基於超聲波測距和PSD紅外測距的智能語音導盲器

2021-01-10 電子產品世界

摘要：設計了一種以超聲波測距和PSD紅外測距為核心的智能語音導盲器。利用STC12C5A60S2單片機循環採樣，ISD1700語音晶片作語音提示，實現導盲提示的功能。整個導盲裝置將放置於使用者頭部，其中，超聲波探測器探測方向可隨使用者頭部指向變化而變化，探測距離為5 m，精確到百分位，通過耳機向使用者報數，實現方向與距離的精確指示。
關鍵詞：超聲波測距；紅外測距；三角測量原理；語音提示

0 引言
我國是世界上盲人最多的國家，約有900萬視力殘疾者，佔全世界的盲人總數的1／5左右，每年會新增盲人45萬，即約每分鐘增加一人。完全失明的盲人，在行動引導方面遇到了很大的困難。傳統的手杖無法及時地告知盲人前方障礙物的具體位置。因此，一種廉價實用的智能導盲器的意義重大。
本文設計了一種以超聲波測距和PSD紅外測距為核心的智能語音導盲器。利用STC12C5A60S2單片機循環採樣，ISD1700語音晶片作語音提示，實現導盲提示的功能。本設計著重於解決使用者對前方障礙物的感知，因此本設計的超聲波探測器探測方向，隨使用者頭部指向變化而變化，與使用者頭部指向完全一致，且探測距離為5 m。通過耳機向使用者報數，精確到百分位，實現方向與距離的精確指示。

1 系統結構
如圖1所示本設計由探測，處理，提示3大部分組成。其中探測模塊由中央探測和側翼探測2個部分組成，探測模塊所輸出的信號發送給STC12C5A60S2單片機，通過A／D轉換、判別並通過語音晶片和震動器作距離提示。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/192745.htm



2 探測模塊
本設計中央探測模塊使用超聲波探測，其測距原理為超聲波裝置發射超聲波並接受反射回波，通過兩者時間差t，利用公式d=v0t／2計算距離，d為超聲波發射裝置與障礙物的距離；v0為聲波在介質中傳播的速率(，T為攝氏溫度)。探測範圍可達4～500 cm，探測角約為30°(見圖2)，解析度達1 cm，誤差少於1％，探測距離以數字量的形式通過TTL模式和單片機通信，因此完全可以滿足探測精度。探測範圍如圖2所示。


本設計側翼探測模塊使用紅外測距傳感器探測。該探測器採用三角測量原理(如圖2所示)，可以測得裝置到障礙物的距離(20～150 cm)，探測角15°(見圖3)，距離以模擬量輸出，經單片機A／D轉換後，根據需要設置多重範圍報警。本設計的3個探測器將分別負責3個方向的探測，角度設置如圖3所示。


中間的探測器指向正前方，左右兩邊的探測器中線各與中線成90°角，這樣就可以組成一個可以探測前半球180°的模組。
紅外測距傳感器三角測量原理：雷射三角法測距的基本原理是基於平面三角幾何。其方法是讓一束雷射經發射透鏡準直後照射到被測物體表面上，由物體表面散射的光線通過接收透鏡會聚到高解析度的光電檢測器件上，形成一個散射光斑，該散射光斑的中心位置由傳感器與被測物體表面之間的距離決定。而光電檢測器件輸出的電信號與光斑的中心位置有關。因此，通過對光電檢測器件輸出的電信號進行運算處理就可獲得傳感器與被測物體表面之間的距離信息。為了達到精確的聚焦，發射光束和光電檢測器件受光面以及接收透鏡平面必須相交於一點。


紅外發射器按照一定的角度發射紅外光束，當遇到物體以後，光束會反射回來，測量示意圖如圖4所示。反射回來的紅外光線被光感應板檢測到以後，會獲得一個偏移值L，利用三角關係，在知道了發射角度α，偏移距L，中心矩X，以及濾鏡的焦距f以後，傳感器到物體的距離D就可以通過幾何關係D=fX／L計算出來了。當距離D足夠小時，L值會相當的大，超過光感應板的探測範圍，這時，雖然物體很近，但是傳感器反而看不到了。當物體的距離D很大時，L值就會很小，這時光感應板能否分辨出這個很小的L成為關鍵，也就是說光感應板的解析度決定能不能獲得足夠精確的L值。要檢測越是遠的物體，光感應板的解析度要求就越高。

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