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1實驗裝置

本導盲系統主要由單片機控制電路，太陽能供電電路，以及報警裝置等組成。系統的硬件結構框見圖2。

1．1單片機控制電路單片機控制電路主要由單片機進行控制，包括超聲波發射電路與接收電路，其電路圖見圖3。其中stm32f103為單片機，TVG為時間電壓增益控制器，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。單片機控制電路采用收發一體式的超聲波傳感器。當單片機接到啟動命令后，立即從I/O口發送出一串頻率約為40KHz的高頻信號，而后發送出一串頻率約為25KHz的低頻率信號，同時計時器開始計時，這兩種頻率的信號被功率放大后，推動超聲波換能器發出兩種頻率的超聲波。發出的超聲波遇到障礙物反射后，形成回波，回波經由前置放大、帶通濾波及檢波后，形成高頻回波脈沖和低頻回波脈沖。由于高頻聲波先發出，對同一目標，高頻回波脈沖先到達接收器，因此用高頻超聲波探測近距離的目標;而遠處的目標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。回波信號傳到單片機后計時器停止計時，通過發射接收超聲波的時間差就可計算出障礙物的距離。由于溫度對超聲波傳播的影響較大，因此還必須及時對聲速進行修正。空氣中聲速與溫度的關系為。因此需要在上述超聲波發射接收電路中加入一個數字溫度傳感器Ds18B20，實時檢測環境溫度，并將通過傳感器將測得的溫度T轉化為一個與其成正比的頻率信號f，傳至單片機處理后來修正聲速，從而使測得的距離更精確。

1．2供電裝置供電模塊由太陽能電池板、太陽能控制器以及可充電的鎳氫蓄電池等組成。將太陽能電池板置于導盲儀外部，產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。目前常用的太陽能電池為硅太陽電池，其工作原理是:當入射光能量大于硅的禁帶寬度時，會在其內部形成電子-空穴對，在結電場的作用下，大部分光生空穴被推到P區，而光生電子被推到N區。隨著太陽光的不斷照射，光生電子和空穴會在N區和P區不斷積累，從而在兩側產生一個穩定的電位差，即光生電動勢。太陽能供電模塊工作框圖見圖4。

1．3報警裝置報警裝置采用HYV040語音芯片，它是一款功能強大的語音編程芯片，抗干擾能力強，性能穩定，具有自動節電控制功能，將導盲儀的所有探測距離需要播放的語音(如“前方障礙物距離為1米”)按不同結果錄制好，通過語音芯片配套的語音編程軟件直接下載到OTP存儲器中永久儲存。將經過單片機計算出的障礙物距離傳至語音芯片，芯片中的程序根據檢測數據的處理結果判斷并選擇要播放的語音段，并將聲音信號送到輸出端，通過揚聲器來播放障礙物距離。

2軟件設計

該導盲儀的軟件設計主要由主程序、超聲波發射接收子程序和數據處理子程序等組成，其控制核心為stm32f103單片機。單片機控制超聲波傳感器先發射10～16個完整波形的高頻超聲波，然后發射4～8個完整波形的低頻超聲波，并啟動定時器定時，當檢測到高頻或低頻回波時計時器停止計時，讀取時間差。同時溫度傳感器將檢測的環境溫度轉化成頻率信號傳至單片機以修正聲速，從而計算出障礙物的距離。探測結果傳至語音芯片，判斷并選擇要播放的語音段，播放障礙物距離以提醒盲人。

3聲場模擬分析

超聲波聲場即充滿超聲波的空間，超聲場中的聲壓分布可以反映超聲波的聲場特性。超聲波某一點在某一瞬間所具有的壓強與超聲波聲場不存在時同一位置的靜態壓強之差稱為該點的聲壓。為研究不同頻率的超聲波傳播時的超聲場分布情況，用水作為傳播介質，采用直徑12mm的超聲波換能器，利用matlab軟件對不同頻率的超聲波聲場進行仿真，得到的聲壓分布圖見圖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，測量精度高，因此適用于探測近處的物體。而頻率低的超聲波輻射范圍廣，可以到達遠處目標，因此可以用來探測遠處的物體。

4結論

本導盲系統采用雙頻超聲波測距技術可以將探測距離擴大到十幾米甚至二十米，解決了測量范圍大與測量精度高的矛盾，實現了大作用距離與高精度兼得的優勢。同時，采用太陽能供電，節能環保，報警裝置則可以語音播報障礙物距離。該實驗可用在聲學專業的相關實驗課程中，以加深學生對超聲波探測技術的理解與應用，極大地提高其動手能力。

作者：劉雪林張旭史湘偉薛德寬黃興洲陳文娟單位：中國石油大學