摘 要:导盲拐杖的主要功能是利用语音提示障碍物,帮助盲人识别障碍物与自己之间的距离;在夜间,电子导盲拐杖还发出红色警示光,提示他人引起注意,给盲人提供帮助或关爱。本设计受汽车倒车雷达工作原理的启发,采用超声波收发模块测距,检测盲人周围12米以内障碍物,并发出语音报警。另采用光敏电阻检测周围环境的亮度,并将该亮度转化为相反逻辑的红色警示光。设计制作结果表明,本作品实现了电子导盲拐杖预期的声光报警功能,还具有高灵敏度、低成本、便于携带等特点。
关键词:电子导盲超声波测距光敏电阻
中图分类号:TP242文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)08(a)-0021-01
盲人需要关爱,特别是夜间过马路的时候。过去,盲人只能依靠手中的拐杖和听觉来综合判断周围的障碍物,但是对于疾驰而过的汽车、摩托等机动车,由于盲人没有发出提示信号,往往造成惨重的交通事故,盲人出门也造成巨大的心理压力。为了减少类似的惨剧重演,政府曾花费巨资对城市街道进行改造,诸如增设无障碍人行道、红绿灯路口增加报警信号等。尽管如此,盲人还是感觉不便。曾经有人利用红外线测距的原理,将汽车上的倒车雷达改装后帮助盲人识别障碍物,但倒车雷达一般采用12V或24V电压,功率消耗较大,体积也较大,不便于携带和使用,因此目前还未发现理想的导盲拐杖。
受倒车雷达的启发,但为了改进倒车雷达应用于导盲拐杖的缺陷,将障碍物检测方式改为超声波测距,同时用光敏电阻检测周围环境亮度的亮度,控制报警信号的亮度[1]。即,在白天红色LED几乎不发光;在夜晚,越暗的环境LED亮度越高。
1 设计原理
如图1所示,电子导盲拐杖由四部分构成:超声波测距电路、光敏报警电路、语音录放电路、电源电路构成。
其中,超声波测距电路由超声波测距模块和触发输出电路构成,超声波测距模块工作在40KHz频率下,由超声波发射电路、接收电路、解调电路和信号输出电路构成,发射电路一直发出40KHz的超声波信号,当超声波遇到障碍物之后,返回同频率、不同相位的超声波信号。接收电路是一个鉴相、滤除电路,滤除40KHz信号后,比较相位差,障碍物距离盲人的距离d与相位差ΔP成正比例关系,即:
(1)
当ΔP超过阀值门限时,触发信号输出电路,发出遇到障碍物信号。本文所用的超声波检测范围为12米。
语音电路由录音控制电路、话筒、AD转换电路、ROM存储器电路、DA转换电路、音频放大电路、播放控制构成,完成录音、放音的功能。对盲人的语音提示信息可以通过录音键和录音电路进行修改,直到满意为止。录音完毕之后,语音信息保存在ROM存储器中,等待超声波模块的触发播放信号。一旦超声波模块检测到障碍物,则输出触发信号,此触发信号为低电平,直接连接至语音模块的播放控制输入端[2]。语音模块收到播放信号之后,从ROM中读出语音数据至DA转换电路,再经过二阶滤波和功率放大电路,由喇叭向盲人发出提示语音,如“请你让一让！”等。
此外,为了在夜间提示他人,在盲人拐杖上设计了一个光敏检测电路。采用光敏电阻的负亮度特性,即亮度越高,阻值越低,通过三级管反相放大,驱动红色LED发出提示信息。
整个系统的供电由9V叠层电池完成,语音录放电路要求5V直流电压,超声波电路要求6V至12V直流电压。为此,将9V电池直接加至超声波收发电路,另将9V经三端稳压集成电路7805稳压为5V输出至语音录放电路和光敏报警电路。
2 设计与制作
先设计电路原理图,并采购元器件。第一步制作电源电路,如图2所示。待5V输出正常之后,在制作其他电路。为了便于使用和节约电池,在电路中增加总电源开关SW3。当开关处于1-2位置时,电源接通,系统开始工作;当开关处于2-3位置时,关闭系统电源,以延长电池使用寿命。
超声波收发模块是电子导盲拐杖的核心,U1即为超声波收发模块,其型号为GH-311RT(T),1脚和2脚接电池输入电压,3脚为障碍物触发信号,外接上拉电阻R5。U2为语音模块,其型号为YONG,6、7脚接录音话筒,4、5脚接喇叭,2、3脚接录音键。
当SW1按下时,开始录音。当U1输出低电平触发信号时,相当于向语音模块输入放音信号,语音模块将ROM内保存的提示语音调出,经DA转换、滤波、放大,至喇叭LS1,发出提示音。
光敏报警中,OPR1即为负亮度特性光敏电阻,与R3串联分压后,亮度信号转变为Q1的基极电压信号:
(2)
在白天,光线亮度较强,OPR1的阻值较低(约2kΩ),分压后Q1的基极电压远远小于导通电压0.7V,红色发光管D1熄灭;在夜间,光线亮度较弱,OPR1的阻值较高,分压后Q1的基极电压远远大于导通电压0.7V,红色发光管D1被点亮,亮度随OPR1的阻值而变化(28～40kΩ)。
3 功能验证
经实验,本作品达到为盲人导盲的设计目标,实现预定的声光报警功能,有效识别范围达0～12m。整个作品安装在拐杖上面,即所谓电子导盲拐杖。
但是,在录音的时候发现,必须先断开超声波模块才能正常录音,否则录音质量比较差。经分析,发现是超声波模块发出的40kHz信号被话筒采集,作为强干扰源录入。为了避免该缺陷,应该在录音前切断超声波模块的电源。
参考文献
[1]刘国传.智能化盲人超声拐杖的研制[J].医疗装备,2007(3).
[2]张虎军等.人工视觉助盲系统的实现[J].医疗卫生装备,2006(8).