CN109875860A - 一种智能导盲仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能导盲仪，包括主控制器、超声波测距模块、时钟模块、温湿度检测模块、语音模块、反馈模块和电源模块；所述超声波测距模块包括超声波传感器，所述超声波传感器与主控制器连接；所述温湿度检测模块包括温湿度传感器，用于检测环境中的温湿度，以对超声波测距模块的声速进行温度补偿；所述时钟模块包括时钟芯片，用于提供时钟信息；所述反馈模块包括振动电机，振动电机与主控制器连接；所述语音模块包括语音播放单元和音频功放单元；语音播放单元通过锁存器与主控制器连接。本发明智能导盲仪测量精度高，适用范围更广，设置的语音播报功能为使用者提供很大的便利；其双重报警提醒功能，增强了导盲仪其可靠性。

Description

一种智能导盲仪

技术领域

本发明涉及电子控制技术领域，尤其涉及一种智能导盲仪。

背景技术

人们发明了各种各样的方法来帮助视障人士在熟悉和陌生的环境中轻松的移动，这些方法的例子有手杖的使用、使用导盲犬协助导航或由另一人以完美的视觉帮助。然而，这些方法中存在以下缺点；例如，普通的拐杖除了与障碍物直接接触外，无法在路径中发现障碍物。此外，导盲犬的使用受限于狗训练过的环境，任何偏离训练环境的出行对个人都是危险的，而通过人的引导时常不够方便，这就阻碍了视力受损者的行动。过去几年里，引导盲人不使用导盲人员的情况下移动，发展演变出了各种各样的方法。

另一个导盲的例子，无电子的普通手杖，使用了很长一段时间，甚至现在仍是简便有效的方案。现在，有各种各样的手杖：传统的白手杖像胡佛手杖一样有名，主要设计作为一个导航工具的功能，探测使用者行走路上的障碍物。手杖的长度通常取决于使用者的身高，高度一般是用户从地面到胸部的高度。手杖通常用于使用者不停扫描探测障碍物例如台阶，路肩和沟渠。在基本手杖的基础上，添加电子系统，是现代导盲杖的一种趋势。电子手杖的发展增加了视障人士的独立性和安全性，更容易为视障人士导航，有一个电子手杖的设计原型，这种手杖能够通过红外传感器网络探测各个方向的障碍物，拐杖只能通过嘀嘀声提醒障碍物的存在，却不能指定障碍物的方向和距离，且测距精度较低、误差大；同时，设计的导盲设施中没有警示灯，在黑暗中使用的话，盲人无法被其他人或车辆注意到，对盲人存在一定的安全风险。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供一种智能导盲仪，能够精确地测定物体的距离并进行播报，并通过声音和振动双重提醒模式，同时适用于各种环境。

为实现所述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种智能导盲仪，包括主控制器、超声波测距模块、时钟模块、温湿度检测模块、语音模块、反馈模块和电源模块；

所述超声波测距模块包括超声波传感器，所述超声波传感器与主控制器连接；

所述温湿度检测模块包括温湿度传感器，温湿度传感器与主控制器连接；所述温湿度检测模块，用于检测环境中的温湿度，以对超声波测距模块的声速进行温度补偿；

所述时钟模块包括时钟芯片，用于提供时钟信息；

所述反馈模块包括振动电机，振动电机与主控制器连接，主控制器根据超声波测距模块的距离信息通过PWM控制电机的振动速度；

所述语音模块包括语音播放单元和音频功放单元；语音播放单元通过锁存器与主控制器连接；所述语音模块，用于播报超声波测距模块的距离信息；所述主控制器包括单片机；

所述电源模块为智能导盲仪整体供电。

进一步地，所述单片机的型号为STC15W408AS。

进一步地，所述超声波传感器输入端口连接单片机的P5.4端口，超声波传感器的输出端口连接单片机的P5.5端口。

进一步地，所述温湿度传感器的DATA端口与单片机的P3.6端口连接。

进一步地，所述振动电机连接有三极管Q1，所述三极管Q1为PNP型三极管，三极管Q1的基极通过电阻R14连接单片机的P1.2端口，三极管Q1的发射极连接振动电机，振动电机的两端并联有二极管D2。

进一步地，所述语音播放单元包括语音播放芯片，所述语音播放芯片为XY-V17B；语音播放芯片的输入端连接锁存器，所述锁存器为74HC595，锁存器的输入时钟线端口连接单片机的P1.5端口，锁存器的锁存时钟线端口连接单片机的P3.1端口，锁存器的输入端口连接单片机的P1.4端口；

所述音频功放单元包括音频功放芯片，语音播放芯片的声道输出端口连接音频功放芯片的输入端，音频功放芯片的输出端连接有扬声器。

进一步地，还包括光照检测电路和警示灯电路，所述光照检测电路包括光敏电阻R17，光敏电阻并联有电容C6，光敏电阻连接单片机的P1.0端口；

所述警示灯电路包括LED灯和三极管Q2，所述三极管Q2的基极通过电阻R15连接单片机的P3.7端口，三极管Q2的发射极顺次连接电阻R18和LED灯；

所述光照检测电路，检测环境中的光照强度，并将光照强度信息发送至单片机，单片机经处理后控制警示灯电路中LED灯的亮或灭。

本发明的有益效果是：

本发明采用超声波传感器检测障碍物的距离，通过单片机处理后经语音模块进行语音播报，超声波传感器在特定的方向上有良好的指向性，有助于盲人确定障碍物的距离和方向，同时，增加了温湿度检测模块，通过温湿度检测环境中的温湿度后经单片机内部的算法处理后，对超声波传感器发出的声速进行温度补偿，使得超声波测距的结果精度更高；同时根据测距的结果，设计的反馈模块通过振动马达进行提醒，振动马达由单片机通过PWM控制，根据不同的距离发出不同的振动速度，更明确的提醒盲人，达到双重提醒的功能，保证了盲人的安全；同时设置的有自动打开警示灯的功能，根据光照检测电路检测当前环境的情况，判断是否处在黑暗中，在黑暗中则打开警示灯，使路上的行人或者车辆能明显发现盲人的存在，以确保及时避让，保证人身安全。

附图说明

图1是本发明一种智能导盲仪的结构示意图。

图2是本发明一种智能导盲仪的单片机的结构示意图。

图3是本发明一种智能导盲仪的超声波测距模块的电路原理图。

图4是本发明一种智能导盲仪的温湿度检测模块的电路原理图。

图5是本发明一种智能导盲仪的反馈模块的电路原理图。

图6是本发明一种智能导盲仪的语音模块的电路原理图之一。

图7是本发明一种智能导盲仪的语音模块的电路原理图之二。

图8是本发明一种智能导盲仪的光照检测电路的原理图。

图9是本发明一种智能导盲仪的警示灯电路的原理图。

图10是本发明一种智能导盲仪的时钟模块的电路原理图。

图11是本发明一种智能导盲仪的电源模块的电路原理图。

图12是本发明一种智能导盲仪的基准电压源的电路原理图。

图13是本发明一种智能导盲仪的工作流程图。

附图中标号为：1为单片机，2为温湿度检测模块，3为超声波测距模块，4为光照检测电路，5为反馈模块，6为警示灯电路，7为语音模块，8为时钟模块，9为电源模块。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1~12所示，一种智能导盲仪，包括主控制器、超声波测距模块3、时钟模块8、温湿度检测模块2、语音模块7、反馈模块5和电源模块9；

所述超声波测距模块3包括超声波传感器，所述超声波传感器与主控制器连接；

所述温湿度检测模块2包括温湿度传感器，温湿度传感器与主控制器连接；所述温湿度检测模块2，用于检测环境中的温湿度，以对超声波测距模块3的声速进行温度补偿；

所述时钟模块8包括时钟芯片，用于提供时钟信息；

所述反馈模块5包括振动电机，振动电机与主控制器连接，主控制器根据超声波测距模块3的距离信息通过PWM控制电机的振动速度；

所述语音模块7包括语音播放单元和音频功放单元；语音播放单元通过锁存器与主控制器连接；所述语音模块7，用于播报超声波测距模块3的距离信息；所述主控制器包括单片机1；

所述电源模块9为智能导盲仪整体供电。

作为一种优选的实施方式，如图2所示，所述单片机1的型号为STC15W408AS；STC单片机1具有高速、功耗低、抗干扰能力强的特点，且单片机1时钟有防外部电磁辐射功能，可靠性更强；STC单片机1的P1.4，P1.5，P3.6端口分别连接有阻值为10 KΩ的上拉电阻，单片机1连接有按键，通过按键实现不同的功能的切换。

如图3所示，所述超声波传感器输入端口连接单片机1的P5.4端口，超声波传感器的输出端口连接单片机1的P5.5端口；具体的，所述超声波传感器采用的是发射、接收集于一体的超声波传感器US-015，其探测精度高于1mm。

如图4所示，所述温湿度传感器的DATA端口与单片机1的P3.6端口连接；具体的，所述温湿度传感器采用的是数字型温湿度传感器 DHT11，具有超快响应，抗干扰能力强、性价比极高等优点；与单片机1的数据传输采用单总线形式，最高传输距离可达 20 米以上，可用于最为严苛的应用场合。

作为一种优选的实施方式，所述振动电机连接有三极管Q1，所述三极管Q1为PNP型三极管，三极管Q1的基极通过电阻R14连接单片机1的P1.2端口，三极管Q1的发射极连接振动电机，振动电机的两端并联有二极管D2；具体的，如图5所示，三极管Q1为8550三极管，三极管Q1的集电极连接电源VCC，所述电源VCC由电源模块9提供；其中，电阻R14的阻值为1KΩ。

如图6~7所示，所述语音播放单元包括语音播放芯片，所述语音播放芯片为XY-V17B；语音播放芯片的输入端连接锁存器，所述锁存器为74HC595，锁存器的输入时钟线端口连接单片机1的P1.5端口，锁存器的锁存时钟线端口连接单片机1的P3.1端口，锁存器的输入端口连接单片机1的P1.4端口；其中，所述语音播放芯片的IO0~IO4端口与锁存器的Q0~Q4端口分别对应连接，且之间分别连接有电阻R3~R7，电阻R3~R7的阻值均为1 KΩ；语音播放芯片的CON1~CON3端口分别连接有接地电阻R10~R12，接地电阻R10~R12的阻值为1 0KΩ。

所述音频功放单元包括音频功放芯片，语音播放芯片的声道输出端口连接音频功放芯片的输入端，音频功放芯片的输出端连接有扬声器；具体的，所述语音播放芯片的声道输出端口DACL通过可变电阻R13连接音频功放芯片的输入端，可变电阻R13的阻值为0~50KΩ；所述音频功放芯片采用的是PAM8403 音频功率放大芯片，最大功率输出可达 3W*2；PAM8403 能够以 D 类放大器的效率提供 AB 类功率放大器的性能，效率高达 90%；有热保护功能、低 THD和低噪声的特点。

作为一种优选的实施方式，智能导盲仪还包括光照检测电路4和警示灯电路6，如图8~9所示，所述光照检测电路4包括光敏电阻R17，光敏电阻并联有电容C6，光敏电阻R17连接单片机1的P1.0端口；电容C6的容量为0.1μF；

所述警示灯电路6包括LED灯和三极管Q2，所述三极管Q2的基极通过电阻R15连接单片机1的P3.7端口，三极管Q2的发射极顺次连接电阻R18和LED灯，三极管Q2的集电极连接电源VCC；其中，电阻R15的阻值为1KΩ；

所述光照检测电路4，检测环境中的光照强度，并将光照强度信息发送至单片机1，单片机1经处理后控制警示灯电路6中LED灯的亮或灭。

应当说明的是，所述时钟模块8包括时钟芯片，用于提供时钟信息；所述时钟芯片为DS1302，时钟芯片的时钟SCLK端口连接单片机1的P1.5端口，时钟芯片的RST端口连接单片机1的P1.3端口，时钟芯片的IO端口连接单片机1的P1.4端口；时钟芯片的X1和X2端口之间连接有晶振Y1，晶振Y1的频率为32.168kHz，晶振为芯片提供计时脉冲。

作为一种优选的实施方式，所述电源模块9采用的是可充电锂电池供电，充电 IC为TC4056A；对锂电池充满电后，锂电池通过稳压器输出电源VCC，电源VCC的电压为3.3V或5V，用于为各个模块供电。

应当说明的是，由于该导盲仪采用锂电池供电，为了能够检测剩余的电量，要使用单片机1的 ADC 功能检测电池电压；但由于单片机1的参考电压实际上就是其供电电压，即电池电压，因此不能直接测得电池电压；通过采用基准电压源检测电池电压值，如图12所示，单片机1的P1.1端口连接有稳压源TL431，稳压源的两端并联电容C3，电容C3的容量为0.1μF；稳压源连接有调整电阻R9，电阻R9的阻值为518Ω，使得该基准电压源为2.5V，以检测锂电池的电池电压。

如图13所示，该导盲仪的工作流程如下：

工作情况下，按下按键，单片机1 I/O 在 Trig 管脚输入一个 10μs以上的高电平脉冲，超声波传感器自动发出8个40kHz 的超声波脉冲列，并检测回波信号；收发时间差以管教 Echo 的高电平回馈；使用单片机1测量Echo管脚的高电平时间，则超声波传感器测得的物体的距离为：高电平时间（s）*声速（m/s）/2；通过语音模块7播报超声波传感器测得的距离；

同时，单片机1发送高电平至温湿度传感器的DATA端口，温湿度传感器检测环境中的温湿度数据并返回至单片机1，单片机1根据温度修正声速，并最终得出物体的距离；如果物体的距离小于单片机1内预先设定的最小距离，则出发语音模块7的报警和反馈模块5的振动马达振动，语音模块7可预先输入报警的音频，触发后直接通过扬声器播报即可；可设定反馈模块5的振动马达根据距离的减小趋势发出不同频率的振动，通过PWM控制实现；

时钟芯片内部提供的时间信息和温湿度传感器检测的温度均可通过语音播报模块进行播报，使用者可随时知道时间和温湿度，以便增减衣物或是安排行程，更加便捷；

此外，光敏检测电路的光敏电阻检测外部环境的光照情况，并将其转换为电信号传送至单片机1，若是光照不足，单片机1触发高电平，警示灯电路6接通，LED灯发亮，以保证在光线不好的情况下使用者及时被路人发现，以便及时避让，保证人身安全。

通过对该导盲仪在不同的使用场地进行实验，实验结果表明，该智能导盲仪达到很高的采集速率和精度，对前方障碍物能够给出合适的声音警示功能，并在一定范围内发出不同强度的振动提醒；如表1给出了不同使用场地，如寝室、教室、路上及屏幕前等；该导盲仪测得物体的测量值与播报值，单位为cm；

表1：导盲仪在不同场景测得物体的测量值与播报值

测量地点	寝室	教室	路上	屏幕前
					测量值	260	155	90	30
播报值	261	148	96	30.1

由表1可以看出，由该导盲仪得出的测量值和播报值误差很小，可以忽略不计，不影响导盲仪的正常使用。

本发明智能导盲仪测量精度高，可以将其集成在各种形式的设备中；适用范围更广，适用于光照强弱环境均可，同时设置的语音播报功能为使用者提供很大的便利；设置的双重报警提醒功能，增强了导盲仪的可靠性。

以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (7)

1.一种智能导盲仪，其特征在于，包括主控制器、超声波测距模块（3）、时钟模块（8）、温湿度检测模块（2）、语音模块（7）、反馈模块（5）和电源模块（9）；

所述超声波测距模块（3）包括超声波传感器，所述超声波传感器与主控制器连接；

所述温湿度检测模块（2）包括温湿度传感器，温湿度传感器与主控制器连接；所述温湿度检测模块（2），用于检测环境中的温湿度，以对超声波测距模块（3）的声速进行温度补偿；

所述时钟模块（8）包括时钟芯片，用于提供时钟信息；

所述反馈模块（5）包括振动电机，振动电机与主控制器连接，主控制器根据超声波测距模块（3）的距离信息通过PWM控制电机的振动速度；

所述语音模块（7）包括语音播放单元和音频功放单元；语音播放单元通过锁存器与主控制器连接；所述语音模块（7），用于播报超声波测距模块（3）的距离信息；所述主控制器包括单片机（1）；

所述电源模块（9）为智能导盲仪整体供电。

2.根据权利要求1所述的一种智能导盲仪，其特征在于，所述单片机（1）的型号为STC15W408AS。

3.根据权利要求2所述的一种智能导盲仪，其特征在于，所述超声波传感器输入端口连接单片机（1）的P5.4端口，超声波传感器的输出端口连接单片机（1）的P5.5端口。

4.根据权利要求3所述的一种智能导盲仪，其特征在于，所述温湿度传感器的DATA端口与单片机（1）的P3.6端口连接。

5.根据权利要求1所述的一种智能导盲仪，其特征在于，所述振动电机连接有三极管Q1，所述三极管Q1为PNP型三极管，三极管Q1的基极通过电阻R14连接单片机（1）的P1.2端口，三极管Q1的发射极连接振动电机，振动电机的两端并联有二极管D2。

6.根据权利要求1所述的一种智能导盲仪，其特征在于，所述语音播放单元包括语音播放芯片，所述语音播放芯片为XY-V17B；语音播放芯片的输入端连接锁存器，所述锁存器为74HC595，锁存器的输入时钟线端口连接单片机（1）的P1.5端口，锁存器的锁存时钟线端口连接单片机（1）的P3.1端口，锁存器的输入端口连接单片机（1）的P1.4端口；

所述音频功放单元包括音频功放芯片，语音播放芯片的声道输出端口连接音频功放芯片的输入端，音频功放芯片的输出端连接有扬声器。

7.根据权利要求2所述的一种智能导盲仪，其特征在于，还包括光照检测电路（4）和警示灯电路（6），所述光照检测电路（4）包括光敏电阻R17，光敏电阻并联有电容C6，光敏电阻连接单片机（1）的P1.0端口；

所述警示灯电路（6）包括LED灯和三极管Q2，所述三极管Q2的基极通过电阻R15连接单片机（1）的P3.7端口，三极管Q2的发射极顺次连接电阻R18和LED灯；

所述光照检测电路（4），检测环境中的光照强度，并将光照强度信息发送至单片机（1），单片机（1）经处理后控制警示灯电路（6）中LED灯的亮或灭。