Design of ultrasonic wave guide device
Abstract：This article recommends a device of ultrasonic wave guide which is designed to adopt AT89C51 single-chip microprocessor computer as controller and apply the principle of ultrasonic distance measuring. The device can detect the distance between the blind and an obstruction in the road ahead and convert the message to a sound reminder .According to frequency variation of the reminding sound，it will enable the blind to judge whether there is an obstruction and the distance from the obstruction then accomplish the purpose of guiding the blind.
Key words：Ultrasonic wave ；Single-chip microprocessor ；Guiding the blind
摘要：采用AT89C51单片机作为控制器，运用超声测距原理，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障碍物进行距离探测并把障碍物距离信息转换成声音提示，盲人可以依照提示声音频率变化来判断有无障碍物及离障碍物距离，达到导盲作用。

核心词：超声波；单片机；导盲
1 引言
盲人在独自行走时重要依托导盲装置。

最简朴惯用装置是普通手杖，用它在地面上敲击，可协助盲人发现0.5米以内障碍物。

它重要缺陷是不能发现较远一点障碍物以及空中突出障碍物。

例如，在相称于头部、胸位置悬挂或突出物体。

此外，盲人还可以运用导盲犬带路，但是不易训练且成本较高。

为了更好协助盲人行走，许多国家都研究和生产了各种
电子导盲装置，但大多成本较高，如各类导盲机器人及其他电子装置。

本文提出了一种用单片机开发超声波导盲装置设计方案，它具备低成本、实用和精准特点。

2 导盲装置功能设计及系统构成
导盲装置重要由超声波探头、单片机以及测控及解决电路、按键、蜂鸣器等构成，可以放在包中，或安装在帽子上、手杖中。

导盲装置有三个按钮，分别是电源开关、远距、近距控制按钮，尚有一种音量调节旋纽。

该装置使用电池，电源开关可控制系统通、断电，不用时候关掉电源，节约电能。

使用时，超声波探头方向指向探测方向，当前方有障碍物时，在一定距离内喇叭会发出报警声并随着向障碍物接近频率逐渐升高，起到提示作用。

远距、近距、控制按钮可用来控制报警距离，通电时初始报警距离为2米，按远距控制按钮可将初始报警距离设为5米，按近距控制按钮可将初始报警距离设为1米，报警声音音量可用音量调节旋纽调节，有耳机插孔，可以接耳机。

该装置是以AT89C51单片机作为控制器，运用超声波回声测距原理测距，用蜂鸣器进行声音报警。

系统硬件构造框图如图1所示。

该系统重要由单片机控制系统、超声波发射电路、接受放大电路、按键控制和声音报警电路。

AT89C51单片机是整个系统核心部件，用来控制、协调各部件工作。

工作时先由单片机控制振荡源产生40K Hz频率信号以驱动超声波传感器，使它发射脉冲。

当第一种超声波脉冲发射后，计数器开始计数，在检测到第一种回波脉冲瞬间，计数器停止计数，计算出从发射到接受时间差Δｔ，最后运用单片机计算出距障碍物距离，并依照远
距、近距控制按钮设定测距值进行报警批示。

3. 超声波测距原理
超声波测距采用办法是时间差测距法，在超声波发生器发射出超声波同步开始计时，超声波在空气中传播，途中遇到障碍物就及时返回来，超声波接受器收到反射波就及时停止计时，测出发射和接受到回波时间差Δｔ。

由下式可以求出超声波发射地与目的之间距离Ｓ
Ｓ＝ｖΔｔ／２（1）
式中ｖ为超声波传播速度，超声波常温下在空气中传播速度是340米／秒，传播速度与空气温度、湿度等因素关于，这里由于测量距离不长，测量精度规定不高，不考虑其她影响，只要测得超声波发射和接受回波时间差Δｔ，按（1）式计算即可。

4 控制系统硬件电路设计
4.1 超声波发射电路
超声波发射电路重要由高频三极管及超声波发生器构成，如图2所示,
超声波收发传感器采用压电陶瓷传感器UCM40，由于频率为40kHz左右超声波在空气中传播效率最佳，因而通过执行程序由单片机P1.0产生40KHz振荡信号,通过高频三极管放大，驱动超声波发生传感器UCM40T发出40KHz超声波脉冲。

4.2 超声波接受电路
超声波接受传感器采用与发射传感器配对UCM40R，将由发射传感器发出经反射后超声波脉冲转变为薄弱交流信号，通过运算放大器LM358两级放大后，送至音频译码集成模块LM5673脚。

LM567是带锁相环音频译码器，具备选频功能，LM567内部压控振荡器中心频率f=1/1.1RC，当LM567输入信号不不大于25mV时，输出端8脚由高电平跳变为低电平，将其作为单片机中断祈求信号，送至单片机INT0端，以启动中断服务子程序。

接受电路如图3所示。

图3超声波接受电路
4.3按键及蜂鸣器驱动电路
开关控制电源通断,远距、近距控制按钮一端接高电平，另一端分别接单片机P1.2、P1.3，并同步经与门接入单片机INT1端，当其中任意
按键按下时会产生一种中断祈求信号送入INT1，同步，从P1口读数判断按键状态并调用相应子程序进行解决。

远距、近距控制按钮同步只有一种有效，由软件控制，都按下时为近距控制按钮有效。

蜂鸣器由三极管驱动，接P1.4，由报警程序控制，相应不同按键及距离，发出不同频率声音。

5 系统软件设计
本系统软件采用模块化设计，超声波测距导盲器超声波测距、按键控制、报警提示都由AT89C51单片机控制，主程序流程图如图4所示。

上电后主程序无限循环，初始化后系统设立一系列初始值，涉及超声波发射间隔数、定期器定期初值、报警门限值等，然后读取按键状态，再依照按键状态对初始设定值进行修改，初始值报警距离设定为2米，即2米内有障碍物时即驱动蜂鸣器发出声音，并且随着距离接近，不断
调节参数，使得声音频率不断提高。

远距、近距控制按钮分别相应不同超声波发射间隔和报警门限、频率等；程序控制发送0.2毫秒宽度超声波，同步启动定期器Ｔ0计时；为避免接受传感器直接接受到发射超声波，在发射超声波之后插入一段延时，由于设立超声波频率为40KHz ，超声波常温下在空气中传播速度是340米／秒,计算可知延时6个脉冲就可以了。

延时后启动接受回波程序，等待接受回波，超时(即在设定距离内无障碍物)即返回前面，若有回波则停止计时，读取时间差,运用公式(1)计算出距离，然后执行报警程序，依照计算距离成果及设定值比较选取不同参数，驱动蜂鸣器发出不同频率声音，距离越近频率越高。

最后返回重新开始。

6 误差分析
对系统进行实验测试，成果发当前５米范畴内，最大误差在5cm以内，且距离越近，误差越小，完全满足导盲需要。

分析误差重要有几种因素：一是空气温度变化等引起声速变化导致误差，由于超声波在空气中传播速度为V=331.5+0.607t，t为现场环境温度，温度在-30℃--40℃范畴变化时，传播速度V变化范畴为313米／秒--356米／秒，对运用公式(1)计算出距离值有一定影响，采用声速预置和传播介质温度测量结合办法对声速进行修正，可有效地减少温度变化产生误差。

二是发射与脉冲计
数由于响应快慢差别启动不同步引起误差，对此在调试中通过脉冲计数值补偿进行修正。

三是超声波在传播过程由于受衍射、散射和吸取等影响衰减导致误差，近距离误差不明显，距离越远产生误差越大，可恰当增大超声波发射功率等来改进。

四是发射和接受前置电路延迟时间误差等，而发射前置电路和接受前置电路中采用集成芯片均有时间延迟，而计数器则始终是在工作，直到回波通过LM567解决后变成负跳变电信号产生外部INTO中断，在整个计数过程中，多了延迟时间中计多次数，导致测距数据误差。

对此采用时间增益控制，来减少误差，由于本装置对于厘米级精度已经足够，电路延迟都是纳秒数量级，记数频率是
40KHz，因此减少一种记数单位完全可以矫正。

针对误差因素在程序设计及系统调试中做了相应解决后，收到一定效果，精度得到一定提高。

7 结束语
由于考虑到体积、成本等因素，本装置在性能上、功能上还存在局限性，有待于进一步提高：
(1)增长几路不同方向超声波探测或红外探测器以及温度补偿电路等,可以提高装置敏捷度和精度,同步提高可靠性。

(2)可在装置中增长一种语音芯片，将蜂鸣报警改为语音阐明批示，依照探测成果直接报出距离、方位,更便于使用。

(3)由于受发射功率及回波检测敏捷度限制,探测范畴较小,可增长发射功率调节等电路，以便增大探测范畴，可用于夜间探路、井下摸索等。

本文创新点：
(1)从测试成果分析可知，本装置采用较低成本器件设计制作，且误差较小，完全满足盲人行走指引作用，具备较高性价比。

(2)本装置构造简朴、体积小、性能稳定，操作容易、使用以便，可以安装在不同载体上，制作成不同用品，如手杖、导盲眼镜、导盲背心等，盲人很容易学会使用，具备一定推广应用价值。