摘 要： 設計了一款基于TMS320F28027的太陽能多功能智能導盲杖，由太陽能電源管理器、帶溫度補償的新型超聲波探測器、數(shù)碼管顯示、振動電路、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)測試達到滿意的效果。該智能導盲杖節(jié)能、方便，性價比高，易于產(chǎn)品化和市場化。
關鍵詞： 導盲杖；TMS320F28027；語音；溫度補償；新型超聲波
國內(nèi)外現(xiàn)有的導盲杖一般僅有障礙檢測和語音播報功能，且價格昂貴[1]。美國產(chǎn)品在300～400美元左右，英國達到500英鎊。日本最新研發(fā)的能感知人臉高度的電子導盲杖，能夠感應到前方2 m臉部高度處的障礙物，但是它使用了兩個超聲波感應器，耗材成本高，一般用戶難于承受，且功能較單一。
本文設計了一款人性化更強、功能更多、性價比更高的智能導盲杖。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，其高效的計算能力、快速中斷響應與處理能力以及低功耗的特點，增加了導盲杖的可靠性，僅需少量外圍器件就能實現(xiàn)控制電路的設計；帶溫度補償?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，如語音報時、鬧鐘設置、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，既可以認路導航，也豐富了生活，構(gòu)思精巧，實用性強。
1 總體設計方案及原理
1.1 總體設計結(jié)構(gòu)
本設計以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個振蕩器，精度高達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)的設計。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)動電路、語音音頻電路、高亮LED燈模塊和電機驅(qū)動模塊組成。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，能級消耗緩慢，對色彩、光照度不敏感，同時超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、費用低、信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進行實時控制[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時。根據(jù)計時器記錄的時間就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離，距離與聲速、時間的關系表示為：
2.2 帶溫度補償?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為環(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到1 mm時，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進去。圖3、圖4分別為超聲波發(fā)送電路和超聲波接收電路。
本設計中超聲波發(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的功耗進行了管理，當不需要發(fā)射超聲波時，將RS232的電源關閉，降低系統(tǒng)功耗，延長電池的使用時間。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小小的延時，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雙運放和MAX5467構(gòu)成的程控運算放大器，將接收到的超聲波信號放大后再經(jīng)過LMV331比較器進入控制器，經(jīng)過數(shù)字濾波，最后計算得到障礙物的距離。傳統(tǒng)的接收電路運放的放大倍數(shù)是固定的[6]，若放大器的倍數(shù)設計的比較大，當障礙物很近的時候，反射的回波強度比較大，造成運算放大器飽和，無法測得準確的距離；若放大器的倍數(shù)設計的比較小，當障礙物距離較近的時候雖然可以測得距離，但是隨著障礙物距離增加，反射的回波強度越來越小，最后不能測得較遠距離的障礙物。本設計通過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：準備發(fā)射超聲波之前，先將接收電路的放大器增益設置為最小，發(fā)射超聲波之后開始計時，隨著時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，反射回來的回波強度大，但是這時的運放增益卻是最低的，保證了近距離障礙物測量時電路工作正常；若障礙物離的較遠，隨著時間的增加，超聲波衰減越來越多，但是運放的增益卻是逐漸增加，對超聲波信號的衰減起到彌補的作用，保證了遠距離障礙物測量時電路工作正常。
設計中還增加了溫度傳感器18B20，隨時采集環(huán)境溫度，采用分段線性化的方法計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 ℃下的聲速進行計算，提高了系統(tǒng)的可靠性。
2.3 其他部分硬件設計
語音音頻驅(qū)動電路使用型號為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發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)，以幀的方式進行封裝和發(fā)送，連接簡單。
數(shù)碼管顯示驅(qū)動電路是一個獨立的可插式模塊，電路中使用74HC595擴展I/O端口，只需要3個GPIO口即可擴展8個數(shù)碼管。數(shù)碼管高4位用于顯示障礙物的距離，低4位是時鐘模式。
3 軟件設計
3.1 總體設計思路
圖5所示為主程序設計流程圖，軟件實現(xiàn)的功能包括：
(1)電源管理，實現(xiàn)對BOOST電路的開關控制，完成電路電壓的采集，保護蓄電池；
(2)控制超聲波的發(fā)送與接收，對環(huán)境溫度實時采集，完成障礙物距離計算和溫度補償；
(3)合成語音提示、遇障提醒、整點報時、按鍵控制、實時北京時間播報等；
(4)時間和鬧鐘模式，按鍵和語音結(jié)合可調(diào)；
(5)PWM控制電機的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)振動提示功能。
3.2 超聲波發(fā)送接收程序
TMS320F28027定時器控制發(fā)出40 kHz的脈沖信號。定時器0主要用于產(chǎn)生超聲波脈沖信號，設定每1秒發(fā)一次超聲波，并且在此中斷中完成時鐘的刷新，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。定時器1主要利用其計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間，在啟動發(fā)射電路的同時啟動CPU內(nèi)部的定時器，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，產(chǎn)生一個中斷請求信號，CPU響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。其外部中斷服務子程序和定時器中斷服務子程序流程如圖6所示。
3.3 按鍵處理程序
系統(tǒng)中設置3個按鍵：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：顯示北京時間；mode 1：北京時間分鐘修改模式；mode 2：北京時間小時修改模式；mode 3：鬧鐘設置和修改模式。UP鍵在mode0下，按下時語音讀出當前實時北京時間，在其他模式下均用于小時的修改；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備的主流，手持設備中使用太陽能供電是未來發(fā)展的一個新方向。本文從節(jié)能、測距精確度以及人性化設計等方面進行考慮，使用太陽能供電，采用帶溫度補償?shù)男滦统暡ㄌ綔y電路測距，設計出一款節(jié)能環(huán)保、探測精度高、靈敏度高、穩(wěn)定可靠、性價比高、操作簡單、功能較多的智能導盲裝置。
參考文獻
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