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一种基于超声波测距原理的导盲系统设计

发布日期:2022-01-14 08:53   来源:未知   阅读:

  DB18B-20补偿后的距离,实现对盲人行走道路上障碍物距离的测量及定位,并通过SYN6658语音模块进行语音播报导航。

  根据最新研究报告,中国每年新增盲人大约45万,预计到2020年我国视力残疾人数将为目前的4倍,达5000余万。由于生理上的缺陷,盲人在生活、工作等方面有着诸多不便。因此,将现今技术用于盲人导航是十分必要的。

  超声波具有方向性强、能量易于集中、传播距离较远及对障碍物定位精确等特点,其产品具有体积相对较小、方便携带、价格低廉等优点。因此采用超声波测距及语音播报实现盲人导航,具有一定的实用价值。

  超声波是指振动频率大于20kHz以上的声波。超声波测距方法主要有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法三种。其中,相位检测法精度高,但检测范围有限;声波幅值检测法易受反射介质的影响。因此,本设计采用渡越时间法测距。

  超声波测距的工作原理:发射换能器向外发射超声波,同时单片机开始计时,超声波在介质中传播的途中遇到障碍物后会立即反射回来,当接收换能器接收回波时单片机停止计时,从而得到计时器精确记录的时间t,再根据渡越时间法求出目标障碍物距信号发射源的距离。

  对一般流质媒质而言,声波是一种纵波,传播速度为:c=E/,其中E为媒质的弹性模量; 为媒质密度;c是复数,其实数部分代表传播速度,虚数部分与衰减常数有关。超声波测距原理图如图1所示。

  空气密度越高,超声波的传播速度就越快,而空气的密度又与温度有着密切的关系,此温度对测量精度有一定的影响。气体中声速受温度影响最大,超声波在空气中传播速度为

  其中T为环境摄氏温度,因此我们需要采用测温模块对温度产生的影响进行补偿。

  本系统由STC12C5A60S2单片机、超声波发射电路模块、回波接收电路模块、测温模块、语音模块五大部分组成。如图2所示。

  STC12C5A60S2单片机是本系统的核心,控制各个模块协调工作。通过单片机的P1.0引脚控制超声波发射电路模块产生40 kHz的脉冲信号,并驱动超声波传感器发射超声波。当第一个脉冲发射结束后,启动计数器开始计时,超声波回波信号通过放大和判别后送到单片机的外部中断器,单片机一旦接收到回波信号,便产生外部中断。单片机STC12C5A60S2停止计数器计数,从而得到超声波的在空气介质中的传输时间t,最后通过温度补偿,利用式(1)计算出发射点距障碍物的距离,并通过语音模块播报提示。

  由于NE555集成芯片搭建电路简单、需用元件少、容易实现,并且产生波形失真度小,故本系统采用NE555集成电路作为发射电路。根据上述,知发射端工作频率为40kHZ,采用NE555芯片构成时基电路及外围元件构成多谐振电路,通过调节电阻R3的值从而改变频率。其工作电路如图3所示。

  图3中555定时器构成的多谐振荡器,复位端4由单片机的P0.4口控制,当单片机给低电平时,电路停振;当单片机给高电平时电路起振接通电源后,电容C2来不及充电,6脚电压Uc=0,则Uc=1,此时555芯片内部的三极管VT处于截止状态。这时Vcc经过R3和R2向C2充电,当充至Uc=2/3 Vcc时,输出翻转U1=0,VT导通;这时电容C2经R2和VT放电,当降至Uc=1/3Vcc时,输出翻转U1=1。C2放电终止、又重新开始充电,周而复始,形成振荡。其振荡周期与充电时间tPH和放电时间tPL有关,振荡周期为:

  由式(4)可知,555多谐振荡器的振荡频率由R2、R3、C2来确定。在电路设计时,先确定C2、R2的取值,即C2=3300pf,R2=2.7 K。再将C2和R2的值代入式(4)可知:

  为增大U1的输出功率,将555芯片的8脚接+12V的电压,同时将其复位端4接高电平。通过调节电位器R3的阻值,使输出波形的频率为40k HZ。

  鉴于回波信号的变化范围较大,因此对放大电路的增益提出了两个要求:一是放大增益要大,以适应小信号的需要;二是放大增益能变化,以适应信号变化范围大的需要。

  由于回波信号为40kHZ交流信号,频率较高,当回波信号放大时,放大器必须具有良好的交流特性,以提高信号的放大精度。鉴于该接收电路具有信号的转化、放大、检波、整流等特性。因此,美国的沃尔玛门可罗雀我们设计了如图4所示的回波接收电路。

  信号流程:当R40收到超声波时,R40将超声波信号变为电压信号,此信号电压加到BG2的基极,经BG2放大后从集电极输出,经C7耦合到BG3基极,被BG3放大后从集电极输出,被C8、梧州市举行第三季度重大项目集中,D5、D6组成的倍压检波电路变为直流电压。双倍于交流信号电压的直流信号电压加到BG3的基极,BG3再放大后由P送往后继电路。

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