[精品论文]基于超声波测距和 PSD 红外测距的智能语.doc

精品论文基于超声波测距和 psd 红外测距的智能语音导盲器韦中超，廖浚宏，张准，戴峭峰，吕冠华，梁瑞生5（华南师范大学广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室）摘要：本文设计了一种以超声波测距和 psd 红外测距为核心的智能语音导盲器。利用stc12c5a60s2 单片机循环采样，isd1700 语音芯片作语音提示，实现导盲提示的功能。整 个导盲装置将放置与使用者头部，其中，超声波探测器探测方向可随使用者头部指向变化而 变化，探测距离为 5 米，精确到百分位，通过耳机向使用者报数，实现方向与距离的精确指10示。 关键词：超声波测距；红外测距；三角测量原理；语音提示 中图分类号：tn219 a smart phonic blind guider based on ultrasonic and psd15infrared distance rangingwei zhongchao, liao junhong, zhang zhun, dai qiaofeng, lv guanghua, liang ruisheng(laboratory of nanophotonic functional materials and devices, south china normal university)abstract: we design a smart blind guider which consists of ultrasonic distancranging sensor and psd20infrared distancranging sensor. in order to carry out the function of intelligent prompt, mcu stc12c5a60s2 and sound chip isd1700 are used in the device. the device can be placed on users head. the direction, which the device points, is in line with the movement of the users head automatically. then the result in the form of verbal signal will be sent to users headphone to realize100% accurate acquisition of direction and range within 5 meters.25key words: ultrasonic range;infrared range; principle of trigonometry;voice prompt0引言我国是世界上盲人最多的国家，约有 900 万视力残疾者，占全世界的盲人总数的 1/5 左右，每年会新增盲人 45 万，即约每分钟增加一人。完全失明的盲人，在行动引导方面遇30到了很大的困难。传统的手杖无法及时地告知盲人前方障碍物的具体位置。因此，一种廉价 实用的智能导盲器的意义重大1-4。本文设计了一种以超声波测距和 psd 红外测距为核心的 智能语音导盲器。利用 stc12c5a60s2 单片机循环采样，isd1700 语音芯片作语音提示，实 现导盲提示的功能。本设计着重于解决使用者对前方障碍物的感知，因此本设计的超声波探 测器探测方向，随使用者头部指向变化而变化，与使用者头部指向完全一致，且探测距离为355 米。通过耳机向使用者报数，精确到百分位，实现方向与距离的精确指示。基金项目：国家自然科学基金(61275059)、教育部博士点基金（20094407120011）和广州市科普项目(2010kp043) 作者简介：韦中超，男，副教授，主要研究方向：光子晶体，超分辨成像 通信联系人：梁瑞生，男，教授，主要研究方向：信息光学. e-mail: - 8 -1系统结构如图 1 本设计由探测，处理，提示三大部分组成。其中探测模块由中央探测和侧翼探测 两个部分组成，探测模块所输出的信号发送给 stc12c5a60s2 单片机，通过 ad 转换、判别并40通过语音芯片和震动器作距离提示。中央探测模块振动提示电路信号处理模块45侧翼探测模块语音提示电路图 1 系统设计框图fig.1 system design2主动对射式红外探测开关50本设计中央探测模块使用超声波探测，其测距原理为超声波装置发射超声波并接受反射d = v0t回波，通过两者时间差 t，利用公式2 计算距离，d 为超声波发射装置与障碍物的距t离；v0 为声波在介质中传播的速率（v0 = 331.45 1 +273.15 m/s，t 为摄氏温度）。探测范围可达 4cm-500cm，探测角约为 30 度（如图 3），分辨率达 1cm，误差少于 1%，探测距离以 数字量的形式通过 ttl 模式和单片机通信，因此完全可以满足探测精度。探测范围如图：55图 2 超声波探测范围示意图fig.2 the scope of the ultrasonic observation本设计侧翼探测模块使用红外测距传感器探测。该探测器采用三角测量原理（如图 12），60可以测得装置到障碍物的距离（20-150cm），探测角 15 度（如图 3），距离以模拟量输出， 经单片机 ad 转换后，根据需要设置多重范围报警。本设计的 3 个探测器将分别负责三个方 向的探测，角度设置如下图：图 3 探测器夹角设置图65fig.3 settlement of the sensors angle中间的探测器指向正前方，左右两边的探测器中线各与中线成 90 度角，这样就可以组成一个可以探测前半球 180 度的模组。 红外测距传感器三角测量原理5-6：激光三角法测距的基本原理是基于平面三角几何7-8。其方法是让一束激光经发射透镜70准直后照射到被测物体表面上, 由物体表面散射的光线通过接收透镜会聚到高分辨率的光 电检测器件上, 形成一个散射光斑, 该散射光斑的中心位置由传感器与被测物体表面之间的 距离决定。而光电检测器件输出的电信号与光斑的中心位置有关。因此, 通过对光电检测器 件输出的电信号进行运算处理就可获得传感器与被测物体表面之间的距离信息。为了达到精 确的聚焦, 发射光束和光电检测器件受光面以及接收透镜平面必须相交于一点 。75红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来，测量示 意图如图 4 所示。反射回来的红外光线被光感应板检测到以后，会获得一个偏移值 l，利用 三角关系，在知道了发射角度 a，偏移距 l，中心矩 x，以及滤镜的焦距 f 以后，传感器到 物体的距离 d 就可以通过几何关系 d=fx/l 计算出来了。当距离 d 足够小时，l 值会相当的 大，超过光感应板的探测范围，这时，虽然物体很近，但是传感器反而看不到了。当物体的80距离 d 很大时，l 值就会很小，这时光感应板能否分辨出这个很小的 l 成为关键，也就是说 光感应板的分辨率决定能不能获得足够精确的 l 值。要检测越是远的物体，光感应板的分 辨率要求就越高。物体中中85心心线线d滤镜f红 ccd 检测器外 线90lx发 射 器图 4 三角测量原理图fig.4 the principle of trigonometry951003信号处理模块本设计选用了自带 ad 转换的 stc12c5a60s2 单片机作为主控模块，与 isd1700 语音芯 片通过 spi 数据总线连接和通信9，如图 5、6，单片机的 p2.4-p2.7 与 isd1700 语音芯片 的 4-7 接口相连接。单片机通过 spi 总线直接控制 isd1700 语音芯片，输出预先录制好的 语音片段。图 5 单片机外围电路fig.5 the external circuit of the mcu105图 6 语音芯片外围电路fig.6 the external circuit of the sound chip图 7 振动器电路fig.7 the circuit of the vibrator110115120本设计单片机的处理流程图如下：图 8 单片机处理流程图fig.8 the process of the mcu如图，探测模式如下，探测器模组将以中左右依次探测及报警。由于超声波所测距离很短, 红外探测器发射和接收信号时间极短，单片机时钟频率也有 12mhz，其探测延时极短，因此， 这种执行方式对人判别障碍物没有影响。4声音报警模块本设计的报警提示将以一定时间间隔以振动频率/语音连续提示。超声波测距器所探测 到的距离将以语音的方式提示使用者，形式为 x.xx 米，精确到百分位。红外探头则将20-150cm 分为两段，20-7070-150（单位 cm）。第一个区间震动器将在 1 秒内振三次， 第二个区间在 1 秒内振一次以分清距离，如图 9。1255系统工作过程简述图 9 红外探头探测分段fig.9 the scope distribution of ir sensor130135图 10 系统简略图fig.10 system thumbnail如图 5，ir1、ir2、us 分别为红外探测器 1，红外探测器 2 和超声波探测器。分别负责 左、中、右的探测。ir1、ir2 根据所探测的距离输出相应模拟量，距离与信号大小对应关 系如图 11：图 11 红外探头探测曲线fig.11 detection curve of the ir sensors140145150155如图 5，负责正中间探测的超声波探测器探测距离为 4-500cm，单片机的 p10（rxd）、p11（txd）与超声波探测器的 txd、rxd 相接并通过这两个端口通信。超声波探测器（ultrasonic）将数据输入单片机，单片机进行判别后，通过 p2.4-p2.8 的 spi 总线接口发 送指令给语音芯片，语音芯片根据接收到的指令将预先录制好的语音（一、九、零、米、 前方距离）按照一定排序输出到耳机（以 x.xx 米的方式，精确到百分位），提示使用者。 另外，还可以通过自定义键，令语音芯片播放当前温度的语音。负责左右两边的红外探头（ir sensor）探测范围 20-150cm，其信号线与单片机的 p1.0、 p1.1 相连，红外探头所探测到的距离以模拟量输出，经单片机内部 ad 转换后判别，并输出 相应脉冲给 p0.0、p0.1 口，使三极管导通，从而使振动器振动(图 7)。如图 5，语音芯片的 p4-p7 口接收到单片机指令后，将相应语音按一定排序，通过 p17 aux 端口输出到耳机，实现语音提示。6系统测试首先，对硬件电路进行电气检查，排除电路出现短路等故障发生的可能性。第二，首先 进行仿真测试，超声波探测器通过 rs232 接口连接到电脑（图 12），利用专用软件，进行 软件测试，如图 13、14：图 12 超声波模块与 rs232 串口连接图fig 12 ultrasonic sensor connect with rs232160图 13 超声波探测器距离数据fig.13 distance data of ultrasonic sensor第三，进行实际测试。图 14 超声波探测器温度数据fig.14 temperature date of ultrasonic sensor1651701751801851901951.测试报警系统能否实现预期功能 测试环境：白天实验室内，温度约 30首先，烧入以 5 秒为一个循环的单片机程序。经测试，系统首先以语音报出“前方距离 x.xx 米”，而后左右振动器依次按所测距离震动，以 5 秒为一个循环，不断间断地报数/振 动作提示。其次，烧入另一组程序，通过两个不同的自定义键，实现语音报数，例如：“前方距离3.74 米”，“29.74 摄氏度”，实现预期功能。2.报警系统工作的稳定性系统连续开机 2 小时，每隔 15 分钟，检查系统一次，系统长时间开机后仍能正常工作。7结论与展望本设计实现了多重距离探测，多向距离探测和多重报警语音提示的功能。在设计过程中， 坚持小型、快速、实用、智能的思想，尽可能地实现更多的功能。为此，选定探测距离为4-500cm 的超声波探头和 20-150cm 的红外探头作多重距离提示。 目前国内外的导盲器都是采用比较成熟的超声波测障，而更人性化的导盲器会具有图像处理系统或者 gps 定位系统。本设计在正面探测仍采用成熟的超声波，并以一定向下的倾角， 探测地上障碍物，作为取代导盲杖的一种尝试。用红外探头作左右两边的探测，使装置成本 大幅下降，且体积小功耗低。本装置成本合理，而具有图像处理系统或者 gps 定位系统的导 盲器价格很高。因此本设计有一定实用价值。参考文献 (references)1 曹文思，巩鲁洪。基于 atmega64 单片机智能导盲系统设计。华北水利电学院学报j 。2010.1030(5):106-1092 张建奇。红外物理m. 西安电子科技大学出版社 2004:15-483 李大鹏，孙丰瑞。机电设备红外故障诊断的可诊性研究. 机电工程j2004 21(7):44-48 4 王玲。有关当前