摘 要： 设计了一款基于TMS320F28027的太阳能多功能智能导盲杖，由太阳能电源管理器、带温度补偿的新型超声波探测器、数码管显示、振动电路、语音音频电路、LED指示以及键盘等模块组成。简易装置完成后，经测试达到满意的效果。该智能导盲杖节能、方便，性价比高，易于产品化和市场化。
关键词： 导盲杖；TMS320F28027；语音；温度补偿；新型超声波
国内外现有的导盲杖一般仅有障碍检测和语音播报功能，且价格昂贵[1]。美国产品在300～400美元左右，英国达到500英镑。日本最新研发的能感知人脸高度的电子导盲杖，能够感应到前方2 m脸部高度处的障碍物，但是它使用了两个超声波感应器，耗材成本高，一般用户难于承受，且功能较单一。
本文设计了一款人性化更强、功能更多、性价比更高的智能导盲杖。该装置使用太阳能供电，不用频繁更换电池；选择TI公司的Piccolo系列C2000 DSC TMS320-
F28027微处理器作为控制器，其高效的计算能力、快速中断响应与处理能力以及低功耗的特点，增加了导盲杖的可靠性，仅需少量外围器件就能实现控制电路的设计；带温度补偿的新型超声波现代控制方法[2]，克服了传统超声波电路的不足，使距离探测灵敏精确。另外还增加了一些小功能，如语音报时、闹钟设置、高亮LED灯、数码管显示等，功能虽小，却给视觉障碍者的生活带来很多方便，既可以认路导航，也丰富了生活，构思精巧，实用性强。
1 总体设计方案及原理
1.1 总体设计结构
本设计以TI公司的Piccolo系列C2000 DSC TMS320-F28027为主控制器。TMS320F28027芯片内置1.8 V电压调整器，可实现3.3 V单电源供电，功耗低；采用PQFP-48小型封装，内部集成2个振荡器，精度高达1%；其高精度PWM资源以及丰富的片内存储寄存器和串口通信接口，大大优化了系统的设计。系统主要由太阳能电源管理器、超声波探测模块、8位数码管显示驱动电路、语音音频电路、高亮LED灯模块和电机驱动模块组成。图1为系统总体控制框图。
1.2 超声波测距原理
超声波传播速度慢，指向性强，能级消耗缓慢，对色彩、光照度不敏感，同时超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制[3]。超声波测距的方法为回声探测法，发射换能器不断发射声波脉冲，声波遇到障碍物后反射回来被接收换能器接收，超声波接收器收到反射波即停止计时。根据计时器记录的时间就可以计算出发射点距障碍物的距离，距离与声速、时间的关系表示为：
2.2 带温度补偿的新型超声波探测电路
由1.2节分析可知，超声波的传播速度会因为环境的温度变化而出现误差，对于超声波测距精度要求达到1 mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。图3、图4分别为超声波发送电路和超声波接收电路。
本设计中超声波发射电路巧妙地利用了RS232的电平转换功能，将GPIO口的电压转换成发射超声波所需的电压，提高了发射超声波的能量，增加了超声波的探测距离。利用TMS320F28027的GPIO口连接到三极管Q1，用来控制RS232的电源，对RS232的功耗进行了管理，当不需要发射超声波时，将RS232的电源关闭，降低系统功耗，延长电池的使用时间。但是需要注意的是，在RS232上电后和发射超声波之前需要增加一个小小的延时，以便RS232的电容能够充电到所需的电压。
超声波的接收电路采用TS461双运放和MAX5467构成的程控运算放大器，将接收到的超声波信号放大后再经过LMV331比较器进入控制器，经过数字滤波，最后计算得到障碍物的距离。传统的接收电路运放的放大倍数是固定的[6]，若放大器的倍数设计的比较大，当障碍物很近的时候，反射的回波强度比较大，造成运算放大器饱和，无法测得准确的距离；若放大器的倍数设计的比较小，当障碍物距离较近的时候虽然可以测得距离，但是随着障碍物距离增加，反射的回波强度越来越小，最后不能测得较远距离的障碍物。本设计通过TMS320F28027控制改变放大器的增益，非常好地解决了这一矛盾。该电路的工作过程是：准备发射超声波之前，先将接收电路的放大器增益设置为最小，发射超声波之后开始计时，随着时间的流逝逐步增加接收电路的放大器增益。若障碍物离的很近，反射回来的回波强度大，但是这时的运放增益却是最低的，保证了近距离障碍物测量时电路工作正常；若障碍物离的较远，随着时间的增加，超声波衰减越来越多，但是运放的增益却是逐渐增加，对超声波信号的衰减起到弥补的作用，保证了远距离障碍物测量时电路工作正常。
设计中还增加了温度传感器18B20，随时采集环境温度，采用分段线性化的方法计算各温度下声波的速度，最大限度地提高了测量精度。如果温度传感器出现故障，系统将采用25 ℃下的声速进行计算，提高了系统的可靠性。
2.3 其他部分硬件设计
语音音频驱动电路使用型号为XF-S3111-FSD的语音芯片来合成语音输出。XF-S3111-FSD通过串口接收上位机发送的命令和数据，以帧的方式进行封装和发送，连接简单。
数码管显示驱动电路是一个独立的可插式模块，电路中使用74HC595扩展I/O端口，只需要3个GPIO口即可扩展8个数码管。数码管高4位用于显示障碍物的距离，低4位是时钟模式。
3 软件设计
3.1 总体设计思路
图5所示为主程序设计流程图，软件实现的功能包括：
(1)电源管理，实现对BOOST电路的开关控制，完成电路电压的采集，保护蓄电池；
(2)控制超声波的发送与接收，对环境温度实时采集，完成障碍物距离计算和温度补偿；
(3)合成语音提示、遇障提醒、整点报时、按键控制、实时北京时间播报等；
(4)时间和闹钟模式，按键和语音结合可调；
(5)PWM控制电机的转动，实现振动提示功能。
3.2 超声波发送接收程序
TMS320F28027定时器控制发出40 kHz的脉冲信号。定时器0主要用于产生超声波脉冲信号，设定每1秒发一次超声波，并且在此中断中完成时钟的刷新，超声波接收电路将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经处理电路输出由高电平跃变为低电平，作为外部中断请求信号，送至CPU中处理。定时器1主要利用其计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间，在启动发射电路的同时启动CPU内部的定时器，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，产生一个中断请求信号，CPU响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。其外部中断服务子程序和定时器中断服务子程序流程如图6所示。
3.3 按键处理程序
系统中设置3个按键：MODE键、UP键和DOWN键。其中MODE键用于数码管模式控制,共有4种模式：mode 0：显示北京时间；mode 1：北京时间分钟修改模式；mode 2：北京时间小时修改模式；mode 3：闹钟设置和修改模式。UP键在mode0下，按下时语音读出当前实时北京时间，在其他模式下均用于小时的修改；DOWN键在mode1、mode2和mode3下用于分钟修改。图7所示为按键扫描流程图。
节能环保的思想一直是电子设备的主流，手持设备中使用太阳能供电是未来发展的一个新方向。本文从节能、测距精确度以及人性化设计等方面进行考虑，使用太阳能供电，采用带温度补偿的新型超声波探测电路测距，设计出一款节能环保、探测精度高、灵敏度高、稳定可靠、性价比高、操作简单、功能较多的智能导盲装置。
参考文献
[1] 马继鹏，尚璇.基于51单片机的语音导盲系统的设计[J]. 科技资讯，2011(11)：2-3.
[2] 曹文思，巩鲁洪.基于ATmega 64单片机智能导盲系统设计[J].华北水利水电学院学报，2010，31(5)：107-108.
[3] 张兰，杨济民.基于C8051F060的超声波导盲系统设计[J].元器件与应用，2010，25(3)：160-163.
[4] 吴进明.超声波导盲器的设计[J].单片机开发与应用，2006，22(5-2)：100-103.
[5] 张彦潮，钟锴，徐敏，等.基于超声检测技术的智能导盲杖控制器设计[J].高校教育研究，2009(8)：194-195.
[6] 吴飞斌，张晋平，陈文娟.太阳能超声波导盲器的研制[J].现代电子技术，2011(17)：34-36.
