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[摘 要]随着对盲人拐杖使用功能增强的要求，我们将超声波运用到盲人拐杖中。超声波具有指向性强，能耗小，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种。我们将超声波与盲人拐杖有机结合起来，超声波能够有效弥补盲人视力缺陷问题，我们采用以AT89S51单片机为核心的低成本、高精度、微型化硬件和软件相结合的设计方法。该系统能够帮助盲人辨识半空中物体，使盲人减少意外伤害，避除障碍物。
[关键词]拐杖 超声波 AT89S51单片机 测距 报警
中图分类号：TP 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）20-155-01
0、引言
我们知道，以单片机为核心的超声波测距系统设计简单、方便，而且测量精度高。本课题研究的盲人测距系统就是用单片机控制的。
通过超声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射时刻同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
1、超声波测距单片机系统
超声波测距单片机系统主要由：AT89S51单片机、晶振、复位电路、电源滤波部份构成。由K1，K2组成测距系统的按键电路。用于设定超声波测距报警值。如图1。
图1：超声波测距单片机系统
2、超声波发射、接收电路
超声波发射如图2，接收电路如图3。超声波发射电路由电阻R1、三极管BG1、超声波脉冲变压器B及超声波发送头T40构成，超声波脉冲变压器在这里的作用是提高加载到超声波发送头两产端的电压，以提高超声波的发射功率，从而提高测量距离。接收电路由BG1、BG2组成的两组三级管放大电路构成；超声波的检波电路、比较整形电路由C7、D1、D2及BG3组成。
40kHz的方波由AT89S51单片机的P2.7输出，经BG1推动超声波脉冲变压器，在脉冲变压器次级形成60VPP的电压，加载到超声波发送头上，驱动超声波发射头发射超声波。发送出的超声波，遇到障碍物后，产生回波，反射回来的回波由超声波接收头接收到。由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形幅值较低，经接收电路放大，整形，最后输出一负跳变，输入单片机的P3脚。
图2：超声波测距发送单元
该测距电路的40kHz方波信号由单片机AT89S51的P2.7发出。方波的周期为1/40ms，即25?s，半周期为12.5?s。每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生40kHz方波。由于单片机系统的晶振为12M晶振，因而单片机的时间分辨率是1?s，所以只能产生半周期为12?s或13?s的方波信号，频率分别为41.67kHz和38.46kHz。本系统在编程时选用了后者，让单片机产生约38.46kHz的方波。
由于反射回来的超声波信号非常微弱，所以接收电路需要将其进行放大。接收电路如图3所示。接收到的信号加到BG1、BG2组成的两级放大器上进行放大。每级放大器的放大倍数为70倍。放大的信号通过检波电路得到解调后的信号。这里使用的是I N 4148检波二极管，输出的直流信号即两二极管之間电容电压。该接收电路结构简单，性能较好，制作难度小。
图3：超声波测距接收单元
3、报警输出电路
为提高测测距系统的实用性，本测距系统的报警输出提供声响信号。报警信号由单片机P0.2口输出，提供声响报警信号，电路由电阻R7、三极管BG8、蜂鸣器BY组成，当测量值低于事先设定的报警值时，蜂鸣器发出“滴、滴、滴…..”报警声响信号，测量值高于设定的报警值时，停止发出报警声响。报警输出电路如图4。
图4 报警输出电路
4、调试及性能分析
4.1调试步骤
首先焊接各个模块，焊接完每个模块以后，再进行模块的单独测试，以确保在整个系统焊接完能正常的工作，原件安装完毕后，将写好程序的AT89S51机装到测距板上，通电后将测距板的超声波头对着墙面往复移动，本测距板1s测量4-5次，超声波发送功率较大时，测量距离远，则相应的下限值（盲区）应设置为高值。试验板中的声速没有进行温度补偿，声速值为340m/s，该值为15℃时的超声波值。
4.2 性能分析
从实物测试的总体来说本测距板基本上达到了要求，理想上超声波测距能达到500到700厘左右，而我们所能实现的最大距离只有699厘，测量结果受环境温度影响。分析原因如下：超声波发射部份由电阻R1、三极管BG1、超声波脉冲变压器B及超声波发送头T40构成，以提高超声波的发射功率，从面提高测量距离。这种方式，加大的超声波了送头的余振时间，造成超声波测距盲区值较大（本系统盲区值为40厘米）。
参考文献：
[1] 赵建领 薛园园 51单片机开发与应用技术详解 北京：电子工业出版社，2009
[2] 沈红卫. 基于单片机智能系统设计与实现. 北京：电子工业出版社，2005
[3] 杨国田 白 焰 董 玲 51单片机实用C语言程序设计 中国电力出版社 2009
[4] 李群芳，黄建. 单片机微型计算机与接口技术. 北京：电子工业出版社，2001
[5] 楼然苗、李光飞. 51系列单片机设计实例. 北京：北京航空航天大学出版社，2003
[6] 王守中 51单片机开发入门与典型实例. 北京：人民邮电出版社，2009
[关键词]拐杖 超声波 AT89S51单片机 测距 报警
中图分类号：TP 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）20-155-01
0、引言
我们知道，以单片机为核心的超声波测距系统设计简单、方便，而且测量精度高。本课题研究的盲人测距系统就是用单片机控制的。
通过超声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射时刻同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
1、超声波测距单片机系统
超声波测距单片机系统主要由：AT89S51单片机、晶振、复位电路、电源滤波部份构成。由K1，K2组成测距系统的按键电路。用于设定超声波测距报警值。如图1。
图1：超声波测距单片机系统
2、超声波发射、接收电路
超声波发射如图2，接收电路如图3。超声波发射电路由电阻R1、三极管BG1、超声波脉冲变压器B及超声波发送头T40构成，超声波脉冲变压器在这里的作用是提高加载到超声波发送头两产端的电压，以提高超声波的发射功率，从而提高测量距离。接收电路由BG1、BG2组成的两组三级管放大电路构成；超声波的检波电路、比较整形电路由C7、D1、D2及BG3组成。
40kHz的方波由AT89S51单片机的P2.7输出，经BG1推动超声波脉冲变压器，在脉冲变压器次级形成60VPP的电压，加载到超声波发送头上，驱动超声波发射头发射超声波。发送出的超声波，遇到障碍物后，产生回波，反射回来的回波由超声波接收头接收到。由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形幅值较低，经接收电路放大，整形，最后输出一负跳变，输入单片机的P3脚。
图2：超声波测距发送单元
该测距电路的40kHz方波信号由单片机AT89S51的P2.7发出。方波的周期为1/40ms，即25?s，半周期为12.5?s。每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生40kHz方波。由于单片机系统的晶振为12M晶振，因而单片机的时间分辨率是1?s，所以只能产生半周期为12?s或13?s的方波信号，频率分别为41.67kHz和38.46kHz。本系统在编程时选用了后者，让单片机产生约38.46kHz的方波。
由于反射回来的超声波信号非常微弱，所以接收电路需要将其进行放大。接收电路如图3所示。接收到的信号加到BG1、BG2组成的两级放大器上进行放大。每级放大器的放大倍数为70倍。放大的信号通过检波电路得到解调后的信号。这里使用的是I N 4148检波二极管，输出的直流信号即两二极管之間电容电压。该接收电路结构简单，性能较好，制作难度小。
图3：超声波测距接收单元
3、报警输出电路
为提高测测距系统的实用性，本测距系统的报警输出提供声响信号。报警信号由单片机P0.2口输出，提供声响报警信号，电路由电阻R7、三极管BG8、蜂鸣器BY组成，当测量值低于事先设定的报警值时，蜂鸣器发出“滴、滴、滴…..”报警声响信号，测量值高于设定的报警值时，停止发出报警声响。报警输出电路如图4。
图4 报警输出电路
4、调试及性能分析
4.1调试步骤
首先焊接各个模块，焊接完每个模块以后，再进行模块的单独测试，以确保在整个系统焊接完能正常的工作，原件安装完毕后，将写好程序的AT89S51机装到测距板上，通电后将测距板的超声波头对着墙面往复移动，本测距板1s测量4-5次，超声波发送功率较大时，测量距离远，则相应的下限值（盲区）应设置为高值。试验板中的声速没有进行温度补偿，声速值为340m/s，该值为15℃时的超声波值。
4.2 性能分析
从实物测试的总体来说本测距板基本上达到了要求，理想上超声波测距能达到500到700厘左右，而我们所能实现的最大距离只有699厘，测量结果受环境温度影响。分析原因如下：超声波发射部份由电阻R1、三极管BG1、超声波脉冲变压器B及超声波发送头T40构成，以提高超声波的发射功率，从面提高测量距离。这种方式，加大的超声波了送头的余振时间，造成超声波测距盲区值较大（本系统盲区值为40厘米）。
参考文献：
[1] 赵建领 薛园园 51单片机开发与应用技术详解 北京：电子工业出版社，2009
[2] 沈红卫. 基于单片机智能系统设计与实现. 北京：电子工业出版社，2005
[3] 杨国田 白 焰 董 玲 51单片机实用C语言程序设计 中国电力出版社 2009
[4] 李群芳，黄建. 单片机微型计算机与接口技术. 北京：电子工业出版社，2001
[5] 楼然苗、李光飞. 51系列单片机设计实例. 北京：北京航空航天大学出版社，2003
[6] 王守中 51单片机开发入门与典型实例. 北京：人民邮电出版社，2009