1、本科生毕业论文（设计）题 目: 超声波电子导盲手杖的设计 姓 名: 学 院: 专 业: 班 级: 学 号: 指 导教师: 职称: 20 年 月 日XX 大学教务处制I目 录摘要.1关键词.1Abstract.1Key words11 绪论.11.1 研究背景与意义.11.2 国内外已经研制成功的超声波导盲装置.21.2.1 电子导盲仪（ETA）21.2.2 移动式机器人.31.2.3 穿戴式导盲仪.41.2.4 引导式手杖.42 超声波导盲系统的工作原理.42.1 超声.42.1.1 超声概述.42.2 超声波传感器.52.2.1 传感器的种类及特点.52.2.2 超声波传感器的选取.62.3
2、 超声波测距的应用.62.4 超声波测距的发展概况.72.5 超声检测的原理和方法.72.6 超声波测距的基本原理.82.7 测量精度的问题.92.7.1 影响测量精度的因素.92.8 提高测量精度的措施103 超声波导盲手杖系统的设计113.1 总体实现的功能113.1.1 障碍物检测113.1.2 超声测距113.1.3 实时显示检测结果113.2 系统总体设计113.3 系统总体分析123.3.1 CPU 的选型 123.3.2 超声波发射电路133.3.3 超声波接收电路133.3.4 告警模块设计153.4 超声波导盲手杖的软件设计163.4.1 系统软件设计原理163.4.2 系统
3、软件设计框图173.4.3 单片机的 C 程序设计17致谢25参考文献26附 录.271超声波电子导盲手杖的设计农业电气化与自动化专业学生 指导教师 摘要：中国是世界上盲人数量最多的国家。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。为了解决这一问题，本文模仿蝙蝠的超声应用能力和原理，在研究现有的电子式超声波导盲系统的基础上，应用回声定位原理，通过发送超声波，然后获得并分析障碍物的回波信息，研制了一套超声波导盲系统。本系统采用 AT89S52单片机作为控制器, 利用超声测距的原理, 设计了一种超声波导盲装置，该装置可以对盲人前面道路上的障
4、碍物进行距离探测并把障碍物距离信息转换成声音或震动提示, 盲人可以根据提示声音或震动，达到导盲作用。该系统具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小等特点。关键词：超声波；单片机；导盲系统The design of Ultrasonic electronic Blind stickStudent majoring in agriculture electrification and automation Tutor Abstract: China is a country that owns the largest number of blind people in the world. The
5、blind live in darkness world, It has brought great difficulties to work, living and social activities. How to walk safely is the biggest problem for the blind in the life. To solve this problem, this article imitate the bats ultrasonic applications Capability and principles .In the study of existing
6、 e-ultrasonic Guide systematic basis, Apply echolocation Principle, By sending ultrasonic, Obtain and analyze the obstacles and then return information, developed a system of ultrasonic guide. The system uses AT89S52 microcontroller as the controller, using ultrasonic distance measurement principle,
7、 design an ultrasonic guiding equipment. The device can detect the distance of obstacles on the road that is in front of the blind. Than turn the distance information of the obstacle into sound or vibrating alert, According to sound or vibration, Blind may achieve guide effect. The system has some c
8、haracteristics, For example the hardware structure is simple, the work is reliable, measurement error is small and so on.Key words: Ultrasonic; MCU; guidance system for the blind1 绪论1.1 研究背景与意义我国曾在上世纪 80 年代进行过视力残疾状况调查，结果显示，我国有视力残疾患者近 1300 万，其中盲人约就有 550 万。从全国防盲技术指导组办公室得到的数据也显示，我国有 500 万盲人，占世界盲人总数的 1/
9、51。随着人民生活水平的不断进步，让生活变得越来越简单方便成为了人民普遍追求的生活理念。盲人既是我们普通人民中的一员，又是一个特殊群体，他们由于先天的生理缺陷在日常生活中比我们常人会遇到更多的不方便，不能准确及时的发现并躲避障碍物就是一个重要的弊端。虽然在现实生活中大多数的盲人都是借由普通的拐杖来辅助行走的，但这种拐杖只是一根普通的长杆，存在着太多的不足，比如不能探测上方悬挂的障碍物，不能识别稍远一点的障碍物等等 2。导盲犬虽然是引导盲人行进的不错选择，然而训练的不易、耗时及成本高昂也使得导盲犬的使用率并不高。如果有一种既轻巧，又便宜，同时又能及时的识别周围障碍物并发出报警信号的智能拐杖在盲人
10、的手中将会为盲人的生活提供极大地方便。同时随着计算机技术、自动化技术及工业机器人的不断出现，测距与识别技术在工业中已经得到了普遍的发展，如何把这种非接触式检测与识别技术应用于民用领域也变得十分重要。蝙蝠擅长在黑夜中飞行，在漆黑的环境里仍能够准确的判断物体的方位及距离，并能有效的避开树、建筑物等障碍物，以极快的速度精确地飞翔，蝙蝠的这种功能是通过回声定位来实现的。所谓回声定位，就是某些动物能通过口腔或鼻腔把从喉部产生的超声波发射出去，利用折回的声音来定向。比如蝙蝠，它通过喉部发出频率大约 100KHz 的超声波脉冲，当遇到食物或障碍物时，脉冲波会反射回来，蝙蝠用两只耳朵接受物体的反射波，并据此确
11、定该物体的位置，并可从两耳分别接受到回波间的差别，来辨别物体的远近、形状及性质，物体的大小则由回波中的波长区别出来。根据蝙蝠的这种仿生学原理，超声检测与识别技术得到了广泛的应用，特别是医用以及工业领域中，如医学超声检测，超声探伤等。超声波具有传播速度慢，指向性强，能级消耗缓慢，对色彩、光照度不敏感的特点，同时超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制的特点 3。综合以上优点，如果采用超声检测的方法实现对障碍物的识别，同时将这一项技术应用于导盲产品中将有广阔的发展前景。1.2 国内外已经研制成功的超声波导盲装置为了提高盲人的生活质量，增加其行
12、走能力，世界各国一直在进行着导盲系统的研制。有许多研究已经有了成功的案例，比如：超声波导盲系统、无线电导盲系统、卫星导盲、盲人电子眼镜、红外线导向灯系统等 4。其中无线电、卫星导盲系统和红外线导向灯系统，要求改善周围的环境设施，患者借助于外来信息确定自身的方位，虽然反映的信息较多，但耗资庞大，信息量固定，发展更新迟缓，而且也很容易受到外来信息的干扰或者遭到人为的破坏；电子眼镜用光导和摄像原理将景物和周围物体成像转换成相应的听觉信号，虽然结构简单，信息质量固定，但是系统复杂、成本昂贵。超声波导盲系统实现成本低、使用方便、抗电磁干扰强、对光线不敏感、无电磁辐射，因此被广泛采用 5。已经研制成功的超
13、声波导盲系统大体可以分为四类：基于电子技术的导盲仪(Electronic travel aids，ETA)、移动式机器人(Mobile robot)、穿戴式导盲仪和导引式手杖。1.2.1 电子导盲仪（ETA ） ETA 的工作原理与雷达系统类似，由探头向一定方向上发送一连串的超声探测波，这些超声波在传送过程中遇到障碍物会被反射回来，被指定的传感器接收，从接收到的回波中可以得到障碍物的信息。最早使用超声的 ETA 产生于 1965 年，名字为Russell Pathsounder，它是将两个超声探头安放在好后挂在人的颈部，然后把它放置于位于胸部高度的板上。收到前方障碍物的信息后仪器就会产生声音报
14、警，但这种仪器仅能产生三种滴答声，通过这种滴答声粗略地提示目标距离 6。完成于 1974 年的Sonicguide，它的外型类似于一个眼镜框，一个具有 55声束角的广角超声发射器安放在镜架的中央，两个超声波接收器被分别安放在镜框的两侧。两个接收器获得的信号经过频移，分别传入左右耳。使用者根据传入两耳之间的声音强度差，可以判断出障碍物的方向（声音以立体声呈现，靠近物体的那只耳朵听见的声音大于另一只耳朵听见的） ；障碍物的距离被编码成可听低频声音的频率（声调越高，距离越近） ；物体3的某些表面特征通过声音的特征来体现（例如，不均匀分布的声音可能表示一棵树，均匀分布的声音可能代表一面墙） 。结合使用
15、者头部的运动，能清楚的获得障碍物的位置 6。Mowat Sensor 完成于 1977 年。它可以相当于一支点字棒，主要是把收集到的超音波讯息，根据物件的距离来发出不同程度的震，使用者通过触觉获得的震感来获得周围障碍物的距离信息。感应的范围可分一米和四米，使用者可利用按钮随意选择 Mowat Sensor 的好处是可以帮助寻找到小物件如锁匙等，也可以探到半开的门。韩国的 Young-Jip Kim 等人在 2001 年研发出的 ETA，其探测组件分两部分：眼镜和手杖。眼镜框两侧安装有两个发送和接收超声波的超声探头，用于探测头部高度前方的物体；在有滚轮的手杖前端也安放两个超声发射接收探头，探测地
16、面高度前方的物体。两组探头获得的位置信息分别转化成可听的嗡鸣声送至立体声耳机，使用者借此判断周围环境。其中障碍物的方向信息转化为双耳间所听到得嗡鸣音的相位差和强度；障碍物的距离信息转化为嗡鸣声的频率，距离越远频率越低，距离越近频率越高；不同探测组件得到的嗡鸣声的音阶不同，从眼镜探测组件得到的音阶高，从手杖探测组件得到的音阶低。此款设计重量轻，体积小，便于携带，制造成本低，易于使用，并且低功耗，可使用电池供电 7。2002 年，英国利兹大学的迪恩沃特斯就和他的同事们根据超声定位原理，研制成功了一种被称为“Batcane”的超声波导航装置。和蝙蝠一样，这个轻便的小装置每秒钟能发射 6 万赫兹的超声
17、波脉冲，这个频率的脉冲是人耳所无法听得到的声纳波，当它碰到障碍物时，反射回来的声波都能被这个装置接收并转换成人手能感知的轻微振动，通过安装在拐杖塑料手柄上的 4 个小衬垫传递给使用者，任何在其附近的物体都会引起其手杖塑料柄上的四块垫子中的一块发生震动。障碍物越近，振动的频率越快，利用这种声纳波，盲人能够发现其前方、周围，甚至在其上方的障碍物，从而帮助存在视力缺陷的人士避开台阶或低洼的地面。综上可知，ETA 的缺陷是工作时需要使用者不断进行扫描探测动作，而发现障碍物后，必须经过附加测量才能知道其尺寸，因此降低了行进的速度。但由于其结构比较简单，便于携带，而且成本相对低廉，因此得以推广。1.2.2
18、 移动式机器人 移动式机器人 8目前广泛的应用在工厂自动化中，主要用于物件的搬运。由于安全与自动化的的要求，移动式机器人一般具有多种的感测器、强大的计算能力以及高度的智能化的障碍物躲避系统(obstacel avoidance systems,OAS)，OAS 可以探测障碍物的位置，并制定出合理的行走计划，使得机器人在复杂的环境中可以进行自主的导航，例如：位置估测、路径规划、轨迹追踪、障碍物闪避等复杂的功能。因此基于移动式机器人技术的导盲仪，功能上较 EAT 有很大提高。例如 Yamanashi University 的HITOMI 和 HARUNOBU，以及 NavChair 与 PAM-A
19、ID 都是用于导盲的大型自走式机器人。NavChair 又名“辅助性轮椅导航系统” ，也就是导航轮椅，是由密西根大学（Michigan university）机器人实验室研发成功的。它是将智能机器人技术应用于电动轮椅，是一种服务器机器人，可以进行自主导航并有效的避开障碍物。PAM-AID 是一个“智能行走机” ，通过 Bayesian 网络将用户的输入值与传感器推导出的高级信息结合起来对用户的当前导航目标进行环境相关估算。这种“智能行走机”可以帮助老弱盲人在室内安全行走。移动式机器人虽然比 ETA 功能更完善，更加的智能化，但是它的结构过于复杂，因此对于倾斜路面、上下楼梯或者需要跨越的障碍物的
20、处理相当困难，在行动的范围与地形上也会受到限制；并且行走的路径是由移动机器人规定决策的，这导致盲人使用者的行进是被动式的被机器人引导；此外即时的自主式行走需要大量的复杂算法的支持，导致硬件及开发成本上都会付出相当高的代价 9，因此并没有得到广泛的应用。1.2.3 穿戴式导盲仪 NavBelt，顾名思义是一种具有导航功能的腰带，是由美国密执安大学移动机器人实验室的科技人员 Borenstein 与 Koren 共同发明的。NavBelt 的概念形成于 1989 年，它的设计理念来自于移动式机器人与盲人两者在运动上的相似性。移动式机器人与盲人同样具有执行运动、行进的能力，但却同样需要一个探测系统来
21、探测行进路上的障碍物并加以躲避，因此直接将移动式机器人的障碍物躲避系统穿载在盲人的身上，盲人作为半被动的接受障碍物躲避系统命令的运动工具，并且具有比移动式机器人更灵活的行动能力。该装置由安放 8 个超声探头的腰带、置于背包的小型计算机和立体声耳机组成。超声探头收发一体，声束角为 150，采用误差消除快速超声激发理论（Error Eliminating Rapid Ultrasonic Firing，EERUF） ，可以消除重叠干扰，均匀排列的 8 个探头可以探测到 120范围的物体。OAS 运用矢量场直方图技术（VectoField Histogram,VFH）将超声探头获得的信息加以处理，通
22、过立体声耳机，采用立体声图像技术，指引使用者行走。NavBelt 因为是穿载在盲人的身上的，因此无法像导盲犬一样提供给盲人心理上的安全感和依赖感。1.2.4 引导式手杖 较为新颖的导盲机器设计是在拐杖的末梢接上一组载有许多传感器、小型控制计算机而下方装有导轮的移动式平台，也就是将原本移动式机器人的动力系统移除，保留智能感测的部分。这样的架构特点是：舍弃动力装置，可充分减少机器的体积重量及盲人的负担，大大提高机器的可移植性；系统复杂度减小之后，可以着重在感测系统与导航辅助技术的设计上；轮子拐杖（Wheel-cane）的机构设计相对于 NavBelt，在心理层面上可以给予盲人较大的依赖感与安全感。
23、因此导引式手杖的设计可以祢补目前拐杖、电子式行进辅具、移动式机器人及 NavBelt 的缺点。目前已存在的此类型机器主要是 Borenstein 的 GuideCane。GuideCane 的概念形成于 1995 年，它是美国密西根大学继 NavBelt 之后研发的，它的外形类似一种立式吸尘器或一台割草机，可看作为电子导盲犬。这种引导手杖由三部分构成：手柄、机架和车轮。在使用时，使用者握住手柄，推动 GuideCan 行进。通过手柄上的微型控制杆，设定行进目标方向。根据超声探头获得的信息，运用 VFH 技术，计算机产生周围环境的虚拟地图，通过伺服电机，控制转向轮的方向引导使用者行进。Guide
24、Cane 与 NavBelt 相比是将原先有人背负的设备转至拐杖末端的移动式平台上，减少了机器的体积重量给使用者带来的负担，提高了可操作性 9。GuideCane 的缺点是体积还是过于庞大，不便于携带，而且成本较高，所以不便于推广。2 超声波导盲系统的工作原理2.1 超声2.1.1 超声概述声波按频率高低不同可分为四种 10：频率在 16KHz20KHz 之间的机械波，能为人耳所闻，称为声波；低于 16KHz 的机械波称为次声波；高于 20KHz 的机械波称为超声波；高于 10MHz 的机械波称为特超声波。声波产生的条件是首先要有一个作机械振动的质点作波源，其次要有传播振动的弹性介质。此外，当
25、振动传播时，振动的质点并不随波而移走，只是在自己的平衡位5置附近振动而已，这与电磁波（交变电磁场以光速在空间的传播）是完全不相同，与光波也不同 11。因此超声作为一种高于人的听觉范围的声波，与光波与电磁波不同，是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播；电磁波的传播速度为3108m/s，而超声波的传播速度为 340m/s，其速度相对电磁波是非常慢的，对于相同频率的情况下波长较短，因此可以提高测量的分辨率；超声波在相同的传播媒体里传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，作为纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的 12。在两种介
26、质的交界面，声波会发生反射、折射、衍射、散射等现象。超声波也具有这些传播规律 13，与可听声波的规律并没有本质上的区别。但超声波作为一种特殊的声波，同时又具有方向性好，加速快等特点，而且波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米，因此与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。功率特性当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声
27、波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。2.2 超声波传感器2.2.1 传感器的种类及特点一般的障碍识别都采用非接触式方式来测量被探测物体的空间位置的。非接触式识别测量的方法很多，所测得距离从纳米级到成千上万公里不等，原理也各不相同。对于导盲系统来说，探测的距离一般为几十厘米到几米之间，根据不同的探测原理，所用的传感器有以下两种 14：（1）红外和光电传感器这类测距传感器是依靠红外线或是其它不可见光的直线传播特性。通过光敏元件来发射和接收信号，从而判断障碍物的存在与否。由于光线的传播速度极快，通常难以通过简单的装置估算其传播距离，因此在简单、低成本的应用中，这类传感器也是主要
28、用于状态的判断（障碍物的有无、物料是否到位、液面是否过高等）而无法实现对距离的实时测量。（2）超声波传感器超声和可闻声在本质上是一致的，它们都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量的传播形式，都能在媒质中发生反射、折射、衍射、散射等传播规律，其不同点是超声频率高，波长短。由于声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功，而且在相同强度下声音的频率越高做功也越多，因此与一般的声波相比，超声波的功率要大得多。同时超声波的波长非常短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射特性也很差，在均匀介质中能够沿直线定向的传播 15。超声的这些特特性被广泛
29、的应用于超声波探伤、测距以及超声成像技术中。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。采用超声波传感器有以下几个方面的好处：（1）测量方式原理简单，易于实现。（2）测量的精度高（3）超声波传感器有一定的覆盖性，可以用较少的传感器数量覆盖较大的测量范围。2.2.2 超声波传感器的选取超声换能器按照发射与接收是否同体可分为收发同体与收发分体式两种 16 17。其中收发一体式就是发送器和接受器为一体的传感器，即可发送超声波，又可接受超声波；收发分体式是发送器用作发送超声波，接受器用作接受超声波。为
30、了操作的简便，本文超声波导盲系统选用的是 TCF40-18TR1 型传感器。这是一款压电陶瓷式收发同体超声波传感器。其中心频率为 40KHz，发射声压在 10V，0dB=0.02m/Pa 的条件下95dB；接收灵敏度在 40KHz 中心频率，0dB=10V/pa 的条件下-65dB；静电容量为1260pF2340pF；探测距离为 0.23m；-6dB 下的指向角为 60o。其发射声压方位特性图如图 2-1 所示 18。图 2-1发射声压方位特性图2.3 超声波测距的应用利用超声波来实现定位是蝙蝠等生物作为防御和捕捉猎物的手段，生物体可以发射出人们不能听到的超声波（20KHz 以上的声波） ，借
31、助空气或其它介质传播。通过捕捉障碍物反射回来的时间间隔长短和反射回来的信号强弱来判断反射物的类型及距离的远近。超声学是近年来发展十分迅速的一门技术，人们采用仿真技能，利用超声波，已应用在很多方面。超声技术可分为检测超声和功率超声，作为检测用的超声波显然属于检测超声的范畴。检测超声主要是利用超声的信息载体作用，即通过超声在媒质中的传播、吸收、散射、波形转换等，提取反映媒质本身特性或内部结构的信息，达到检测媒质性质、物体形状或几何尺寸、内部缺陷或结构的目的。利用超声对目标进行检测有其独特的优点：超声波在传播时，方向性强，能量易于集中，几乎沿直线传播；超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距
32、离；超声波对色彩、光照度不敏感，对外界光线和电磁干扰不敏感，可以用于黑暗、有烟雾或灰尘、电磁干扰强等恶劣的环境中；超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。正因为超声波有着这些独特的优点，在国民经济和国防中越来越被人们所重视。目前，超声波已广泛应用在民用及国防工业中。例如，用超声波可以探测海洋潜艇的位置、鱼群以及确定海底暗礁等障碍物形状及位置；利用超声波传播的时间确定物体的长度以及超声波在固体里遇到障碍物的反射来确定物体内部损伤的位置，称之为无损探伤；利用超声波测距辅助机器人确定自身位置，从而准确避开障碍物，按照预先规划好的行进方向来完成预定任务。另外还有应用
33、于矿井探测、液面探测、物位的测量、汽车报警等领域。7超声波测距主要是利用超声波在介质中传播时表现出来良好的性质进行距离测量的，与军事、大型工业领域广泛采用的微波雷达测距、激光测距等技术相比，这种检测技术难度相对较小，成本比较低廉，不易受环境的限制，应用起来比较方便、迅速、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能够达到工业实用的要求，因此超声波测距技术得以广泛的推广和应用。2.4 超声波测距的发展概况超声波测距虽然被大量应用于各种工业领域，但他在低信噪比下测距精度较低，多个超声波测距条件下会产生相互影响，另外测距的盲区较大，这些固有的特点也限制其进一步广泛应用。在目前使用的超声测距技术中
34、，应用最多的是 Pellam 和 Galt 于 1946 年提出的脉冲回波检测法，其原理是通过超声传感器发射超声波，并接收从被测目标反射回来的回波信号，确定超声脉冲从发射到接收的时间，然后再根据超声波传播的速度，计算出超声波传感器与被测物体之间的距离。为了提高超声波位移检测的精度，国外在这方面做了大量的研究，国内的一些学者也做了相关的研究。厦门大学的童峰研究了一种回波轮廓分析法。提出在超声测距系统中，测距误差也即声脉冲传输时间的测量误差，实际上是对测距脉冲回波前沿的检测误差。根据声波的发射，反射及传输理论推出了测距回波包络曲线的近似方程，并用实验验证了这个方程，据此提出了一种高精度超声波测距的
35、信号处理方法，通过这样处理后超声波的传输时间的精度得到了很大提高。中国科学院上海声学实验室的王润田提出，超声波频率高，衰减系数大，传播的距离短，因此用来测距的超声波频率不能太高；但另一方面频率低，波长就长，测距的误差就增大，实际上测量精度与测距范围是矛盾的。为了在一个较远距离的范围内提高测距的精度，王润田提出，在测距时同时发射两个频率的超声波，频率较高的进行近距离的测量，频率较低的进行远距离的测量，这样就实现了在较远范围内提高测距精度。东南大学无线电工程系研究了窄带超声传感器对测距精度的影响，采用了基于横向滤波器的解卷积的处理方法使接收信号的带宽得到了扩展，并利用最小均方误差算法构造了解卷积滤
36、波器。实验结果表明，这种处理方法有效提高了系统的测距精度。意大利的Carullo等人提出了一种自适应系统，采用特殊的发射波形使获得的回波包络比较理想，同时估测环境对噪声的影响，设置一定的回波阈值电平，且采用自动增益的控制放大器，通过这些措施来提高超声波的测量精度。日本三菱电气公司的Tomonori等人采用两种的发射频率来发射超声波，通过比较两种回波的相位来决定回波的起点，也提高了传播时间的精度，从而提高了超声波的测距精度。另外也有大量的文献资料介绍了采用小波变换理论来提高传输时间的精度和数字信号处理技术，这些处理方法对于提到测距精度都有较好的效果。2.5 超声检测的原理和方法超声检测与超声测距
37、所用的方法类似。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2-4所示。具体的说就是当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
38、后极的放大电路等的处理后被采集处理。图 2-2超声波测距原理图2.6 超声波测距的基本原理距是一种非接触式的检测技术。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、灰尘、烟雾、电磁干扰，恶劣环境下有一定的适应能力。而且超声波测距系统具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。因此超声波作为非接触测量手段，越来越引起人们的重视。超声波传感器发出超声波，在介质中传播遇到障碍物反射后再通过介质返回到接收探头，测出超声波从发射到接收所需的时间，然后根据介质中的声速，就能算得从探头到障碍物的距离。根据所用探头的工作方式，可分为自发自收单探头方式和一发一收双探头方式。单探头方式就是探头发出的超声波在介质
39、中传播，遇到障碍物反射后返回至同一探头而被接收。如图 2-3 所示，探头到障碍物的距离为 S，测距表达式为：（2-ct21S1）式中：S 为所测障碍物的距离，c 为超声波在介质中的传播速度，t 为超声波从发送到接收所经过的时间。从上式可看出，只要已知声速 c，就可以靠准确测量时间 t 的方法来精确测量距离 S。探头障碍物S发射接收图 2-3 单探头测距原理图双探头方式是一个探头只负责发射超声波，另一个探头只负责接受反射回来的超声波。如图 2-2 所示，H 为两个探头之间的距离，声速从探头至障碍物的路径为 D，而探头至障碍物的距离为 S，则：（2-2）ctD219（2-3）21HDS式中：D 为
40、声速从探头至障碍物的路径，c 为超声波在介质中的传播速度，t 为超声波从发送到接收所经过的时间，S 为探头至障碍物的距离，H 为两个探头之间的距离。SHD发射探头接收探头障碍物图 2-4双探头反射式测距示意图在应用中一般发射探头与接收探头之间的距离很近，当探头与障碍物的距离较远时，D 与 2S 相差很小，可以忽略不计，即所求的 D 就为所测探头与障碍物之间的距离。一般来说，单探头自发自收的工作方式是优先考虑采用的方式，这是因为：第一，单探头方式中计算距离的公式比较简单，而双探头方式的计算公式中都须进行一些修正；第二，探头多了，占地就多，所用的接插件和电缆等附件的数量都增多，出现故障的可能性也相
41、应增大。从经济、安装和维修等各个角度来看，都较不利。2.7 测量精度的问题2.7.1 影响测量精度的因素在测距公式 中，声波在介质中的传播速度 c 是一个受多种因素影响的变量，12Sct声时 t 是由计时电路测量得到的，并随着被测距离的改变而变化的，对式(2.1)两边微分得到1()2dSctd（2-4）式(2-4)说明，超声波测距系统的测量精度是由声时和声速两个参数决定的。1声时的影响修正在影响声时精度的诸多因素中，计时电路的计时频率和超声波的发射频率有是两个重要因素。(1) 计时电路的计时频率取 c为常数，则（2-4）为：12dLct(2-5)假设计时频率为 f，则(2-4)为f (2-6)
42、(2-6)表明：计时电路的计时频率越大，测试精度越高。(2) 超声波频率超声波传感器收到回波信号后转换为电信号输出，电信号（接收信号）的幅值随时间的变化规律如图 3-2 所示。如果将触发计时电路的阀值设为 A 点所在的水平电信号，那么，计时电路的计时时间比接收信号的开始时间滞后了 2 个周期，在测量距离时将产生 1 个波长的误差，即：LcT （2-7）式中：T 为超声波的周期， 为测量距离内将产生的误差接收信号时间触发阈值A图2-5 接收信号示意图所以，超声波频率越大，周期就越小，传感器的测量精度越高。并且超声波频率高，绕射能力弱，扩散角小，波束细，则盲区比较小。但在选用超声波换能器时，还应考
43、虑到超声波换能器的频率越大，传播过程中的衰减系数越大，将影响它的有效测试距离。本系统属于近距离测量，因此选用频率较高的 125KHz 超声波。式(2-1)明：超声波测距系统在测量距离时，必须知道超声波在介质中的传播速度，才能根据计时值中求出所测物体的距离。超声波的传播速度是一个变量，受多种因素影响，即使在传播介质确定的情况下，介质温度、压力、风力等因素的改变，也将影响超声波的传播速度。所以，在超声波测距系统的实际应用中，很难得到一个稳定不变的超声波速度，因此必须对超声波的速度进行实时校正。对于在大气中传播的声波而言，引起声速变化的主要原因是温度的变化。(1) 温度传感器校正如果传播介质比较稳定
44、，而且温度是影响传播速度的最主要因素，那么就可以采用温度传感器对超声波速度进行实时校正。校正方法：通过试验确定在传播介质中超声波速度与温度之间的关系曲线，按照一定的温度间隔得到一个温度与速度的关系表格，最后将温度与速度的关系表存入超声波测距系统的软件系统。在实时测距时，系统通过温度传感器获得介质的实时温度，然后从速度与温度关系表格中取出对应速度， （如下表 2.5 所示数据）从而清除温度对超声波的影响，则求出实际测试距离。表 2.5 超声波的传播速度与温度关系温度/ -30 -20 -10 0 10 20 30 100声速 m/s 313 319 325 333 338 344 350 388
45、2.8 提高测量精度的措施针对上述测量精度的影响因素，采取如下措施可以提高超声波测距传感器的测量精度。1. 提高计时电路的计时频率如果选择 1 MHz 脉冲频率，则计时频率周期可达到 ，如果 ，则测1Ts34/cms试精度为： 。可见，如果提高计时电路的计时63410.17lcTm频率，则精度会提高。2. 提高超声波换能器的固有频率如果超声波的固有频率为 40 KHz，并假设接收信号滞后两个周期，则式(2.7)得测试误差为： 。如果超声波的固有频率为 125KHz，则测试1348.350lc误差将缩小 3.125 倍。3. 超声波的传播速度与温度关系11根据当时的温度情况，对照超声波的传播速度
46、与温度关系，采用适合的声速来进行计算。3 超声波导盲手杖系统的设计3.1 总体实现的功能3.1.1 障碍物检测这是本系统要实现的一个最主要的功能，目的是能够对盲人周围的建筑、凸起、沟壑等障碍物进行自动判断和定位。同时对回波信号运用一定的数字信号处理技术进行分析以便反映出障碍物的性质。3.1.2 超声测距该部分是利用超声波在空气中传播时遇到障碍物返回的特点来实现测量距离的目的。根据超声波从发射到接收到回波的时间以及此时的声速就可以计算出障碍物的距离。由于超声在空气中传播有衰减，加上环境以及电路本身的噪声干扰，测量距离有一定的上限，超过上限距离的障碍物的回波将无法检测到；同时由于发射超声波对接收超
47、探头的影响，测量距离存在下限，低于下限距离的障碍物回波将无法与干扰信号区别开。系统测量的就是介于上限与下限距离范围的障碍物信息。3.1.3 实时显示检测结果当检测到障碍物时，系统会发出告警信号。3.2 系统总体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，将传感器的信号转换为距离信息，通过语音播报或振动提示。系统工作原理方框示意图如图 3-1 所示。图 3-1系统工作原理方框示意图整个系统包括以下几个模块：（1）CPU 模块（2）超声发射模块该模块包括产生超声激励脉冲的发射电路和超声探头，由单片机控制产生激励脉冲激励探头发
48、射超声波。（3）回波信号接收模块该模块由前置比例放大电路、程控放大电路和滤波电路四部分构成。回波信号经超声超声波换能器 单片机调试功能测试电机振动控制 语音报警功能闹钟及播报时间波传感器接收后转换成电信号，再经放大和滤波使信号的幅度和信噪比达到一定程度，满足信号处理的要求。（4）电源模块该模块为整个系统供电。（5）显示模块该模块主要用来闹钟的设定。3.3 系统总体分析3.3.1 CPU 的选型单片机在控制领域中，具有很多优点，它体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，它能方便的组成各种智能化的控制设备；面向控制，能针对性的解决从简单到复杂的各种控制任务，而能获得最佳的性能价格比；它抗干扰能力强，
49、适用范围宽，在各种恶劣的环境下都因能可靠的工作，这是其它类型计算机无法比拟的；此外，可以方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高，所以我们可以利用单片机与超声波技术的的结合来实现测距。基于单片机的超声波测距系统易实现，成本低，精确度高，并且容易做到实时控制，具备较强的实用性。本系统中，单片机模块由 AT89S52 单片机及其外围电路组成，是整个超声波测距仪的核心电路。AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序
