超声波导盲手杖障碍检测系统的设计与研究

超声波导盲手杖障碍检测系统的设计与研究

魏东娟,郭恩,杨林涛,王晶,吕昱辰

山东协和学院 山东济南 250109

摘要：中国是世界上盲人最多的国家，视力受限这一缺陷严重影响着他们的日常生活。随着科技的进步，超声波探测技术得到迅猛发展。为了帮助他们克服障碍，出行方便，本文设计了一种智能导盲手杖——超声波障碍检测系统，引导盲人及时避开障碍物，保障盲人的生命安全。该系统主要包括单片机系统、显示电路及超声波发射接收电路三部分，借助Mutisim软件和编程语言C进行仿真实验。

关键词：超声波探测技术 障碍检测系统 单片机

1.研究背景与意义

据国家权威部门统计，中国的盲人数量约有500万，占全世界盲人口的18%。盲人是社会人群中的单一群体，遭遇着普通人无法想象的困难与挫败。传统的木制手杖质量较重，不利于盲人的携带；导盲犬,训练时间长，条件需求高，价格高达20-30万，对于生活不富裕的盲人家庭来说，显然无法承担如此昂贵的费用。即使目前较多导盲产品均融入了电子技术，但仍无法从根本上彻底解决盲人出行的难题。若能有一种可以及时帮助盲人避开障碍物的智能导盲手杖，可为盲人朋友带来极大的方便。

超声波探测系统是利用超声波在介质中的传播特性实现的非接触式距离探测，具有高性价比、结构简单、成本低廉、适应性强、不容易损坏等优点。近年来，随着科学技术的快速发展，超声波传感器作为一种新型的工具在各个领域都得到了广阔的发展，将超声波检测技术应用于导盲手杖，有着广阔的市场前景。

2．超声波导盲产品现状

世界上已经成功研制的超声波导盲装置主要可以有四类：电子技术类导盲仪、可移动的导盲机器人、可穿戴式导盲仪和智能导盲手杖。

（1）电子技术类导盲仪

电子技术类导盲仪的工作原理与超声波雷达系统相似，均是依据超声波发射后，撞击障碍物后被反弹回来的时间、强弱判断障碍物的所在。该导盲仪的主要缺点是准确性相对较差，消耗时间过长。

（2）可移动的导盲机器人

导盲机器人往往是预先设定路线，准确判断障碍物的所在，对于一些突发事件，可能无法准确判断，存在一定的安全隐患。

（3）可穿戴式导盲仪

可穿戴式导盲仪中某些穿戴设备较为笨重，还尚未得到广大推广与应用。

（4）智能导盲手杖

当导盲手杖检测到周围的障碍物时，会通过手杖炳震动，告知盲人用户周围有障碍物。随着科技的进步，智能导盲手杖的体积与重量已经得到了较大改善。

3.系统设计方案

3.1系统原理

该系统主要包括单片机系统、显示电路及超声波发射接收电路三部分。采用STC89C52来实现对CX20106A红外接收芯片和7404的控制。单片机通过引脚经7404来控制超声波的发送，单片机检测INTO引脚，当INTO引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，经换算得到传感器与障碍物之间的距离。

3.2总体设计方案

（1）总体设计

总体设计主要包括系统控制模块、距离测量模块和显示模块三部分。其中，系统控制模块，用于控制超声波起振脉冲的产生，对回波信号的处理；距离测量模块，采用超声波传感器测距；显示模块，以数码管的形式显示超声波所测量的距离。

（2）系统的主要功能

1）超声波测距

当超声波在空气中传输遇到障碍物时，超声波会立即返回，我们利用超声波的这一特点，结合超声波从发射到接收回波的时间和此时的声速便可以计算出障碍物的距离。[1]

距离计算公式：

[2]

其中，d代表被测物与测距器的距离，s代表声波的来回路程，c代表声速，t代表声波来回所用的时间。

2）障碍物检测

该系统能够实现自动对盲人周围1.5米左右的障碍物进行判断的这一功能。

3）实时显示结果

当系统检测到盲人周围有障碍物出现时，会及时发出警告信号，以提醒盲人避开障碍物。

4.硬件电路设计

4.1单片机系统

该系统单片机采用STC89C52芯片，最小系统主要由STC89C52单片机、晶振电路、复位电路组成。

4.2 超声波发射接收电路

发射电路采用推换形式将方波信号加到超声波换能器两端，提高超声波发射强度。压电超声波转换器利用压电晶体谐振工作，内部结构包括两个压电晶片和一个共振板。

接收电路采用集成电路CX20106A——红外线检波接收专用芯片[3]。当超声波接收探头接收到超声波信号时，压迫压电晶体做振动，将机械能转化成电信号，由红外线检波接收集成芯片CX20106A接收到电信号后，对所接信号进行识别，如果频率在38～40 kHz左右，则输出为低电平，否则输出为高电平。本系统采用CX20106A电路，具有较好的灵敏度[4]和较强的抗干扰性。

5.系统硬件仿真

图1 系统硬件仿真图

项目团队通过对STC89C52单片机超声波测距系统进行仿真，发现该超声波测距系统能满足软件调试的分析。如图1所示。

6.结束语

在小组成员的分工合作下，完成了基于STC89C52单片机的超声波障碍检测系统的设计。本系统采用CX20106A超声波接收电路，抗干扰能力较强，可以测量1.2m以内的障碍物且测量精度可达±2cm。本设计结构简单，成本低廉，精确度较高，符合设计理念。

参考文献

[1]姜维福,王素青.基于超声波测距的倒车雷达系统设计[D].南京环城电子科技有限公司,南京航空航天大学金城学院.2021,34(12).

[2]陈宇燕.一种超声波测距系统的设计[D].大众科技.2021,6.

[3]顾添翼.基于STC89C52超声波测距仪设计[D].南通开放大学，江苏城市职业学院南通校区.2016(16),64-65.

[4]秦伟,颜文俊.基于CX20106A的超声波倒车雷达设计[D].浙江大学电气工程学院.2011,33(01).

作者简介：

魏东娟，女，本科，山东莘县人。山东协和学院计算机科学与技术专业学生，主持山东协和学院实验室开放项目1项，拥有软件著作权2项，国家实用新型专利2项。

郭恩，男，硕士，讲师，山东泰安人。主持省部级、厅局级课题10余项，发表论文10余篇，主参编教材5部。

杨林涛，男，本科，河北邯郸人。山东协和学院计算机科学与技术专业学生。拥有软件著作权1项，国家实用新型专利2项，发表论文1篇。

所属项目：山东协和学院2022年实验室开放项目“智能导盲手杖——超声波障碍检测系统设计与实现”（项目编号：2022SYKF42）