摘  要： 設(shè)計(jì)了一款基于TMS320F28027的太陽能多功能智能導(dǎo)盲杖，由太陽能電源管理器、帶溫度補(bǔ)償的新型超聲波探測器、數(shù)碼管顯示、振動(dòng)電路、語音音頻電路、LED指示以及鍵盤等模塊組成。簡易裝置完成后，經(jīng)測試達(dá)到滿意的效果。該智能導(dǎo)盲杖節(jié)能、方便，性價(jià)比高，易于產(chǎn)品化和市場化。
關(guān)鍵詞： 導(dǎo)盲杖；TMS320F28027；語音；溫度補(bǔ)償；新型超聲波

    國內(nèi)外現(xiàn)有的導(dǎo)盲杖一般僅有障礙檢測和語音播報(bào)功能，且價(jià)格昂貴[1]。美國產(chǎn)品在300～400美元左右，英國達(dá)到500英鎊。日本最新研發(fā)的能感知人臉高度的電子導(dǎo)盲杖，能夠感應(yīng)到前方2 m臉部高度處的障礙物，但是它使用了兩個(gè)超聲波感應(yīng)器，耗材成本高，一般用戶難于承受，且功能較單一。
    本文設(shè)計(jì)了一款人性化更強(qiáng)、功能更多、性價(jià)比更高的智能導(dǎo)盲杖。該裝置使用太陽能供電，不用頻繁更換電池；選擇TI公司的Piccolo系列C2000 DSC TMS320-
F28027微處理器作為控制器，其高效的計(jì)算能力、快速中斷響應(yīng)與處理能力以及低功耗的特點(diǎn)，增加了導(dǎo)盲杖的可靠性，僅需少量外圍器件就能實(shí)現(xiàn)控制電路的設(shè)計(jì)；帶溫度補(bǔ)償?shù)男滦统暡ìF(xiàn)代控制方法[2]，克服了傳統(tǒng)超聲波電路的不足，使距離探測靈敏精確。另外還增加了一些小功能，如語音報(bào)時(shí)、鬧鐘設(shè)置、高亮LED燈、數(shù)碼管顯示等，功能雖小，卻給視覺障礙者的生活帶來很多方便，既可以認(rèn)路導(dǎo)航，也豐富了生活，構(gòu)思精巧，實(shí)用性強(qiáng)。
1 總體設(shè)計(jì)方案及原理
1.1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
    本設(shè)計(jì)以TI公司的Piccolo系列C2000 DSC TMS320-F28027為主控制器。TMS320F28027芯片內(nèi)置1.8 V電壓調(diào)整器，可實(shí)現(xiàn)3.3 V單電源供電，功耗低；采用PQFP-48小型封裝，內(nèi)部集成2個(gè)振蕩器，精度高達(dá)1%；其高精度PWM資源以及豐富的片內(nèi)存儲寄存器和串口通信接口，大大優(yōu)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要由太陽能電源管理器、超聲波探測模塊、8位數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)電路、語音音頻電路、高亮LED燈模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。圖1為系統(tǒng)總體控制框圖。

1.2 超聲波測距原理
    超聲波傳播速度慢，指向性強(qiáng)，能級消耗緩慢，對色彩、光照度不敏感，同時(shí)超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、費(fèi)用低、信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[3]。超聲波測距的方法為回聲探測法，發(fā)射換能器不斷發(fā)射聲波脈沖，聲波遇到障礙物后反射回來被接收換能器接收，超聲波接收器收到反射波即停止計(jì)時(shí)。根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離，距離與聲速、時(shí)間的關(guān)系表示為：

2.2 帶溫度補(bǔ)償?shù)男滦统暡ㄌ綔y電路
    由1.2節(jié)分析可知，超聲波的傳播速度會因?yàn)榄h(huán)境的溫度變化而出現(xiàn)誤差，對于超聲波測距精度要求達(dá)到1 mm時(shí)，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。圖3、圖4分別為超聲波發(fā)送電路和超聲波接收電路。

    本設(shè)計(jì)中超聲波發(fā)射電路巧妙地利用了RS232的電平轉(zhuǎn)換功能，將GPIO口的電壓轉(zhuǎn)換成發(fā)射超聲波所需的電壓，提高了發(fā)射超聲波的能量，增加了超聲波的探測距離。利用TMS320F28027的GPIO口連接到三極管Q1，用來控制RS232的電源，對RS232的功耗進(jìn)行了管理，當(dāng)不需要發(fā)射超聲波時(shí)，將RS232的電源關(guān)閉，降低系統(tǒng)功耗，延長電池的使用時(shí)間。但是需要注意的是，在RS232上電后和發(fā)射超聲波之前需要增加一個(gè)小小的延時(shí)，以便RS232的電容能夠充電到所需的電壓。
    超聲波的接收電路采用TS461雙運(yùn)放和MAX5467構(gòu)成的程控運(yùn)算放大器，將接收到的超聲波信號放大后再經(jīng)過LMV331比較器進(jìn)入控制器，經(jīng)過數(shù)字濾波，最后計(jì)算得到障礙物的距離。傳統(tǒng)的接收電路運(yùn)放的放大倍數(shù)是固定的[6]，若放大器的倍數(shù)設(shè)計(jì)的比較大，當(dāng)障礙物很近的時(shí)候，反射的回波強(qiáng)度比較大，造成運(yùn)算放大器飽和，無法測得準(zhǔn)確的距離；若放大器的倍數(shù)設(shè)計(jì)的比較小，當(dāng)障礙物距離較近的時(shí)候雖然可以測得距離，但是隨著障礙物距離增加，反射的回波強(qiáng)度越來越小，最后不能測得較遠(yuǎn)距離的障礙物。本設(shè)計(jì)通過TMS320F28027控制改變放大器的增益，非常好地解決了這一矛盾。該電路的工作過程是：準(zhǔn)備發(fā)射超聲波之前，先將接收電路的放大器增益設(shè)置為最小，發(fā)射超聲波之后開始計(jì)時(shí)，隨著時(shí)間的流逝逐步增加接收電路的放大器增益。若障礙物離的很近，反射回來的回波強(qiáng)度大，但是這時(shí)的運(yùn)放增益卻是最低的，保證了近距離障礙物測量時(shí)電路工作正常；若障礙物離的較遠(yuǎn)，隨著時(shí)間的增加，超聲波衰減越來越多，但是運(yùn)放的增益卻是逐漸增加，對超聲波信號的衰減起到彌補(bǔ)的作用，保證了遠(yuǎn)距離障礙物測量時(shí)電路工作正常。
    設(shè)計(jì)中還增加了溫度傳感器18B20，隨時(shí)采集環(huán)境溫度，采用分段線性化的方法計(jì)算各溫度下聲波的速度，最大限度地提高了測量精度。如果溫度傳感器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將采用25 ℃下的聲速進(jìn)行計(jì)算，提高了系統(tǒng)的可靠性。
2.3 其他部分硬件設(shè)計(jì)
    語音音頻驅(qū)動(dòng)電路使用型號為XF-S3111-FSD的語音芯片來合成語音輸出。XF-S3111-FSD通過串口接收上位機(jī)發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)，以幀的方式進(jìn)行封裝和發(fā)送，連接簡單。
    數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)獨(dú)立的可插式模塊，電路中使用74HC595擴(kuò)展I/O端口，只需要3個(gè)GPIO口即可擴(kuò)展8個(gè)數(shù)碼管。數(shù)碼管高4位用于顯示障礙物的距離，低4位是時(shí)鐘模式。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 總體設(shè)計(jì)思路
    圖5所示為主程序設(shè)計(jì)流程圖，軟件實(shí)現(xiàn)的功能包括：
    (1)電源管理，實(shí)現(xiàn)對BOOST電路的開關(guān)控制，完成電路電壓的采集，保護(hù)蓄電池；
    (2)控制超聲波的發(fā)送與接收，對環(huán)境溫度實(shí)時(shí)采集，完成障礙物距離計(jì)算和溫度補(bǔ)償；
    (3)合成語音提示、遇障提醒、整點(diǎn)報(bào)時(shí)、按鍵控制、實(shí)時(shí)北京時(shí)間播報(bào)等；
    (4)時(shí)間和鬧鐘模式，按鍵和語音結(jié)合可調(diào)；
    (5)PWM控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)提示功能。

3.2 超聲波發(fā)送接收程序
    TMS320F28027定時(shí)器控制發(fā)出40 kHz的脈沖信號。定時(shí)器0主要用于產(chǎn)生超聲波脈沖信號，設(shè)定每1秒發(fā)一次超聲波，并且在此中斷中完成時(shí)鐘的刷新，超聲波接收電路將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?，?jīng)處理電路輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，作為外部中斷請求信號，送至CPU中處理。定時(shí)器1主要利用其計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間，在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)CPU內(nèi)部的定時(shí)器，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)中斷請求信號，CPU響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。其外部中斷服務(wù)子程序和定時(shí)器中斷服務(wù)子程序流程如圖6所示。

3.3 按鍵處理程序
    系統(tǒng)中設(shè)置3個(gè)按鍵：MODE鍵、UP鍵和DOWN鍵。其中MODE鍵用于數(shù)碼管模式控制,共有4種模式：mode 0：顯示北京時(shí)間；mode 1：北京時(shí)間分鐘修改模式；mode 2：北京時(shí)間小時(shí)修改模式；mode 3：鬧鐘設(shè)置和修改模式。UP鍵在mode0下，按下時(shí)語音讀出當(dāng)前實(shí)時(shí)北京時(shí)間，在其他模式下均用于小時(shí)的修改；DOWN鍵在mode1、mode2和mode3下用于分鐘修改。圖7所示為按鍵掃描流程圖。

    節(jié)能環(huán)保的思想一直是電子設(shè)備的主流，手持設(shè)備中使用太陽能供電是未來發(fā)展的一個(gè)新方向。本文從節(jié)能、測距精確度以及人性化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行考慮，使用太陽能供電，采用帶溫度補(bǔ)償?shù)男滦统暡ㄌ綔y電路測距，設(shè)計(jì)出一款節(jié)能環(huán)保、探測精度高、靈敏度高、穩(wěn)定可靠、性價(jià)比高、操作簡單、功能較多的智能導(dǎo)盲裝置。
參考文獻(xiàn)
[1] 馬繼鵬，尚璇.基于51單片機(jī)的語音導(dǎo)盲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 科技資訊，2011(11)：2-3.
[2] 曹文思，鞏魯洪.基于ATmega 64單片機(jī)智能導(dǎo)盲系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，31(5)：107-108.
[3] 張?zhí)m，楊濟(jì)民.基于C8051F060的超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].元器件與應(yīng)用，2010，25(3)：160-163.
[4] 吳進(jìn)明.超聲波導(dǎo)盲器的設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用，2006，22(5-2)：100-103.
[5] 張彥潮，鐘鍇，徐敏，等.基于超聲檢測技術(shù)的智能導(dǎo)盲杖控制器設(shè)計(jì)[J].高校教育研究，2009(8)：194-195.
[6] 吳飛斌，張晉平，陳文娟.太陽能超聲波導(dǎo)盲器的研制[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011(17)：34-36.