基于雙頻超聲波技術(shù)的導(dǎo)盲實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)論文范文

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1實(shí)驗(yàn)裝置

本導(dǎo)盲系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制電路，太陽(yáng)能供電電路，以及報(bào)警裝置等組成。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框見(jiàn)圖2。

1．1單片機(jī)控制電路單片機(jī)控制電路主要由單片機(jī)進(jìn)行控制，包括超聲波發(fā)射電路與接收電路，其電路圖見(jiàn)圖3。其中stm32f103為單片機(jī)，TVG為時(shí)間電壓增益控制器，PreAmpH和PreAmpL分別為高頻通道和低頻通道的前置放大器，BPH和BPL分別為高低頻通道帶通濾波器。單片機(jī)控制電路采用收發(fā)一體式的超聲波傳感器。當(dāng)單片機(jī)接到啟動(dòng)命令后，立即從I/O口發(fā)送出一串頻率約為40KHz的高頻信號(hào)，而后發(fā)送出一串頻率約為25KHz的低頻率信號(hào)，同時(shí)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，這兩種頻率的信號(hào)被功率放大后，推動(dòng)超聲波換能器發(fā)出兩種頻率的超聲波。發(fā)出的超聲波遇到障礙物反射后，形成回波，回波經(jīng)由前置放大、帶通濾波及檢波后，形成高頻回波脈沖和低頻回波脈沖。由于高頻聲波先發(fā)出，對(duì)同一目標(biāo)，高頻回波脈沖先到達(dá)接收器，因此用高頻超聲波探測(cè)近距離的目標(biāo);而遠(yuǎn)處的目標(biāo)由于高頻超聲波被空氣吸收而大幅衰減，所以回波只有低頻聲波。回波信號(hào)傳到單片機(jī)后計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，通過(guò)發(fā)射接收超聲波的時(shí)間差就可計(jì)算出障礙物的距離。由于溫度對(duì)超聲波傳播的影響較大，因此還必須及時(shí)對(duì)聲速進(jìn)行修正。空氣中聲速與溫度的關(guān)系為。因此需要在上述超聲波發(fā)射接收電路中加入一個(gè)數(shù)字溫度傳感器Ds18B20，實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境溫度，并將通過(guò)傳感器將測(cè)得的溫度T轉(zhuǎn)化為一個(gè)與其成正比的頻率信號(hào)f，傳至單片機(jī)處理后來(lái)修正聲速，從而使測(cè)得的距離更精確。

1．2供電裝置供電模塊由太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能控制器以及可充電的鎳氫蓄電池等組成。將太陽(yáng)能電池板置于導(dǎo)盲儀外部，產(chǎn)生的直流電為主控制電路供電，并將多余電量貯存在蓄電池中。目前常用的太陽(yáng)能電池為硅太陽(yáng)電池，其工作原理是:當(dāng)入射光能量大于硅的禁帶寬度時(shí)，會(huì)在其內(nèi)部形成電子-空穴對(duì)，在結(jié)電場(chǎng)的作用下，大部分光生空穴被推到P區(qū)，而光生電子被推到N區(qū)。隨著太陽(yáng)光的不斷照射，光生電子和空穴會(huì)在N區(qū)和P區(qū)不斷積累，從而在兩側(cè)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電位差，即光生電動(dòng)勢(shì)。太陽(yáng)能供電模塊工作框圖見(jiàn)圖4。

1．3報(bào)警裝置報(bào)警裝置采用HYV040語(yǔ)音芯片，它是一款功能強(qiáng)大的語(yǔ)音編程芯片，抗干擾能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，具有自動(dòng)節(jié)電控制功能，將導(dǎo)盲儀的所有探測(cè)距離需要播放的語(yǔ)音(如“前方障礙物距離為1米”)按不同結(jié)果錄制好，通過(guò)語(yǔ)音芯片配套的語(yǔ)音編程軟件直接下載到OTP存儲(chǔ)器中永久儲(chǔ)存。將經(jīng)過(guò)單片機(jī)計(jì)算出的障礙物距離傳至語(yǔ)音芯片，芯片中的程序根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果判斷并選擇要播放的語(yǔ)音段，并將聲音信號(hào)送到輸出端，通過(guò)揚(yáng)聲器來(lái)播放障礙物距離。

2軟件設(shè)計(jì)

該導(dǎo)盲儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)射接收子程序和數(shù)據(jù)處理子程序等組成，其控制核心為stm32f103單片機(jī)。單片機(jī)控制超聲波傳感器先發(fā)射10～16個(gè)完整波形的高頻超聲波，然后發(fā)射4～8個(gè)完整波形的低頻超聲波，并啟動(dòng)定時(shí)器定時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到高頻或低頻回波時(shí)計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，讀取時(shí)間差。同時(shí)溫度傳感器將檢測(cè)的環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化成頻率信號(hào)傳至單片機(jī)以修正聲速，從而計(jì)算出障礙物的距離。探測(cè)結(jié)果傳至語(yǔ)音芯片，判斷并選擇要播放的語(yǔ)音段，播放障礙物距離以提醒盲人。

3聲場(chǎng)模擬分析

超聲波聲場(chǎng)即充滿超聲波的空間，超聲場(chǎng)中的聲壓分布可以反映超聲波的聲場(chǎng)特性。超聲波某一點(diǎn)在某一瞬間所具有的壓強(qiáng)與超聲波聲場(chǎng)不存在時(shí)同一位置的靜態(tài)壓強(qiáng)之差稱為該點(diǎn)的聲壓。為研究不同頻率的超聲波傳播時(shí)的超聲場(chǎng)分布情況，用水作為傳播介質(zhì)，采用直徑12mm的超聲波換能器，利用matlab軟件對(duì)不同頻率的超聲波聲場(chǎng)進(jìn)行仿真，得到的聲壓分布圖見(jiàn)圖6。從圖6中可以看出，頻率高的超聲波輻射范圍小，但聲能集中在中心軸線的能力提高，測(cè)量精度高，因此適用于探測(cè)近處的物體。而頻率低的超聲波輻射范圍廣，可以到達(dá)遠(yuǎn)處目標(biāo)，因此可以用來(lái)探測(cè)遠(yuǎn)處的物體。

4結(jié)論

本導(dǎo)盲系統(tǒng)采用雙頻超聲波測(cè)距技術(shù)可以將探測(cè)距離擴(kuò)大到十幾米甚至二十米，解決了測(cè)量范圍大與測(cè)量精度高的矛盾，實(shí)現(xiàn)了大作用距離與高精度兼得的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，采用太陽(yáng)能供電，節(jié)能環(huán)保，報(bào)警裝置則可以語(yǔ)音播報(bào)障礙物距離。該實(shí)驗(yàn)可用在聲學(xué)專業(yè)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程中，以加深學(xué)生對(duì)超聲波探測(cè)技術(shù)的理解與應(yīng)用，極大地提高其動(dòng)手能力。

作者：劉雪林張旭史湘?zhèn)パΦ聦掽S興洲陳文娟單位：中國(guó)石油大學(xué)