项目组成员： 黄震川 蒋鹏 张子君 张昳宁 胡昊

功能简介 本项目旨在利用超声波测距技术设计一种 新型，轻巧，方便的导盲仪，为盲人提供 导行服务。仪器工作时，由发射探头发出 一定频率的超声波，一旦超声波遇到障碍 物，将被反射回来，由接收探头接收。接 收信号经滤波，放大处理后转换为音频信 号，盲人通过报警间隔和音调的高低即可 很方便地辨别前方存在障碍物以及自己与 障碍物的大致距离。

功能模块图 报警模块 发送模块 接 收 模 块 MSP430F449 单 片机 驱动声音通道 超声波发射电源 超声波发射通道 包络检波电路 放大电路 超声波接收通道

具体工作原理 当声波受到尺寸大于其波长的目标物阻挡时就会发生 反射，反射波称为回声。如果声波在介质中传播的速 度是已知的，测量声波从声源到达目标然后返回声源 的时间，声源到目标的距离就可以精确地计算出来。 系统向测量目标发射超声波脉冲然后接收相应的反射 波。 MSP430 集成的模拟比较器 A 用于检测到达系统 的回声。超声波脉冲从系统到目标然后反射回系统所 需的时间可以由 MSP430 精确的测量。

本系统没有近距离的测量盲区，能够测量的最 大距离为 3M 。回声的强度取决于反射物的材质 形状、和尺寸。地毯之类的吸音材料或者反射 面积小于两平方英尺的物体反射能力很弱，这 类目标最大测量范围相对较小。当系统接收到 的回声的强度过小，经过 单片机的 AD 采样后 可能无法辨识出回声波形 。

1.MSP43OF449 单片机模块 此模块是本系统的中心处理模块，所有的数 据都需要通过此模块进行处理。而且此模块 还应该提供超声波发送通道的 40KHz 的高频 信号激励，同时还必须提供对超声波发送与 接收通道以及驱动声音通道的控制信号。

MSP430 单片机实验箱

2. 发射模块 此模块接受单片 机提供的高频 (40kHz) 信号激励， 通过功率放大后， 经由超声波换能 器发射中心频率 为 40kHz 的超声波 。

超声波发射探头 型号 TC40-16TTC40-16R 中心频率 40.0±1.0kHz 声压 ≥114dB 灵敏度 ≥-68dB 方向角 60°(-6dB) 静电容量 2500pF±20% 工作温度 -20~+70 ℃

3. 接收模块 通过接收探头接 收回来的信号， 经过两级放大电 路后，然后通过 包络检波，以及 电压跟随电路给 单片机的 AD 模块 采样。

4. 报警模块 此模块需要单片机 根据返回的距离数 据产生声音信号。 当障碍物较远时， 发出间隔较长的嘟 声；当障碍物的距 离比较近时，发出 间隔较长的嘟声， 声音的频率根据距 离的长短平滑变化。

完整电路图

完整硬件实物图

第二级放大后的输出波形 * 测试障碍物为天花板

输入到 ADC 的包络波形 * 测试障碍物为天花板

分压点干扰波形 * 测试障碍物为天花板

超声测距技术是使用超声波传感器进 行障碍探测的基础，也是影响本设计 导盲效果的关键技术。因此选择正确 高效的测量算法将能更好地实现导盲。 脉冲回波法 障碍

常用的回波检测算法 1 ．阈值检测法 2 ．基于互相关函数的时延估计法 3 ．最小均方自适应时延估计法 4 ．基于小波变换的方法

超声波的衰减 声波 在 媒 质中传播时，其强度随传播距离 的增加而逐渐减弱的现象，统称为声衰减。 声波的衰减主要分为以下三种主要类型 : 吸收衰减 散射衰减 扩散衰减

时间 /ms 峰峰值 ( 平均 )/V 稳定情况下对木板的测量数据

利用 WolframAlpha 进行回归分析有

多径问题

串扰问题的改善 经过观察和测 量，可知串扰 波形大约持续 4ms ，峰峰值 为 2.04V

当障碍出现在串扰区域中可知，障碍物的回波峰峰值可达 2.6V ， 超过串扰峰峰值，因此可使用回波峰峰值和串扰峰峰值之间的某 值作为串扰时间内的阈值，可极大地减小盲区。实际采用了 2.2V ， 可将盲区缩减至几毫米。

自适应阈值算法补充 在实际测试时发现，本仪器对人等柔软物体的探测不够稳定， 因为柔软物体可吸收大量超声波，导致回波无法超过阈值。 使用补充的峰值检测算法能在一定程度上改善这种问题。 思想是每次阈值检测和峰值检测同时进行，若本次阈值检测 未成功，则看上次阈值检测是否检测到回波，若有，则与本 次峰值检测结果进行对比。如相差不大，则采用本次峰值检 测结果。

直流检测 因本设计为手持设备，使用电池，可能 会有直流漂移，因此每次回波检测前都 对直流成分进行采样，而将交流成分和 阈值都看成相对量，具有比较好的灵活 性。

报警输出 报警距离 /m 间隔 /s 频率 /hz

初始化 直流测量是 否结束 ; ; 记录直流分量 报警数据处理 报警逻辑处理 回波检测开始 是否超时 是否收到回波 回波检测 是否超时 time 关报警 报警数据为阈值检测结果 上次是否收到回波 _ ; ; 报警数据为峰值检测结果 为阈值检测结果 Y N N Y Y N Y N Y N

相应技术指标 导盲范围： 0~300cm 测量倾斜角： ±20 ° 报警音：音调能平滑地随距离的变化而变 化。具体表现在距离越远，音调越低；距 离越近，音调越高。

成本分析 器件名生产厂商功能数量单价（元）总价（元） MSP430f4 49 TI 单片机 140 CD4049 TI 六非门 122 TL084CN TI 单路运算放 大器 122 AMS1117 TI 线性稳压器 122 WS- A1640H12 超声波发射 / 接收头 1( 对 ) 15 扬声器 133 9V 电池 供电 144 电阻、电容 若干 5 共计 73