超声波导盲杖的设计

摘要：世界上视觉障碍者数量众多，他们只能用60％的感觉来获取信息。超声波导盲杖是为视觉障碍者提供环境导引的辅助工具。它通过超声波传感器对周围环境进行探测，将探测的信息反馈给视觉障碍者，帮助他们视觉信息的缺失。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。本设计在分析了国内外现有导盲辅助工具特点的基础上，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和软件设计。系统采用PIC12C671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，并进行了软件程序的编写，以达到辅助盲人安全行走的目的。
关键词：超声波；视觉障碍者；PIC12C671；传感器

0 引言
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上来。依据超声波测距原理辅助盲人行走，而超声波导盲杖目前国内市场罕见，与盲人需求相差甚大。综合分析表明，解决好功能价格比与我国盲人购买力的矛盾，是开拓市场的关键。导盲仪器作为用于服务的电子产品的一种，要想使其控制方案更加优化、行进轨迹更加合理，模糊控制应用在导盲仪器上是发展的必然趋势。将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论，在近年来得到了迅速的发展，其原因在于对那些时变的非线性的复杂系统，无法获得精确的数学模型的时候，利用具有智能的模糊控制器能给出有效的控制。

1 超声波导盲杖的整体设计及原理
1．1 超声波的相关概念
超声波是一种频率为20 kHz以上的声波，具有直线传播的能力，频率越高绕射能力越弱，但反射能力越强，其指向性强，能量消耗缓慢，传播的距离较远。超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到实用的要求，因此在各方面的研制上都得到了广泛的应用。
1．2 导盲杖的整体设计
超声波导盲杖是将超声波探测障碍物功能与手杖触探障碍物功能结合为一体。前者适宜先期发现较远的和较大的障碍物；后者适宜于鉴别脚下低矮障碍物及反射声波不良物。因此，超声波发射与接收模块装在手杖底部，而语音报警模块则装在手杖上端，方便盲人听到报警声。本设计主要由单片机和超声波探测电路、语音报警电路等组成。其中，超声波探测电路包括超声波接收电路和超声波发射电路。
超声波导盲杖硬件整体构架如图1所示：

2 超声波导盲杖的硬件设计
2．1 微控制器的选型
PIC12C671具有如下特点：低功耗高速CMOS EPROM／EEPROM技术，宽工作电压范围，只有8个引脚，同时具有DIP和SOIC封装形式。在工作电压为5 V，时钟频率为4 MHz时耗电仅为2 mA，当工作电压为3 V，时钟频率为32 kHz时耗电仅为15μA，而待机模式只有1μA，这个特性适合于电池供电的掌上型电子产品。因此，本设计选择PIC12C671作为主控芯片。PIC12C671单片机(如图1所示)是一种功能强大的微控制器，可以为嵌入式控制系统提供高度灵活而有效的解决方案。
2．2 超声波传感器的选型
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。正常成年人的行走速度为1．5 m／s，反应时间为0．15 s～0．4 s，按照人的最慢反应时间来算，从人感知到前方障碍物到停止前进，依然还要行进0．6 m，而盲人的行走速度要低于正常人的，由此设定障碍物探测距离为3m。因此，本设计采用超声波传感器URF04实现该模块设计。