基于双频超声波技术的导盲实验设计论文范文

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1实验装置

本导盲系统主要由单片机控制电路，太阳能供电电路，以及报警装置等组成。系统的硬件结构框见图2。

1．1单片机控制电路单片机控制电路主要由单片机进行控制，包括超声波发射电路与接收电路，其电路图见图3。其中stm32f103为单片机，TVG为时间电压增益控制器，PreAmpH和PreAmpL分别为高频通道和低频通道的前置放大器，BPH和BPL分别为高低频通道带通滤波器。单片机控制电路采用收发一体式的超声波传感器。当单片机接到启动命令后，立即从I/O口发送出一串频率约为40KHz的高频信号，而后发送出一串频率约为25KHz的低频率信号，同时计时器开始计时，这两种频率的信号被功率放大后，推动超声波换能器发出两种频率的超声波。发出的超声波遇到障碍物反射后，形成回波，回波经由前置放大、带通滤波及检波后，形成高频回波脉冲和低频回波脉冲。由于高频声波先发出，对同一目标，高频回波脉冲先到达接收器，因此用高频超声波探测近距离的目标;而远处的目标由于高频超声波被空气吸收而大幅衰减，所以回波只有低频声波。回波信号传到单片机后计时器停止计时，通过发射接收超声波的时间差就可计算出障碍物的距离。由于温度对超声波传播的影响较大，因此还必须及时对声速进行修正。空气中声速与温度的关系为。因此需要在上述超声波发射接收电路中加入一个数字温度传感器Ds18B20，实时检测环境温度，并将通过传感器将测得的温度T转化为一个与其成正比的频率信号f，传至单片机处理后来修正声速，从而使测得的距离更精确。

1．2供电装置供电模块由太阳能电池板、太阳能控制器以及可充电的镍氢蓄电池等组成。将太阳能电池板置于导盲仪外部，产生的直流电为主控制电路供电，并将多余电量贮存在蓄电池中。目前常用的太阳能电池为硅太阳电池，其工作原理是:当入射光能量大于硅的禁带宽度时，会在其内部形成电子-空穴对，在结电场的作用下，大部分光生空穴被推到P区，而光生电子被推到N区。随着太阳光的不断照射，光生电子和空穴会在N区和P区不断积累，从而在两侧产生一个稳定的电位差，即光生电动势。太阳能供电模块工作框图见图4。

1．3报警装置报警装置采用HYV040语音芯片，它是一款功能强大的语音编程芯片，抗干扰能力强，性能稳定，具有自动节电控制功能，将导盲仪的所有探测距离需要播放的语音(如“前方障碍物距离为1米”)按不同结果录制好，通过语音芯片配套的语音编程软件直接下载到OTP存储器中永久储存。将经过单片机计算出的障碍物距离传至语音芯片，芯片中的程序根据检测数据的处理结果判断并选择要播放的语音段，并将声音信号送到输出端，通过扬声器来播放障碍物距离。

2软件设计

该导盲仪的软件设计主要由主程序、超声波发射接收子程序和数据处理子程序等组成，其控制核心为stm32f103单片机。单片机控制超声波传感器先发射10～16个完整波形的高频超声波，然后发射4～8个完整波形的低频超声波，并启动定时器定时，当检测到高频或低频回波时计时器停止计时，读取时间差。同时温度传感器将检测的环境温度转化成频率信号传至单片机以修正声速，从而计算出障碍物的距离。探测结果传至语音芯片，判断并选择要播放的语音段，播放障碍物距离以提醒盲人。

3声场模拟分析

超声波声场即充满超声波的空间，超声场中的声压分布可以反映超声波的声场特性。超声波某一点在某一瞬间所具有的压强与超声波声场不存在时同一位置的静态压强之差称为该点的声压。为研究不同频率的超声波传播时的超声场分布情况，用水作为传播介质，采用直径12mm的超声波换能器，利用matlab软件对不同频率的超声波声场进行仿真，得到的声压分布图见图6。从图6中可以看出，频率高的超声波辐射范围小，但声能集中在中心轴线的能力提高，测量精度高，因此适用于探测近处的物体。而频率低的超声波辐射范围广，可以到达远处目标，因此可以用来探测远处的物体。

4结论

本导盲系统采用双频超声波测距技术可以将探测距离扩大到十几米甚至二十米，解决了测量范围大与测量精度高的矛盾，实现了大作用距离与高精度兼得的优势。同时，采用太阳能供电，节能环保，报警装置则可以语音播报障碍物距离。该实验可用在声学专业的相关实验课程中，以加深学生对超声波探测技术的理解与应用，极大地提高其动手能力。

作者：刘雪林张旭史湘伟薛德宽黄兴洲陈文娟单位：中国石油大学