作者/鮑捷、陳洪斌、歐仁俠，吉林醫(yī)藥學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院

基于單片機(jī)的新型導(dǎo)盲器的設(shè)計與應(yīng)用研究

作者/鮑捷、陳洪斌、歐仁俠，吉林醫(yī)藥學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院

本文依據(jù)超聲波測距原理，利用單片機(jī)設(shè)計了一種新型智能導(dǎo)盲器，可準(zhǔn)確探測2米范圍內(nèi)的障礙物，能夠以蜂鳴報警和振動報警提醒盲人避障。測試結(jié)果表明，該導(dǎo)盲器性能穩(wěn)定，使用方便，導(dǎo)盲效果良好，值得推廣應(yīng)用。

單片機(jī)；導(dǎo)盲器；超聲測距；振動報警

引言

盲人是因先天眼睛患有疾病，或后天眼睛遭受意外傷害而存在視覺障礙的人士，分為失明和弱視兩類。失明類視障人士完全看不見，而弱視類人士的視力則低于正常視力60%。根據(jù)世界衛(wèi)生組織2010年數(shù)據(jù)，我國盲人有824.8萬，低視力6727.4萬，大約每100個人中，就有一個盲人。全世界盲人數(shù)量大約在4500萬左右[1]。盲人是特殊的群體，由于看不見或看不清，他們必須要借助輔助工具，例如手杖、導(dǎo)盲犬等，才能進(jìn)行生活并完成一些行為活動。手杖是盲人最常用的輔助工具，借助長長的手杖，盲人可以探查前方道路和地面上的障礙，或者是道路行走指向。但手杖探測范圍受長度影響，在靠近障礙物時，無法發(fā)出聲音警報，還不便于攜帶；導(dǎo)盲犬資源稀少、價格高，需要照顧，不能進(jìn)入某些特定社交場合。隨著信息科技的進(jìn)步，國內(nèi)外研制出不少電子導(dǎo)盲裝置，這些裝置大多采用 GPS 全球定位系統(tǒng),因為成本和售價較高，無法適用大多數(shù)盲人。

本文在分析盲人實際需求的前提下，構(gòu)思設(shè)計出一款新型智能導(dǎo)盲器。該導(dǎo)盲器以單片機(jī)為主控芯片，采用超聲波測距原理，可探測前方一定距離內(nèi)的障礙物，并發(fā)出報警提示，可有效輔助盲人安全行動。

1.導(dǎo)盲器整體結(jié)構(gòu)

該導(dǎo)盲器主要由主控模塊、超聲波測距模塊和報警模塊三部分組成，主控芯片采用STM32芯片，超聲波測距采用KS103模塊，報警電路利用蜂鳴器和振動馬達(dá)實現(xiàn)。電路主要功能是通過超聲波測距實現(xiàn)2米范圍內(nèi)對盲人避障提醒，如果導(dǎo)盲器與障礙物之間距離接近2米，導(dǎo)盲器會發(fā)出聲音報警和振動提示，距離越近，提示音和振動頻率越快。該導(dǎo)盲器放置在手杖內(nèi)，在盲人使用手杖觸探障礙物的前提下，輔助盲人更好的躲避大體積障礙物。圖1為導(dǎo)盲器整體結(jié)構(gòu)框圖。

■1.1 主控模塊

主控模塊的功能是控制和協(xié)調(diào)各部分電路正常工作，主要控制超聲測距模塊和報警電路。當(dāng)系統(tǒng)接通電源后，主控電路控制超聲波測距模塊發(fā)射方波、回波檢測、溫度補償、距離計算和數(shù)據(jù)存儲，然后根據(jù)所測距離控制報警電路發(fā)出提示。

圖1 導(dǎo)盲器整體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)主控模塊選用性能好、速度快、低功耗的STM32芯片，它是整個控制模塊的核心器件，是32位微處理器中功耗最低的，待機(jī)時電流可達(dá)2μA,工作電壓在2～3.6V，系統(tǒng)為其提供3.3V電壓。

■1.2 超聲波測距模塊

本導(dǎo)盲器采用KS103超聲波測距模塊，該模塊有I2C接口和TTL串口模式，測距模塊和主控芯片采用I2C模式連接通信，當(dāng)測距模塊的模式選擇MODE引腳懸空時為I2C模式。在該模式下控制芯片最多可擴(kuò)展連接測距模塊20個，以滿足不同情況的需求。該模塊探測頻率500Hz,每秒可探測500次，模塊包含超聲波發(fā)射器、接收器和外圍控制電路[2]。工作電壓3～5.5V,為確保測距量程不受影響，系統(tǒng)為其提供5V電壓。測距模塊發(fā)射端發(fā)出方波，方波在遇到障礙物后會反射回來，回波被接收端接收，當(dāng)有效的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)和回波時間采集到后,經(jīng)測距模塊的控制程序進(jìn)行溫度補償計算、計算出測距點與障礙物之間的距離，主控模塊根據(jù)返回值進(jìn)行下一步動作，如果所測距離低于安全值，系統(tǒng)會啟動報警模塊，從而發(fā)出警示提示。

超聲波測距是一種非接觸式檢測方式，在使用中不受光照度、電磁場和被測物色彩等因素影響[3],但其受傳播介質(zhì)和溫度的影響，為提高測距的準(zhǔn)確性，在測距模塊中有溫度補償，具體計算公式如下：

式中，T為環(huán)境溫度，單位為攝氏溫度；331.4m/s為超聲波室溫下在空氣中傳播速度；

s為發(fā)射點到反射點的距離，即待測距離；t為從發(fā)射超聲波至接收到回波的整個時間。

■1.3 報警提示模塊

該導(dǎo)盲器的報警模塊有兩部分組成，蜂鳴器報警和振動報警。由于室外環(huán)境嘈雜，為防止盲人漏聽或誤聽蜂鳴器警報提示音，系統(tǒng)還設(shè)計了振動報警，會隨著測量距離的變化而改變振動頻率，系統(tǒng)采用的是微型手機(jī)用扁平式振動馬達(dá)，工作電壓3.3V，成本低、體積小、功耗低，適用于便攜式系統(tǒng)中。

2.軟件設(shè)計

系統(tǒng)利用C語言進(jìn)行軟件編程，整體采用模塊化設(shè)計，主要包括主程序、延時子程序、超聲波發(fā)射子程序、超聲波接收子程序、測距子程序和報警子程序等。報警子程序分為振動報警子程序和蜂鳴器報警子程序。

系統(tǒng)主程序流程如下：系統(tǒng)初始化以后，啟動定時器，調(diào)用發(fā)射子程序,延時10ms，開中斷準(zhǔn)備接收回波，如果接收到回波，關(guān)定時器，調(diào)用測距子程序，根據(jù)測量的環(huán)境溫度和檢測到回波的時間計算距離，并將計算后的距離返回主程序，如果在10ms內(nèi)未檢測到回波，發(fā)射器重新發(fā)射方波；如果返回值距離小于2米，主程序調(diào)用報警子程序，啟動蜂鳴器和振動馬達(dá)同時報警。

3.系統(tǒng)測試與實現(xiàn)

本文設(shè)計的基于單片機(jī)的新型導(dǎo)盲器，具有一定的前瞻性和先進(jìn)性，而且成本低廉，普適性較強(qiáng)。為測試導(dǎo)盲器的實際使用效果，擬從硬件和軟件方面分別進(jìn)行調(diào)試，并進(jìn)行了距離測試、繁雜環(huán)境測試、使用適應(yīng)性測試、實用性測試等相關(guān)測試。根據(jù)調(diào)試結(jié)果調(diào)整程序，再次進(jìn)行了距離測試。結(jié)果表明，在障礙物探測距離、物體判斷準(zhǔn)確性方面，導(dǎo)盲器完全符合設(shè)計預(yù)期，蜂鳴和振動提示清晰、準(zhǔn)確，可較好地為盲人安全出行保駕護(hù)航。

4.結(jié)語

本文所設(shè)計的新型導(dǎo)盲器，是一種基于超聲波測距的新型導(dǎo)盲器，對2米范圍內(nèi)的障礙物，能進(jìn)行準(zhǔn)確探測，并以蜂鳴和振動形式提示盲人，幫助盲人及時避障。導(dǎo)盲器智能化水平較高，設(shè)計簡單而人性，便攜性好、探測精準(zhǔn)，成本低廉，可以進(jìn)行進(jìn)一步推廣。不過，由于受到多種因素的影響，本設(shè)計仍有許多值得改進(jìn)的地方，例如，對2米范圍外的物體探測準(zhǔn)確性不高，不能同時探測左右方向的障礙物等，上述不足之處，將在后續(xù)研究中進(jìn)行完善。同時，還可考慮導(dǎo)盲器與手機(jī)功能融合,進(jìn)一步設(shè)計出具有導(dǎo)盲功能的手機(jī),為盲人用戶提供便利。

* [1]李筱雅,高寒,張璐璐,郭豐超,唐戎. 基于單片機(jī)的超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)[J].電子世界,2016,07:123-124.

* [2]帥盼,張海寧,白福等. 基超聲波測距的汽車倒車避障系統(tǒng)設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù),2016,09:54-57.

* [3]趙海鳴,卜英勇,王紀(jì)嬋. 一種高精度超聲波測距系統(tǒng)的研制[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2016,06:62-65.

課題支持：吉林省教育科學(xué)“十三五”一般規(guī)劃課題“《模擬電子技術(shù)》課程互聯(lián)網(wǎng)+交互學(xué)習(xí)模式與資源共享構(gòu)建研究”（GH170528）；吉林省教育科學(xué)“十三五”一般規(guī)劃課題“基于醫(yī)學(xué)儀器技能實驗平臺理論教學(xué)與知識體系構(gòu)建研究”（GH170527）；吉林省高等教育學(xué)會課題（JGJX2017D181、JGJX2017C72）。