智能导盲拐杖的设计 毕业论文 - 图文(4)

示。

3.3.2超声波换能模块

3.3V

R510K各可测距传感器的比较如图3-5所示。

电容C1的充电，RST引脚的电压将逐渐下降。

要目的都是通过前方返回的探测信息来判断距离。

图3-3单片机电路结构

作。若是引脚保持保持高电平，则单片机处于循环复位状态。

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实际应用中，复位操作有两种基本形式：一种是上电复位，另一种是上电与按键均

在89S52单片机的引脚RST接持续两个周期的高电平时，单片机内部就执行复位操

有效的，请求在打开电源、单片机自动复位操作。RST引脚上电瞬间获得高电平，随着

目前被大家熟知的避障测距技术主要有激光、毫米波雷达、摄像系统、红外线、超

声波等一些测距技术，不同的目标探测方式其工作过程和原理有不同之处，但它们的主

RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位

操作。单位电路的目：在需要的时候，单片机复位，保证正常的工作循环，如图3-4所

10 C100.1R41KC111RST图 3-4复位电路

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图3-5各传感器性能比较

综合以上考虑和实际应用条件，所以本设计测距模块采用的是超声波方案，并在超声波测距技术方案的设计上进行了简化和改进。

超声换能器按照发射与接收是否同体可分为收发同体与收发分体式两种。其中收发一体式就是发送器和接受器为一体的传感器，即可发送超声波，又可接受超声波；收发分体式是发送器用作发送超声波，接受器用作接受超声波。为了操作的简便，本次超声波导盲系统选用的是HC-SR04超声波测距模块如图3-6所示。

图3-6 HC-SR04超声波测距模块实物图

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HC-SR04超声波测距模块可提供2cm~400cm的非接触式距离感测功能，精度可达2mm，模块包括超声波发送接收和控制电路。Vcc供5V电源，GND接地，TRIG触发控制信号输入，ECHO回想信号输出。

基本工作原理：

（1） 采用IO口TRIG触发，至少给10us的高电平信号; （2） 模块自动发射8个40KH的方波，自动检测是否有信号返回;

（3） 有信号时，通过IO口ECHO输出高电平，高电平持续时间就是超声波从发射

到返回的时间。

这是一款压电陶瓷式收发同体超声波传感器。其中心频率为40KHz，发射声压在10V，0dB=0.02m/Pa的条件下≥95dB；接收灵敏度在40KHz中心频率，0dB=10V/pa的条件下≥-65dB；静电容量为1260pF~2340pF；探测距离为0.2~3m；-6dB下的指向角为60o。其发射声压方位特性图如图3-7所示。

图3-7发射声压方位特性图

HR-SR04型超声波集成模块的工作电压为5V，而且此模块的静态工作电流是小于2mA的，工作时候相对稳定。测量角度为15°，减少了可能存在的角度干扰问题。此模块的测距范围为2 cm～5 m，能基本满足测距要求，而且其精度可以达到0.3cm，盲区仅为2cm，完全可以能够满足本设计的测距要求，测距也比较稳定。采用I/O触发测距，需给至少10 us的高电平信号。HC-SR04电气参数如图3-8所示。

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图

3-8 HC-SR40电气参数

换能电路部分主要包括超声波信号产生功率驱动。实际目的是为超声波发射器提供它所需要的脉冲电信号。依据电路需要，发射电路满足下列要求:

(1) 振荡电路振荡频率可调:

振荡电路的实现目的是为超声波传感器提供40KHz脉冲。

当加载在超声波传感器的两端的信号频率与其固有频率为同一频率时，发生共振，电信号电能高效率的转化为机械声波机械能。

本设计所使用的为555振荡电路，如图3-9所示

图3-9 555振荡电路

(2) 驱动能力较高；

驱动电路是为超声波发射器提供足够功率的脉冲信号。要求产生出具有一定功率，一定脉冲宽度和一定频率的超声电脉冲去激励发射器，由发射器将电能转换为超声机械波机械能。如图3-10所示超声波传感器驱动电路原理图。

12V12VR2Q1C1脉冲输入D1D2+TX1n=40D3D4TRANSDUCERR1Q2Q3图3-10 超声波传感器驱动电路原理图

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(3) I/O口控制。

功率驱动电路功能是用来对超声波换能器进行功率驱动，经过驱动放大达到足够功率之后，推动超声波换能器产生超声波。

超声波在空气中会随着传播距离的增加而衰减，经过目标反射回来的超声波的回波信号弱，在距离较远的情况下只达毫伏级，甚至微伏。因此为了加大超声波测距系统的量程范围，需加以驱动电路如图3-11所示。根据电路需求，接收电路的功能是将接收到的微弱信号放大并进行滤波整形。

接收电路部分主要包括限幅保护电路、带通滤波电路、比较放大电路三部分电路构成。采用集成运算放大器构成的放大电路具有放大倍数高，输入电阻高，输出电阻低的特点，是一种直接耦合式放大电路。这种电路比较简单，放大倍数容易调整 X10R5C6C8X100C9R7 R9U1AU1B2C5 R6U1D16C7R83713X1000 514LM83712LM837C10 LM8378V8V

R10U1C

C11C39R48 10 C12R11LM837C4

图3-11超声波驱动放大电路原理图

本次设计选择了各项性能优越的LM387作为放大器，其能充分满足放大的要求，可双电源供电，考虑到电源的问题，采用单电源供电，因此设计了电压跟随器提供4V的基准电压，可以有效防止干扰。由于回波信号非常弱，一般为毫伏级，其能量的衰减程度与传播距离成正比，所以超声波传感器的接收信号一般在10mV～60mV之间，因此由LM387构成了三级放大电路，每一级放大10倍，共放大1000倍左右，完全能够满足要求，并且三级放大可选，可以根据测距的远近选择合适的放大倍数。

此超声波模块可提供10cm~500cm的非接触式距离感测功能，测距精度可在1cm。 基本工作原理：

（1） 采用I0口TRIG触发式测距，至少给10us的高电平信号； （2） 模块自动发出8个40KHZ的方波，自动检测是否有信号返回； （3） 有信号返回时，通过I0口ECH0输出一个高电平，高电平持续时间就是超声波从发射到返回的时间。使用者到障碍物距离=（高电平时间*声速）/2; 超声波总体电路见附录1。

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