)據(jù)接口通信，用P2 口和液晶的控制線連接，此處需要在P0 口添加上拉電阻，以保證液晶的正常工作。圖6 為本系統(tǒng)液晶顯示器和單片機(jī)部分的電器原理圖。

圖6 LCD1602液晶顯示電路原理圖

3.5 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

報(bào)警電路主要用于在系統(tǒng)檢測到有危險(xiǎn)靠近的時(shí)候立即發(fā)出報(bào)警信號，提示使用者注意危險(xiǎn)，由于使用者基本都是殘疾人，如果使用聲音報(bào)警的話，失聰?shù)娜瞬荒苈牭綀?bào)警信號，因此不宜使用聲音報(bào)警；而如果使用光報(bào)警的話，失明的人無法看到報(bào)警信號，也就是說，考慮到系統(tǒng)所面向群體的特殊性，所以選用一種新的方式報(bào)警，以手機(jī)中的振子作為報(bào)警裝置。使用者把這個(gè)設(shè)備貼在離皮膚比較近的地方，當(dāng)有危險(xiǎn)靠近的時(shí)候，振子就會震動發(fā)出信號提醒使用者有危險(xiǎn)，振子是一種直流電機(jī)做成的偏心電機(jī)，因此可直接使用三極管作為驅(qū)動，圖7 為驅(qū)動電路。

圖7 報(bào)警電路

4   系統(tǒng)調(diào)試

硬件功能調(diào)試通過及軟件程序編譯完成之后，通過USB 轉(zhuǎn)串口的方式把程序下載到目標(biāo)系統(tǒng)上，在上電運(yùn)行之后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能夠正常轉(zhuǎn)換距離數(shù)據(jù)，正常檢測前面的物體。出于安全考慮把系統(tǒng)的聲目標(biāo)系統(tǒng)檢測的安全距離設(shè)置為100 m，這個(gè)距離可以通過傳感器模塊上的電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)置為100 m 是因?yàn)槁暷繕?biāo)傳感器主要是檢測車輛，而車輛的移動速度很快，因此需要一個(gè)很大的安全距離供行人在有危險(xiǎn)的時(shí)候做出反應(yīng)。而對于跟前的障礙物檢測，一般設(shè)置安全距離在1.50 m~20 m比較合適，因?yàn)槿说乃俣缺容^慢，這個(gè)安全距離完全足夠行人在碰到障礙物的時(shí)候做出反應(yīng)并停止向前運(yùn)動。經(jīng)過實(shí)物測試之后發(fā)現(xiàn)，避障模塊能夠完全發(fā)揮作用，當(dāng)前面沒有物體的時(shí)候不會做出任何反應(yīng)，繼續(xù)掃描，而當(dāng)前面的物體距離行人的距離比較近的時(shí)候，則會報(bào)警，并且在用于測試的液晶接口上面顯示障礙物距離行人的距離，所測量距離準(zhǔn)確，響應(yīng)速度快，反應(yīng)時(shí)間短，能夠很好地幫助行人避障。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 牛余朋,成曙.基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)[J].兵工自動化,2005(4):44-46.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）