超聲波導盲杖的設計

摘要：世界上視覺障礙者數量眾多，他們只能用60％的感覺來獲取信息。超聲波導盲杖是為視覺障礙者提供環境導引的輔助工具。它通過超聲波傳感器對周圍環境進行探測，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。因而設計一款實用的導盲杖來幫助視覺障礙者是十分重要的。本設計在分析了國內外現有導盲輔助工具特點的基礎上，確定了超聲波導盲杖的總體設計方案，重點闡述了系統的硬件設計和軟件設計。系統采用PIC12C671作為主控制器，設計了超聲波發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。
關鍵詞：超聲波；視覺障礙者；PIC12C671；傳感器

0 引言
隨著電子技術的不斷成熟和發展，人們對電子產品的需求轉移到為人類的生活上來。依據超聲波測距原理輔助盲人行走，而超聲波導盲杖目前國內市場罕見，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，是開拓市場的關鍵。導盲儀器作為用于服務的電子產品的一種，要想使其控制方案更加優化、行進軌跡更加合理，模糊控制應用在導盲儀器上是發展的必然趨勢。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展，其原因在于對那些時變的非線性的復雜系統，無法獲得精確的數學模型的時候，利用具有智能的模糊控制器能給出有效的控制。

1 超聲波導盲杖的整體設計及原理
1．1 超聲波的相關概念
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。超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都通過超聲波來實現。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用。
1．2 導盲杖的整體設計
超聲波導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合為一體。前者適宜先期發現較遠的和較大的障礙物；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射電路。
超聲波導盲杖硬件整體構架如圖1所示：

2 超聲波導盲杖的硬件設計
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，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品。因此，本設計選擇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，反應時間為0．15 s～0．4 s，按照人的最慢反應時間來算，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，由此設定障礙物探測距離為3m。因此，本設計采用超聲波傳感器URF04實現該模塊設計。