太阳能超声波导盲器的研制

摘要：为了帮助盲人克服行走不便的困难，提出了基于单片机的太阳能超声波导盲器的设计方法和工作原理。该导盲器由单片机主控制系统模块、太阳能供电模块、语音报警模块、量程设置模块、温度检测模块组成。其特点是温度补偿技术提高了测距精确度，太阳能供电模块高效节能，克服了盲人充电不方便的困难，智能报警模式可以改善导盲器的使用效果。
关键词：太阳能；温度补偿；超声测距；导盲器

0 引言
为了更好地帮助盲人行走，各科研机构研制了各种电子导盲设备。传统电子导盲装置存在以下不足：使用普通电池，工作时间短，需要频繁更换电池；传感器受外界影响较大，探测精度不高；操作复杂，并且造价昂贵。
超声波测距是一种非接触式检测方式，利用其可测范围广，不受光线和被测物体颜色的影响等优势，可以解决很多问题，在工业控制、勘探测量、精确定位和交通安全等领域都有广泛的应用。目前超声测距实现方便，计算简单，容易实现实时控制，并且在测量精度上能达到使用的要求，因此可以很好地使用于导盲器的研制中。

1 超声波传感器及测距的原理
超声波是指频率高于20 kHz的机械波，超声波传感器是在超声波频率内将交变的电信号转换成声音信号或者将外界声场中的声音信号转变为电信号的能量转换器件，习惯上称为超声波换能器，或是超声波探头。超声波探头材料是压电晶体或压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头，利用压电材料的压电效应来工作的，其压电效应具有可逆性。逆压电效应是将高频脉冲转换成高频机械振动，以产生超声波，可作为发射探头。正压电效应是将高频机械振动转化成高频电脉冲，可接收超声波信号，作为接收探头。
超声波测距的原理一般是回波渡越时间法，即检测从超声波发射探头发射的超声波，经空气介质的传播，与其遇到障碍物后产生回波，并被超声波接收探头接收的时间差△t，即渡越时间，求出声源到障碍物的距离S，计算公式为：
S=v△t／2 (1)
式中v为某一温度下的超声波速。

2 实验装置与控制方法
本项目研究的太阳能超声波导盲器从功能上分为太阳能供电、语音报警、量程设置、温度检测、主控制系统等五个模块，其原理框图如图1所示。

太阳能电池板固定在导盲器支架顶端，通过驱动电路连接到可充电的镍氢电池为导盲器提供5 V直流电。超声波传感器和温度传感器固定在导盲器支架前端，分别连接到主控制电路上。使用时，先选择量程，打开开关，温度传感器检测环境温度，并将检测到的温度信号传输给单片机，单片机对超声波传播速度进行修正。在量程范围内，当超声波信号遇到障碍物时，信号被反射回来，并被超声波传感器接收。信号发射到接收的时间差与障碍物的位置有关，单片机通过分析超声波发射到返回的时间差，可以计算出障碍物的距离，并执行报警程序，语音报警声可以通过耳机接线口连接到耳机。
2．1 主控制模块
主控制模块主要由单片机进行控制，包括了超声波发射电路和超声波接收电路，由于要实现远距离测量，而超声波在空气中传播，其能量会随传播距离的增大而减小，从远距离传播回来的信号比较弱，需要经过多级信号放大。