测控技术与仪器 毕业论文范文——超声导盲系统的设计与探索

超声导盲系统的设计与探索摘要超声导盲系统在我国应用范围广，不仅应用于盲人导路，而且在地下矿物工作人员应急和深海探测等领域都有着极为重要的作用和意义。近期我国矿难频发，位于黑暗的环境中逃生有了导盲装置的帮助，可以轻松的适应黑暗，有助于保障人身安全。本课题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，在获得障碍物的距离信息的基础上，获得超声回波的强度信息，研制了一套导盲实验系统。单片机开发的超声导盲装置，相对来说具备低成本、精确和实用的优点。这不但体现了对弱势群体的一种人文关怀，而且对于建设和谐社会具有积极的意义。本实验系统的硬件部分基于MSP430F149单片机，使用两组超声波探头，设计了双通道超声波发射和接收电路。使用数字电位器的自动增益放大电路，在获得障碍物的距离信息的基础上，获得超声回波的强度信息。使用独特的单峰滤波器，有效消除环境噪声的干扰。温度测量电路，获得环境温度，提高超声测距的精度。硬件上采用便携式、低电压、低功耗设计。本课题的创新之处在于以往的导盲系统只获得障碍物的距离信息，本课题使用自动增益控制，获得超声回波的强度信息。回波强度可以初步提示障碍物的大小和材质，从而增加了对盲人提示的信息内容。关键词：超声，导盲，单片机Ultrasonic blind system design and explorationABSTRACTUltrasonic blind system wide application in China, not only applied to the blind guide-way, and emergency staff in the ground and deep sea mineral exploration and other fields has a very important role and significance. The recent mine disaster in China, located in a dark environment to escape with the help of guiding equipment, can easily adapt to darkness, helps to protect the personal safety. This topic imitate the bats ultrasonic application capabilities and principles existing in the study of electronic ultrasonic blind system based on the application of principles of echolocation, the distance between obstacles in access to information based on the strength of received ultrasonic echo information developed a system of blind experiment. Single Chip ultrasound guiding equipment, relatively low cost, accurate and practical advantages. This not only reflects a kind of humanistic care of vulnerable groups, but also for building a harmonious society has a positive meaning. In our system, the hardware part of the MSP430F149 microcontroller based on the use of two ultrasonic probes designed dual-channel ultrasonic transmitter and receiver circuits. Digital potentiometer automatic gain amplifier circuit, the distance between obstacles in access to information based on the strength of received ultrasonic echo information. Single peak using a unique filter to effectively eliminate the interference of environmental noise. Temperature measurement circuit to obtain the ambient temperature, to improve the accuracy of ultrasonic ranging. Hardware, using portable, low voltage, low power design. The innovation is the subject of previous blind system received only obstacle distance information, the subject of using the automatic gain control, get the intensity of ultrasonic echo information. Echo intensity can initially prompted the size and material obstacles, thereby increasing the information content of the blind tips. Key words: ultrasound, blind, single chip 1 绪论1.1 课题概述1.1.1 超声导盲装置的背景我国有盲人人口500万，占世界盲人总数的18%，盲人行走不便是他们生活中面临的一大难题，他们在独自行走时主要依靠导盲装置，然而手杖探路作用的局限性和导盲犬的高成本都并不太适用于盲人导盲。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常人会遇到更多的不方便，不能准确及时地躲避障碍物就是一个重要的弊端。如果有一根既轻巧，又便宜，同时又能及时地识别周围障碍物并发出报警信号的手杖在盲人的手中将会为盲人的生活提供极大的方便。因此，单片机开发的超声导盲装置，相对来说具备低成本、精确和实用的优点。这不但体现了对弱势群体的一种人文关怀，而且对于建设和谐社会具有积极的意义。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与民用领域也变得十分重要。这里介绍的倒盲杖系统设计就是很好地结合二者产需的例子。因为超声波传播速度慢，指向性强，能级消耗缓慢，对色彩、光照度不敏感，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，因此该系统采用超声波检测的方法实现对障碍物的识别。本研究针对盲人对行走的迫切需要，模仿蝙蝠应用超声的能力和原理，参照以往国外的导盲系统，在国内首先开展研制超声波导盲系统，设计制作了一套完整的超声波导盲系统。本系统造价低廉，操作简单，携带方便，易于推广。1.1.2 系统超声仿生学声波按频率特性分为调频声(FM)、恒频声(CF)及准恒频声(QCF)。调频声(FM)是指在很短的时间内，声波从一个频率变化到另一个频率，在“频率-时间”图像上表现为一条斜线，通常脉冲时间较短，频带宽度超过一个八度。几乎所有的蝙蝠的FM声波都是下调的。FM声波的每一个谐波各自的扫描带宽被称为该谐波的带宽，各谐波扫描带宽之和为该声波的带宽。恒频声(CF)是以很窄的频带发出的回声定位声波，其频率基本恒定。CF的持续时问很短(1-10ms)，有的很长(10-50ms)。蝙蝠按回声定位叫声分为以下三类：(1)FM，(2)长CFFM，(3)短CFFM。固定频率的声音对于探测目标物体的存在，以及目标物与本身之间的相对速度上非常有效。根据多普勒效应，当发出固定频率的蝙蝠与目标物逐渐接近，蝙蝠听到的声波频率将会逐渐增高。调频频率的声音对提供有关距离、方位和材质的信息较为有效。蝙蝠的回声定位声波的特征可由以下几个参数描述：声脉冲时间：蝙蝠所使用的声脉冲时间范围在0.2100ms之间。依时间长短分为三组：极短(10ms)。谐波结构：蝙蝠的声波中可容纳15条谐波。谐波是基频的整数倍，基频在正常情况下往往很弱，最强的是第二谐波。每种谐波都有特定的频率或频率范围。蝙蝠通过使用多谐波的定向声波增加了对物体的辨别能力。频率特征：菊头蝠科和蹄蝠科的蝙蝠都有特异性的cF频率，蝙蝠科蝙蝠的频率范围和主频率在种内稳定不变，长波声波遇到小物体时发生衍射，不能产生精确的回声，所以蝙蝠多采用高频声波，发射的声波波长较短且接近猎物大小时对目标有较好的识别。声强：蝙蝠定向声波的振幅大小不同，强度也有很大差别。尽管蝙蝠的听觉系统非常敏锐，但也只能对一定强度范围的回声产生反应，如果目标距离太远，或者回声太弱，就会被背景噪声所淹没。回声的强度取决于发射声波的强度、目标的大小和距离。蝙蝠在捕食过程中，根据猎物的相对距离可以相应地改变发射声波的强度，是回声声强稳定在一定的范围内，以便于分析处理，还可以根据声音的强弱区别猎物的大小，表现出一定的选择和偏爱性。蝙蝠的回声定位是一个复杂而精确的生理功能，是长期进化的结果。本研究模仿蝙蝠超声应用能力和原理，选定并制作特定的超声发射和接收系统。根据蝙蝠行为和听觉中枢计算分析处理功能和原理，制作特定的超声回声接收转换加工系统；利用人听觉分辨力和特定听阈，将获得的信息进行听觉或触觉信号编码，转换成人可以简单获得的信息。制作超声仿生眼，以帮助盲人判定5m以内的物件距离，大小和运动速度。这种利用生物超声波探物、捕食的原理所制成的仪器将高程度地反应环境信息。一方面，帮助盲人处理部分日常生活，提高盲人生活质量，减轻家庭和社会负担，具有很高的社会效益；另一方面，通过对超声回声信息转换加工成人体可学习的听觉信号编码程式，不仅为机器人仿生眼的制作提供新的理论基础，并直接提供机器人仿生眼雏型，也可用作夜间行走器，帮助非光环境作业，具有很高的实用价值和经济效益。1.2 导盲装置国际上使用最成功和最广泛的导盲工具是白色手杖(white cane)。这种纯机械的装置可以探测地面、不规则表面、坑洞、台阶和其他障碍物。白色手杖造价低廉，重量轻巧，甚至可以折叠放入口袋。白色手杖的缺点是使用者必须经过数百小时的训练；使用时必须不断动作，探测前方；只能探测接触到的物体，范围小；不能发现位于头部高度的障碍物；不适合在拥挤场合使用。我国的盲人手杖按其使用性质分为普通盲杖和盲聋杖跚。普通盲杖是不伴有听力残疾人使用的手杖，因其主体为白色又称白手杖；盲聋杖则为视力同时又伴有听力残疾人使用的手杖，因其外观由红白两色条纹组成，又称红白手杖。导盲犬非常适合于盲人。但是经过完全训练的导盲犬价格昂贵，在12000至20000美元之间，而且导盲犬的使用期只有五年左右，另外盲人很难照顾好导盲犬。因此，即使在美国，只有1的盲人使用导盲犬。为了提高盲人的生活质量，增加其行走能力，世界各国一直进行着导盲系统的研制。目前研发成功的导盲系统有：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。无线电、卫星导盲系统和红外线导向灯系统，以环境和患者双重装置，借助于外来信息，虽说反映的信息较多，但耗资庞大，信息量固定，发展更新迟缓，而且也很不成熟；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，信息质量固定，系统复杂、成本昂贵。超声系统实现成本低、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。1.3 超声导盲系统的发展状况已经研制成功的超声波导盲系统大体可以分为两类：基于电子技术的导盲仪(electronic travel aids，ETA)和基于机器人技术的导盲仪。在这些设备中，使用超声探头，探测周围环境。利用超声的物理特性(超声波回波定位的原理)，反映障碍物的位置。1.3.1 基于电子技术的导盲仪随着雷达和声纳技术的发展，在过去的近40年时间，许多电子行走帮助装置被研发出。这些ETA的工作原理都类似于雷达系统，采用超声作为探测波，沿一定的方向发射，经过障碍物的反射后被指定的传感器接收，获得障碍物的信息。Russell Pathsounder1完成于1965年，是最早使用超声的ETA之一。两个超声探头安放在挂在颈部，置于胸部高度的板上。这种仪器仅能产生三种滴答声，粗略地提示目标距离。Binaural Sonic Aid(Sonicguide) 2完成于1974年，它的外型类似于眼镜框，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，可以判断出声音(障碍物)的方向。障碍物的距离被编码成可听低频声音的频率。结合使用者头部的运动，能清楚地获得障碍物的位置。Mowat Sensor3完成于1977年，是一个手持式超声测距仪器，使用者通过触觉获得振动感，提示障碍物的距离。振动的频率反比于传感器和物体之间的距离。结合使用白色手杖或导盲犬，Mowat Sensor被发现行之有效。韩国的YoungJip Kim4等人在2001年研发出ETA，其探测组件分两部分：眼镜和手杖。安放在眼镜框两侧的两个超声发射接收探头，探测头部高度前方的物体；安放在有滚轮的手杖前端的两个超声发射接收探头，探测地面高度前方的物体。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。障碍物的方向信息转化为双耳间所听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，频率反比于距离。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。此款设计重量轻，体积小，便于携带；制造成本低，易于使用；低功耗，使用电池供电。Batcane于2002年由英国利兹大学的Dean Waters和Brian Hoyle等人研制成功并投入市场5。该仪器模仿蝙蝠的超声波回声定位法制成，外形与白色手杖相似。在手柄的下方安放有四个超声发射接收探头，分别探测使用者头部高度、手柄前方与两侧的障碍物。该仪器将各个方向的障碍物的距离，转变为振动信号，引起手杖塑料柄上的四块垫子振动。物体越近，垫子的震动越强烈。使用者可以通过触觉感知周围环境嘲。ETA基本上都具有以下的缺陷：使用者必须不断的进行扫描探测动作，发现障碍物后，必须经过附加的测量才能知道其形状和尺寸，这使得行进的速度大为降低；如果使用声音提示，则周围环境的声音会被掩盖，丧失了对周围环境的声音的识别能力。但是ETA结构相对简单，适合于微型化设计，便于携带；成本低廉，便于推广。1.3.2 基于机器人技术的导盲仪盲人在行走时躲避障碍物，遇到的问题与机器人类似。以现有的技术，移动机器人本身不适合用来引导盲人驱动移动机器人的行进轮需要大容量的电池，使得移动机器人的体积、重量都较大。移动机器人在坡地、台阶等复杂地形的行动速度慢。机器人移动的速度与使用者不协调。但是开发导盲仪器，可应用机器人行走技术中的障碍物躲避系统(obstacle avoidance systems，0AS) 6。OAS通过传感器探测障碍物的位置，制定行走计划。基于机器人技术的导盲仪，可以指示使用者行进方向，这就弥补了所有ETA的不足。美国密执安大学移动机器人实验室的科技人员，运用移动机器人技术，成功研发出NavBelt和GuideCane两种盲人行走帮助装置7。NavBelt8的概念形成于1989年，该装置由安放有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15度，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120。范围的物体。OAS运用矢量场直方图技术(Vector Field Histogram，VFH)将超声探头获得的信息加以处理，通过立体声耳机，采用立体声图像技术，指引使用者行走。GuideCane9的概念形成于1995年，它是在NavBelt的基础上加以改进，继承了NavBelt的优点，弥补了NavBelt的不足。GuideCane的外形类似一种立式吸尘器或一台割草机，可看作为子导盲犬。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GuideCane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。GuideCane较NavBelt更为方便实用，训练时间大大减少。由于GuideCane的轮子接触地面，根据轮子的运动轨迹，可以估算出仪器的实时位置。基于机器人技术的导盲系统，功能上较ETA有很大提高，但是其体积庞大，不便于携带，成本高，不便于推广。1.4 完成设计需要的工作（1）研究超声测距原理，通过仿生学，落实设计原理。（2）基于MSP430F149单片机，设计了硬件系统，完成两个通道的超声波测量。为了提高测量精度，设计了温度测量电路。（3）本系统使用数字电位器的自动增益放大电路，在获得障碍物的距离信息的基础上，获得超声回波的强度信息。软件上采用双阈值法，实现自动增益控制。（4）在PC机上进行声音模拟的虚拟仪器设计。以LabVIEW为操作平台，进行图形化编程。模拟出一定频率和强度的滴答声，对应障碍物的距离和回波信号强度，对盲人进行提示。1.5 设计结构分配第一章通过对超声导盲的背景、技术结构和发展历史进行简述，对超声导盲系统有了初步的了解；第二章通过阐述超声波、超声测距原理、超声定位原理和超声传感器内容，对超声导盲系统设计有了进一步的了解，另外对MSP430F149单片机的结构和功能做了大致的介绍，选定MSP430F149作为超声导盲系统的核心芯片；第三章对本设计的硬件框架进行概述，并对其中发射电路、接收电路、接收放大电路、模拟开关、温度模块、通信模块进行了设计，并把超声导盲系统的硬件系统完整的设计出来；第四章设计了超声导盲系统的软件系统设计，包括单片机模块软件系统、程序流程、自动增益控制、抽头位置控制和LabVIEW平台软件系统。2 设计系统基础知识2.1 超声波特性和超声测距原理2.1.1 超声波特性超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。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。超声波具有以下特点：1.超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。 2.超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。 3.超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息。 超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等用作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构。2.1.2 超声测距原理超声波传感器分机械方式和电气方式两类10，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之。本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。超声波测距的方法有多种：如渡越时间法（TOF）、相位检测法、声波幅值检测法。本设计采用渡越时间法（TOF）测距。渡越时间法（TOF）原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。测试传输时间可以得出距离。假定s为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为ts，超声波传播速度为vm.s1表示，则有关系式(2.1)s=vt2 (2.1)在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式(2.2)对超声波传播速度加以修正，以减小误差。v=331.4+0.607T (2.2)式中，T为实际温度单位为，v为超声波在介质中的传播速度单位为ms。表2.1 声速与温度关系表温度T/-30-20-100102030声速V/m.s-1313319322331337344350超声波发射超声波接收障碍物距离s=vt/2图2.1 超声波测距原理图时间t的测量方法，目前使用的方法有包络检测，脉冲检测等方法。包络检测法：包络检测法是将接收到的回波信号做成包络线，接受回波的包络线大于门限值时确定为回波到达的时间，显然这里有一个原理上的滞后，并且在信噪比较小的情况下，误差就会比较大。通过对超声波接收回波的观察分析，发现接收回波经包络检波后，其包络线前沿为指数上升曲线，大约在第九个波到包络线的峰顶，第三个波近似为峰顶的3/4，因此提出一种自适应门限的检测方法。一般根据超声波传感器的频率特性，在空气中通常选超声波频率为40KHz,则接收回波包络线到达峰顶的时间为1/40K*9s=0.225ms,当测量距离为1到2米时，可选超声波发射周期为16ms，占空比为1/8。8个周期为一个脉冲列，这样两列脉冲间隔即为32ms，回波的第一个周期的峰值作为测量标准，以该值的3/4作为门限值，测出时间t1，由此可得，超声波实际到达时间为t=t1-2.2/40K。这样可以避免直接以过0检测脉冲回波到达的时间，由于干扰噪声而引起的测量误差，同时还可以消除接收回波信号强弱不同造成的测量误差。检测脉冲计数法：脉冲检测法是对有回波信号经检测电路产生的脉冲进行检测的方法。这种方法实现起来较包络检测方便，电路实现简单，精度也较高。实现的方法是当回波信号经放大处理后，进入比较器，调整好合适的阈值在比较器的输出端就会产生40KHz的方波。利用查询或者中断的方法便可以检测出这些脉冲，便于测量出发射到接收到脉冲的时间。另外目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距3种。与其他测距方法相比较，超声测距具有下面的优点11：(1)超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)。(2)超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。(3)超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化。超声测距在某些场合有着显著的优点，因为这种方法是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，因此它是一种非接触式的测量，所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的条件下使用。2.1.3 超声测距的定位应用一个超声发射接收探头可以得到障碍物的距离，实现一维定位。应用两个超声发射接收探头，可以得到障碍物的距离和方位角，实现二维定位。如图2.2假定L为两个探头之间的距离，L1为障碍物与探头A的距离，L2为障碍物与探头B的距离，Lx为两探头中点沿X方向到障碍物的距离，Ly为两探头中点沿Y方向到障碍物的距离，为两探头中点到障碍物的方位角12。ABL1L2 LyLx 障碍物点图2.2 应用双探头实现探测物体方位角由图2.2中的几何关系可以得出： （2.3） （2.4） （2.5）2.1.4 超声传感器的原理与结构超声波传感器13是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵和振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHz，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置。超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHz及40-45KHz。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。该种有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHz，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。另有一种密封式超声波传感器（MA40EI型）。它的特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好。超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。超声波传感器的系统由发送传感器 ( 或称波发送器 ) 、接收传感器 ( 或称波接收器 ) 、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为 15mm 左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中幅射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测 . 而实际使用中，用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。超声波传感器电源 ( 或称信号源 ) 可用 DC12V10 % 或 24V10 % 。超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，以医学为例子说明超声波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理，其中有代表性的一种所谓的A型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面是，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。 在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。 遥控开关超声波遥控开关可控制家用电器及照明灯。采用小型超声波传感器（12-16),工作频率在40KHz,遥控距离约10米.遥控器的发送，这是由555时基电路组成的振荡器,调整10K电位器，使振荡频率为40KHz，传感器接在脚，接下按钮时，发送出超声波，接收电路。电源由220V经电容降压、整流、滤波、稳压后获得12V工作电压。由于是非隔离电源，要整个电路用塑料外壳封装，以防触电（在调试时也应注意）。信号由超声波接收器接收，经Q1、Q2放大（L、C谐振槽路调谐在40KHz）。放大后的信号去触发由Q3、Q4组成的双稳态电路，Q5及LED作为触发隔离，并可发光显示。由于双稳态在开机时有随机性，故加一清零按钮。Q5输出的触发信号使双向可控硅导通，负载接通。要负载断路，则要按一次发送钮。 液位指示及控制器由于超声波在空气中有一定的衰减，则发送到液面及从液面反射回来的信号大小与液位有关，液面位置越高，信号越大；液面越低则信号就小。接收到的信号经BG1、BG2放大，经D1、D2整流成直流电压。当4.7K上的电压超过BG3的导通电压时，有电流流过BG3，电流表有指示，电流大小与液面有关。当液位低于设置值时，比较器输出为低电平。BG不导通，若液位升到规定位置，比较器翻转，输出高电平。BG导通，J吸合，可通过电磁阀将输液开关关闭，以达到控制的目的（高位控制）。2.2 MSP430F149单片机芯片2.2.1 概述本课题中所采用的单片机是TI公司生产的MSP430F14914。该单片机是TI公司推出的MSP430系列超低功耗混合信号16位单片机的一种。该芯片采用低功耗设计，1.8-3.6V的供电电压，在2.2V电压32KHz晶振系统中工作电流是7uA，在2.2v电压1MHz晶振系统中工作电流是250uA。片内含有一个八个外部通道的12位200kbps的AD转换器、两个带有捕获比较寄存器的16位定时器、60kB+256字节的FLASH、2kB的RAM、48个可复用的IO引脚和两个通用同步异步串行通讯接口。该单片机功耗低、体积小而且外围模块十分丰富，因此非常适合于设计微型化、低功耗产品。2.2.2 晶振MSP430F149的时钟由高速晶振、低速晶振、数控振荡器DCO等部件构成。外部低速晶振为32768Hz的时钟晶振，外部高速晶振最高为8MHz。当外部晶振失败时DCO振荡器会自动被选作时钟源。为了计数准确，我们使用外部低速晶振和外部8M高速晶振。2.2.3 端口配置图1.1 MSP430F149芯片图MSP430F149有P1至P6共6个8位IO端口可供使用。每个端口的所有引脚可以单独配置，部分端口具有中断能力。本系统根据需要实现的功能和电路板布线的方便，使用了部分端口。2.2.4 单片机电路单片机电路包括MSP430F149核心、两组晶振、JTAG接口、电源电路和各个端口。单片机的模拟部分和数字部分共同使用主电源电路提供的+3V电压。MSP430F149是FLASH型芯片，片内FLASH经JTAG接口可实现程序的开发和调试。2.3 本章小结本章主要介绍了超声特性、超声测距的原理、超声的定位和超声传感器的知识，通过这些知识，对本课题的设计有了一定的理论基础，在超声波导盲系统的的单片芯片选择方面，我们选择了MSP430F149芯片，通过对单片机引脚和功能的理解，对硬件的各个部分的设计有了大致的轮廓。3 系统硬件的设计与研究3.1 系统整体设计本超声波导盲实验样机系统包括单片机模块和虚拟仪器平台。单片机模块是基于MSP430F149单片机，包括双通道的电源电路、超声波发射和接收电路、RS232接口电路等，完成双通道的测量任务。为了加快开发进程，声音模拟的功能由虚拟仪器实现。虚拟仪器平台是以LabVIEW为操作平台的普通计算机，负责将单片机模块得到的数据进行处理。两者通过RS23215串行接口进行通讯。单片机模块中两个超声波传感器安放予盲人佩戴的镜框的两端，也可安放在盲人使用的手杖上。MSP430系列单片机控制超声波的发射和接收，在获得障碍物的距离信息的同时，使用自动增益技术，获得回波信号的强度。RS232串行接口将测量获得的数据传至虚拟仪器平台，虚拟仪器平台接收处理数据，进行声音编码，每个超声波传感器对应于立体声耳机的一个声道，声音的频率和障碍物的距离成反比，声音的强度和回波信号的强度成正比，这样模拟出不同频率和强度的滴答声，对盲人进行提示。实验系统的整体设计原理框图如图3.l所示。超声通道0超声通道1单片机模块MSP430F149RS232串行接口虚拟仪器平台右声道左声道图3.1 实验系统的整体设计原理框图3.2 硬件系统设计单片机模块的硬件系统采用MSP430F149单片机作为控制和数据处理与传输的核心。整个系统包括主电源、超声发射电源、+1.5v和+2.5v参考电压、两路超声波发射、两路超声波接收放大、温度测量、串行通讯接口。其系统框图如图3.2。超声发射电源超声波发射通道0超声波发射通道1MSP430F149单片机芯片+2.5V参考电压模拟开关ISL8392第三级放大电路超声波接收通道1（第一、二级放大）超声波接收通道0（第一、二级放大）+1.5V参考电压串行通讯温度测量主电源图3.2 硬件系统框图本超声波导盲系统使用两个超声波探头，构成两组通道0、l交替测量。当通道0开始工作时，单片机发出通道0发射脉冲指令，传至通道0脉冲发射电路，探头0激励后发射40KHz的超声波。探头0接收障碍物反射回的超声波信号，通过压电效应，转换成微弱的电信号，送至接收放大电路。每个通道的接收放大电路分为三级，前两级是独立的，第三级是分时复用的。第一级为固定增益放大，第二级为使用数字电位器的自动增益放大。在经过模拟开关后，送至第三级单峰滤波放大器。接收放大电路的输出送至单片机内部的比较器，与设定的比较器参考电压比较。当高于比较器的参考电压时，认为接收到了障碍物的反射回波，即可得到超声波从发射到返回的时间间隔。在通道0完成测量后，通道1开始工作。测量交替循环进行。温度测量电路16，测量环境的温度，修正超声波的传播速度，提高测量的精度。串口通讯接口电路将单片机获得数据传至虚拟仪器平台。主电源电路将电池电压转换成+3V的电压，为超声波发射模块以外的各模块和单片机供电。超声波发射模块为独立电源。+2.5v参考电压为单片机的比较器和AD采样提供参考电压。+1.5V参考电压为三级放大电路提供基准电压。3.3 超声发射电路超声换能器17的驱动电源用来产生一个与压电振子谐振频率相等的交流信号。超声换能器的电源一般由直流信号变换产生，直流信号转换成交流的方法一般有振荡一放大型和逆变型两种。振荡一放大型是对一定频率的小功率信号进行功率放大，产生交流信号。逆变型是通过大功率的电子器件或变压器把直流信号直接变成一定频率的交流信号的方式，其体积一般较大。对于中、小功率且频率大于25KHz的超声换能器一般采用振荡一放大型驱动电源。此系统即采用振荡一放大型驱动电源。振荡一放大型驱动电源由振荡器、放大器和匹配网络组成。其中振荡器产生与换能器基频同频的交流信号。放大器则是把振荡器的输出进行功率放大。匹配网络的作用是阻抗变换。本系统采用单片机产生的矩形脉冲作为激励信号，简化了产生驱动信号的过程。单片机的P10和P40端口分别发出通道0、1的激励信号。5个40KHz的超声波发送矩形脉冲由单片机送出，经过三级管放大，在经过阻抗匹配电路即变压器后，驱动超声发射探头。脉冲变压器是电子变压器的一种特殊类型，它所变换的不是正弦信号，也不是交流方波，而是接近矩形的单极性脉冲。脉冲变压器的主要用途是升高脉冲电压和使振荡器的输出阻抗与负载阻抗匹配。本系统的变压器的输入输出电压比为1：10，选用的传感器的最大发射电压为40V。超声发射电源的电压为3V，实际的发射电压为30V。两个通道的超声发射电路相同，通道0的超声发射电路图如图3.3所示。图3.3 超声发射电路图3.4 超声接收电路3.4.1 接收放大电路概述在传感器接收到的信号中，除了障碍物反射的回波，混有杂波和干扰脉冲等环境噪声。环境噪声主要集中在低频段，远离回波信号频率，因此系统的总噪声系数主要由放大器的内部噪声决定，其功率谱宽度远大于放大器的通频带。我们可以近似的将其作为白噪声处理，根据已有知识，输入为已知信号加白噪声的条件下，匹配滤波器的输出信噪比最大。匹配滤波器18具有以下特点：(1) 输出的最大信噪比与信号波形无关。(2) 匹配滤波器对信号的幅度和时延具有适应性，即对只有幅度和出现时间不同的信号，它们的匹配滤波器是相同的。(3) 匹配滤波器与相关接收和相关器具有等效性。实际上很难得到精确的匹配滤波器，由于单个射频脉冲的频谱是连续的，用普通的窄带滤波器就能把其主峰部分滤波出来，适当的选择滤波器的通带宽度就能取得与匹配滤波器相差不多的效果。接收放大电路的作用是对有用的信号进行放大，并抑制其它的噪声和干扰，从而达到最大信噪比，以利于检测单元(即比较器)的正确检测。超声波发射后，遇到障碍物反射回到探头，探头由压电效应产生微弱的感应电信号。本系统的声波传感器的灵敏度为-66dB，实际产生的感应电压为2mV至200mV，动态范围为40dB。接收放大电路负责将微弱的感应电信号放大，送至单片机的外围模块比较器的输入正端，进行电压比较。本实验系统的接收放大电路分为三级，第一级和第三级为固定增益放大电路，第二级是自动增益放大电路。超声通道0和1的前两级放大电路是相同独立的。两路信号经过模拟开关，进入公用的第三级。三级放大电路如图3.4所示,三级放大电路将超声探头获得的微弱交流电信号提升到+1.5v的基准上进行放大。第一级放大包括高通滤波和前置放大，增益为0.6(在40KHz时)。第二放大电路为使用数字电位器的自动增益控制电路，增益范围为32 dB(即增益为1-40)。在自动增益控制中，记录数字电位器的抽头位置，可获得回波信号的强度信息。抽头位置越低，回波信号强度越大。第三级放大电路是由单运放构成的单峰滤波器，峰图3.4 接收三级放大电路点频率是40KHz，频带宽度是8KHz，峰点增益为25。三级放大电路的总增益范围是23.5-55.55dB(即增益为15-600)，可调整范围为32db。电路选用的运算放大器为双运放TLV2782。其为单电源供电，输入输出均为轨到轨(rail to rail)。电源电压范围为1.8-3.6V，带宽为8MHz，转换速率为4.8V/us，电源电流为每通道650uA，输入起始电压为250u V，输入阻抗为，最大的共模抑制比为l00dB。运算放大器的选用符合整体电路的低电压、低功耗、速度高的要求。3.4.2 三级放大电路第一级放大电路如图3.5所示，通道0、l的第一级放大电路相同。在第一级放大电路中，超声波探头由压电效应产生的感应电压，首先经过一组简单的无源RC高通滤波电路，将信号中的低频噪声滤除。RC高通滤波电路的截止频率计算公式为： （3.1）信号经过RC高通滤波电路后送至前置放大器。考虑到超声传感器的输出电阻比较大，前置放大器的输入阻抗必须足够大。同时超声传感器的输出电压可能小至几个毫伏，要求前置放大器的输入偏置电压小。前置放大电路由TLV278219运算放大器及若干电阻构成反相比例电路。在运算放大器的正反相输入端反向并联两个二极管，消除超声发射时的高电压脉冲对放大电路的冲击。运算放大器的正相输入端接+1.5V参考电压，这样输入信号被抬升到1.5V后被放大。在前置放大电路中信号被放大l0倍第一级放大电路的总增益为06(