基于超声波测距和PSD红外测距的智能语音导盲器（一）

　　摘要：设计了一种以超声波测距和PSD红外测距为的智能语音导盲器。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于使用者头部，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 m,到百分位，通过耳机向使用者报数，实现方向与距离的指示。

　　0 引言

　　我国是世界上盲人多的国家，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。

　　本文设计了一种以超声波测距和PSD 红外测距为的智能语音导盲器。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5 m.通过耳机向使用者报数，到百分位，实现方向与距离的指示。

　　1 系统结构

　　如图1 所示本设计由探测，处理，提示3 大部分组成。其中探测模块由中央探测和侧翼探测2个部分组成，探测模块所输出的信号发送给STC12C5A60S2单片机，通过A/D转换、判别并通过语音芯片和震动器作距离提示。

　　2 探测模块

　　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回波，通过两者时间差t,利用公式d = v0 t /2 计算距离，d 为超声波发射装置与障碍物的距离；v0 为声波在介质中传播的速率探测范围可达4~500 cm,探测角约为30°（见图3），分辨率达1 cm,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。探测范围如图2所示。

　　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2所示），可以测得装置到障碍物的距离（20~150 cm），探测角15°（见图3），距离以模拟量输出，经单片机A/D 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3个方向的探测，角度设置如图3所示。

　　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°角，这样就可以组成一个可以探测前半球180°的模组。

　　红外测距传感器三角测量原理：激光三角法测距的基本原理是基于平面三角几何。其方法是让一束激光经发射透镜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。

　　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α，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。

　　3 信号处理模块

　　本设计选用了自带A/D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[7],如图5所示，振动电路如图6所示。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。

　　本设计单片机的处理流程图如图7所示。

　　如图7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12 MHz,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。