基于超声波的路障预警系统*

作者简介：刘熙明（1993—），男，贵州毕节人，硕士，助理工程师，主要从事自动控制、嵌入式控制、物联网、大数据方面研究。

0   引言

盲人出行一直以来都是我们比较关注的问题，由于各种生理上的缺陷，在出行的时候，他们看不见周围的一切，不知道前面是否有障碍物，如果在行走的过程中前面有人或者物体挡住，直接走过去会出现碰撞的情况，再比如失聪的人在马路上走着根本听不到呼啸而来的汽车声音，很容易引发危险。本文设计了一种针对残障人士尤其是失明和失聪人士的超声波路障预警系统，残障人士安装上这种系统之后能够通过避障超声波传感器判别前面是否有障碍物，如果有物体，通过振动或语音提醒使用者规避^[1]。通过路障预警系统，能够为残障人士的出行提供更加安全的保障和保护，减少他们在路上出现意外的可能性，体现了对残障人士的关怀，为他们的生命增添一份保护。

1   超声波测距介绍

超声波和人耳能够听到的声音一样，都是由物体的震动发出来的，根据物理学中对声波的定义，我们把频率高于20 kHz 的声波叫做“超声波”，超声波具有良好的方向性，对物体的穿透能力强^[2]。超声波测量距离的原理是波的反射，其测量过程如下：首先利用超声波传感器对准被测物体，发射出超声波的同时开始计时。之后超声波在空气中开始传播，遇到障碍物之后被反射回到超声波能量转换器，通过发射和接受之间的时间差计算出传播时间，然后根据超声波的传递速度和传递时间就能计算出距离。测量的距离D的计算公式为

D=ct/2

其中c 为声波在介质中的传播速度，t 为时间，超声波发射出去之后遇到障碍物被反射回来，走了2 倍的距离，因而得到上面的计算公式^[3]。

2   系统设计

本文需要设计出一个基于超声波路障预警系统，利用声音的特性达到为盲人报警、预判危险的目的，其工作机理是：整个系统包括声音传感器和超声波测距模块，安放在盲人或者聋哑人的胸前，声目标预警系统安装的超声波测距装置主要用于检测盲人在行走时前面是否有障碍物或者是行人，通过超声波测距装置测量出目标或者是障碍物离人的距离，提醒盲人规避或者是停止朝前运动，避免受伤^[4]。本设计的整个系统主要由声目标预警电路、超声波发射电路、接收电路、放大电路、单片机最小系统、液晶显示电路以及电源电路组成，系统整体结构如图1所示。

3   硬件电路设计

3.1 超声波发射和接收电路设计

超声波传感器是一种利用超声波特性做成的特殊传感器，我们知道，超声波是一种振动频率比较高的机械波，可以通过电压去激励换能晶片让其震动产生超声波。超声波具有很高的频率、比较短的波长，尤其是十分良好的方向性；对于液体和固体的穿透能力十分强大。要使用超声波作为检测手段，首先要发射出超声波和接收到超声波，因此我们需要一种超声波传感器，通常称之为超声探头或者是超声波换能器。

图2 超声波发射电路原理图

超声波接收转换电路主要是由超声波换能器、前级放大电路和锁相环检波电路构成；整个超声波接收电路如图2 所示。超声波传感器接收到反射波之后，由于经过超声波传感器转换出来的压电信号十分的微弱，不足以驱动LM567 构成的锁相环电路，因此在超声波传感器的输出级和锁相环的输入级之间增加了信号放大电路，对超声波传感器转换出的信号进行放大，在放大有用信号的同时加入了滤波电路，驱动后面的锁相环，此处的中间级放大电路不但能够对有用的信号进行放大，同时也能抑制其他的干扰和噪声，从而提升信噪比，利于后续电路的设计。图3 是超声波接收电路原理图。

图3 超声波接收电路原理图

3.2 单片机最小系统电路设计

对于本系统而言，采用STC89C51 芯片作为主控制器，该芯片支持在串口下载单片机程序，因此在我们对程序进行反复烧写时不需要频繁的插拔单片机，因此不会对芯片造成损害。单片机最小系统电路如图4 所示。

图4 单片机最小系统电路

3.3 电源电路

由于系统需要做成能够让盲人或者使用者放在身上的装置，因此需要尽量减轻质量，就本系统而言，需要的电压不是很高，只需+50 V 直流电压即可，电源提供的功率也不需要太高，因此使用电池加上稳压电路。3种电路模块电路图如图5 所示，通过蓄电池输出120 V直流电源，经三端集成稳压芯片之后输送至用电器，弊端是这种稳压模块只能提供有限的功率，但是鉴于本系统所使用的器件都属于小规模低功耗器件，因此这种供电方案完全能够满足系统的需求，系统供电方案原理图如图5 所示。

图5 系统供电方案原理图

3.4 显示电路和键盘电路设计

对于液晶显示部分，由于本系统只需要显示系统所测量出的有障碍物时候的距离，方便测试和维护系统。LCD1602 是一款显示十分优秀的液晶显示器，能同时显示16×2 也就是32 个字符。该液晶显示器采用标准16 脚接口，其中有3 根控制线，8 根双向数据线，其余的引脚皆为电源或地。我们在控制的时候利用单片机的P0 口和1602 的双向数据接口通信，用P2 口和液晶的控制线连接，此处需要在P0 口添加上拉电阻，以保证液晶的正常工作。图6 为本系统液晶显示器和单片机部分的电器原理图。

图6 LCD1602液晶显示电路原理图

3.5 报警电路设计

报警电路主要用于在系统检测到有危险靠近的时候立即发出报警信号，提示使用者注意危险，由于使用者基本都是残疾人，如果使用声音报警的话，失聪的人不能听到报警信号，因此不宜使用声音报警；而如果使用光报警的话，失明的人无法看到报警信号，也就是说，考虑到系统所面向群体的特殊性，所以选用一种新的方式报警，以手机中的振子作为报警装置。使用者把这个设备贴在离皮肤比较近的地方，当有危险靠近的时候，振子就会震动发出信号提醒使用者有危险，振子是一种直流电机做成的偏心电机，因此可直接使用三极管作为驱动，图7 为驱动电路。

图7 报警电路

4   系统调试

硬件功能调试通过及软件程序编译完成之后，通过USB 转串口的方式把程序下载到目标系统上，在上电运行之后发现系统能够正常转换距离数据，正常检测前面的物体。出于安全考虑把系统的声目标系统检测的安全距离设置为100 m，这个距离可以通过传感器模块上的电位器进行调节，设置为100 m 是因为声目标传感器主要是检测车辆，而车辆的移动速度很快，因此需要一个很大的安全距离供行人在有危险的时候做出反应。而对于跟前的障碍物检测，一般设置安全距离在1.50 m~20 m比较合适，因为人的速度比较慢，这个安全距离完全足够行人在碰到障碍物的时候做出反应并停止向前运动。经过实物测试之后发现，避障模块能够完全发挥作用，当前面没有物体的时候不会做出任何反应，继续扫描，而当前面的物体距离行人的距离比较近的时候，则会报警，并且在用于测试的液晶接口上面显示障碍物距离行人的距离，所测量距离准确，响应速度快，反应时间短，能够很好地帮助行人避障。

参考文献：

[1] 陈美銮,尹浩,黎飘,等.智能盲人导行仪的设计与实现[J].电子技术应用,2006(10):2-5.

[2] 罗庆生,韩宝玲.一种基于超声波与红外线探测技术的测距定位系统[J].计算机测量与控制,2005(4):1-3.

[3] 路锦正,王建勤,杨绍国,等.超声波测距仪的设计[J].传感器技术,2002(8):9-11.

[4] 牛余朋,成曙.基于单片机的超声波测距系统[J].兵工自动化,2005(4):44-46.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年9月期）