太陽能超聲波導盲器的研制

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盲器的設計方法和工作原理。該導盲器由單片機主控制系統模塊、太陽能供電模塊、語音報警模塊、量程設置模塊、溫度檢測模塊組成。其特點是溫度補償技術提高了測距精確度，太陽能供電模塊高效節能，克服了盲人充電不方便的困難，智能報警模式可以改善導盲器的使用效果。
關鍵詞：太陽能；溫度補償；超聲測距；導盲器

0 引言
為了更好地幫助盲人行走，各科研機構研制了各種電子導盲設備。傳統電子導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勢，可以解決很多問題，在工業控制、勘探測量、精確定位和交通安全等領域都有廣泛的應用。目前超聲測距實現方便，計算簡單，容易實現實時控制，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將交變的電信號轉換成聲音信號或者將外界聲場中的聲音信號轉變為電信號的能量轉換器件，習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，這種探頭統稱為壓電式超聲波探頭，利用壓電材料的壓電效應來工作的，其壓電效應具有可逆性。逆壓電效應是將高頻脈沖轉換成高頻機械振動，以產生超聲波，可作為發射探頭。正壓電效應是將高頻機械振動轉化成高頻電脈沖，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，即檢測從超聲波發射探頭發射的超聲波，經空氣介質的傳播，與其遇到障礙物后產生回波，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盲器從功能上分為太陽能供電、語音報警、量程設置、溫度檢測、主控制系統等五個模塊，其原理框圖如圖1所示。

太陽能電池板固定在導盲器支架頂端，通過驅動電路連接到可充電的鎳氫電池為導盲器提供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，溫度傳感器檢測環境溫度，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，當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。信號發射到接收的時間差與障礙物的位置有關，單片機通過分析超聲波發射到返回的時間差，可以計算出障礙物的距離，并執行報警程序，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，包括了超聲波發射電路和超聲波接收電路，由于要實現遠距離測量，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，需要經過多級信號放大。