基于单片机控制的导盲杖的设计
摘要：世界上视觉障碍者数量众多，95%的信息是通过视觉获得的。因而设计一款实用的导盲杖来帮助视觉障碍者是十分重要的。本论文确定了超声波导盲杖的总体设计方案，重点阐述了系统的硬件设计。该系统采用MCS-51系列单片机89C52作为主控制器，设计了超声波发射接收电路和语音报警电路，以及LED提醒功能，通过单片机的控制，以达到辅助盲人安全行走的目的。
关键词：单片机；导盲杖；超声波 1、引言
人生活过程中95%的信息是通过视觉获得的。盲人生活在黑暗的世界中，给工作、生活、社交活动带来了莫大的困难。如何安全行走,是盲人生活中最大的问题。传统的手杖使用起来有诸多不便，导盲犬的训练周期过长且价格较贵，不利于普及。随着电子技术的不断成熟和发展，人们对电子产品的需求转移到为人类的生活服务上来。依据超声波测距原理，可以制作导盲杖帮助盲人行走。通过单片机对超声波测距的控制进行声音播报，来提醒盲人当前状况，也使得这完全优于导盲犬。
2、系统设计
该系统由单片机、超声波发射接收电路、液晶显示电路及语音模块等组成，控制核心为单片机。单片机在接收到传感器的信息后，将传感器的测量信号转换为距离信息，再通过语音进行提醒。系统工作原理方框示意图如图1所示：
图1 系统工作原理框图
3、超声波导盲系统
（1）超声波概述
声波按频率高低不同可分为三种：频率低于20Hz的机械波称为次声波；在20Hz～20KHz之间的机械波，能为人耳所闻，称为声波；高于20KHz的机械波称为超声波，其中频率大于100M的机械波称为超高频声波，其具有了波粒两相性。
（2）超声波传感器
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的用于产生和接收超声波的器件，它既能够把其他形式的能转化为所需频率的超声能又能够把超声能转化为其他形式的能。
（3）超声检测的原理和方法
超声测距的方法有相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。其中相位检测法精度高，但是监测范围有限，声波幅值检测法易受反射波的影响，采用最多的是往返时间检测法。往返时间检测法的基本原理在声速已知的情况下通过测量发送信号与接收信号之间的时间差来计算障碍物的距离，原理图如图2所示：
图2 超声波测距原理图
工作原理：当40KHz的电压脉冲信号由导线输入传感器后，由压电陶瓷晶片将此电信号转换成机械振动，这种机械振动通过空气向外发送出去，发送出的超声信号向空中各方向沿直线传播，遇到障碍物反射回来。传感器在接收到反射回来的回波信号后再次将机械振动转变为电压信号的波动。此时得到的电压脉冲信号非常的微弱，经过后极的放大电路等的处理后被采集处理。
4、超声波发送与接收电路
超声波发射电路部分主要包括超声波信号产生、超声传感器功率驱动。超声波的发射频率主要是由STC11单片机产生的。功率驱动电路功能是用MAX232对超声波换能器进行功率驱动，推动超声波换能器产生超声波。
超声波会随着传播距离的增加而衰减，经过目标反射回来的超声波的回波信号弱，在距离较远的情况下只达毫伏级，甚至微伏。因此为了加大超声波测距系统的量程范围，需加以驱动电路。根据电路需求，接收电路的功能是将接收到的微弱信号放大并进行滤波整形。接收电路部分主要包括滤波电路、放大电路。
5、报警电路
报警电路分为两个部分，一是语音报警，二是LED提示路人。语音报警主要是提醒盲人注意当前路面与前面障碍物，而LED小灯主要是用来警示路人。
（1）语音报警电路
由于时间仓促，所以语音报警电路采用的是语音模块，该模块虽没有实时性，但是使用起来比较方便。语音模块实物图如图3所示：
图3 语音报警模块实物图
（2）LED警示电路
LED小灯主要有两个不同颜色的LED发光二极管组成，一个绿色，一个红色。当导盲系统启动时，绿色的LED发光二极管就一直亮着；当此时导盲系统检测到了前方有障碍物时，这时就会切换到红色的LED发光二极管点亮，若前方是行人，则进行对行人的警示，电路如图4所示：
图4 LED小灯警示电路
6、液晶LCD1602辅助电路
通过单片机对超声波的障碍物的测量进行实时处理，再将测量的距离进行实时显示，从而判断导盲系统各个功能是否实现。LCD1602接法电路如图5所示：
图5 液晶LCD1602辅助电路
7、系统测试结果及分析
前方超声波模块（模块1）设定的障碍物范围为200cm，下方超声波模块（模块2）设定的对地距离为35cm，分别对前方超声波模块和下方模块进行测试，