Устройство, о котором пойдет речь, поможет человеку с ослабленным зрением не только вовремя обнаружить препятствие и оценить "наа слух" расстояние до него, но и определить уровень освещенности там, где он находится.
Среди приборов, облегчающих ориентацию слепых, наилучшие результаты дают портативные активные локаторы препятствий. Они излучают в направлении возможного препятствия зондирующие ультразвуковые или электромагнитные сигналы. Принятые отраженные от препятствий сигналы локатор преобразует в форму, доступную для восприятия слепым, - звук или вибрацию.
Приборы, использующие в качестве зондирующих сигналов излучение ИК диапазона волн, предложены довольно давно [1]. Об одном из вариантов подобного устройства, пригодного для самостоятельного изготовления, было рассказано в [2]. К недостаткам этой конструкции можно отнести небольшую дальность действия (всего 1,5 м) и плохую помехоустойчивость. Точно так же, как на препятствие, прибор реагирует на находящуюся значительно дальше обычную осветительную лампу накаливания. В предлагаемой ниже конструкции эти недостатки устранены за счет применения в приемной части селективного усилителя. Добавлен узел, оценивающий общую освещенность, причем звуковые сигналы, свидетельствующие о наличии препятствия и характеризующие освещенность, легко различимы на слух.
Схема прибора приведена на рис. 1. Выбор в качестве элементной базы транзисторов обусловлен небольшим ассортиментом микросхем, работающих при напряжении питания 2...3 В. Кроме того, в конструкции из дискретных элементов легче добиться минимального тока потребления. В данном случае он не превышает 5 мА.
(нажмите для увеличения)
Каждые 0,5 с излучающий диод VD3 посылает пачку импульсов ИК излучения длительностью 20 мс. Отказ от непрерывного излучения зондирующего сигнала - еще одна мера уменьшения среднего потребляемого тока. Генератор, задающий длительность пачек и пауз между ними, собран на транзисторах VT3 и VT4. Импульсы с его выхода поступают на базу транзистора VT5, включающего и выключающего мультивибратор на транзисторах VT6 и VT7, и он генерирует импульсы длительностью 58 мкс. Подстроечным резистором R15 устанавливают частоту повторения импульсов равной центральной частоте полосы пропускания селективного усилителя в приемной части прибора (2800 Гц). Чтобы достичь необходимой стабильности частоты, конденсаторы С6 и С7 должны иметь малый ТКЕ. Применять керамические конденсаторы групп H30-Н90 здесь недопустимо.
Импульсы частотой 2800 Гц поступают на усилитель мощности - транзистор VT8, в коллекторную цепь которого включен излучающий диод VD3. Ток диода в импульсе достигает 300 мА. Для быстрого поглощения выделяющегося тепла излучающему диоду необходим теплоотвод из материала с высокой теплопроводностью. В данном случае применен медный площадью 3 см2.
Отраженные от препятствия ИК импульсы, принятые фотодиодом VD1 и усиленные селективным усилителем на транзисторах VT9-VT12, слышны в наушнике BF1 от слухового аппарата. Громкость сигналов тем больше, чем ближе находится отражающий объект. При указанной выше длительности пачки человеческий слух субъективно воспринимает ее окрашенной в определенный звуковой тон, а не просто как неприятный щелчок.
Коэффициент усиления приемника - 2300, полоса пропускания (по уровню 0,5) - 300 Гц. Наибольший вклад в избирательность вносит колебательный контур L1C11 с резонансной частотой 2800 Гц. Чтобы не ухудшать его добротность, транзистор VT10 включен по схеме с общим коллектором. Колебательный контур небольшой добротности, настроенный на ту же частоту, образуют катушка наушника BF1 и конденсатор С19.
Высокое входное сопротивление малошумящего полевого транзистора VT9 служит оптимальной нагрузкой для фотодиода VD1. Когда фотодиод затемнен, напряжение шумов, приведенное ко входу усилителя, не превышает 0,9 мкВ. Приблизительно таков же порог слышимости отраженного сигнала.
Чувствительность приемника регулируют переменным резистором R25.
Мультивибратор на транзисторах VT1 и VT2 генерирует импульсы, частота которых тем выше, чем больше освещенность включенного в базовую цепь транзистора VT2 фото резистора R1, чувствительного к видимому свету. Импульсы поступают на базу транзистора VT12 . В результате отраженные от препятствий сигналы слышны на фоне звука низкой частоты - от 100 Гц при освещенности в 1 л к (практически полная темнота) до 1000 Гц при освещенности в 1000 лк (лампа накаливания мощностью 75 Вт на расстоянии в несколько десятков сантиметров). Громкость фона регулируют переменным резистором R32. При необходимости узел оценки освещенности может быть отключен выключателем SA1.
Прибор собран в корпусе размерами 120x90x30 мм. Его масса вместе с источником питания - двумя гальваническими элементами типоразмера АА - 250 г. Излучающий диод VD3, фотодиод VD1 и фоторезистор R1 снабжены линзами из органического стекла. Ширина зоны, в которой возможно обнаружение препятствия, приблизительно 20°. Детали, помеченные на рис. 1 звездочками, подбирают при необходимости во время регулировки прибора.
Сплошной линией на графике рис. 2 показана экспериментально снятая зависимость напряжения сигнала U на выводах наушника BF1 от расстояния R до отражающего ИК излучение человека при максимальной чувствительности приемника и номинальном напряжении питания (3 В).
Субъективно, по усредненной оценке нескольких человек с нормальным слухом, уровень звукового сигнала в указанном на рис. 2 интервале дальности изменялся от очень громкого (близкого к болевому порогу) до тихого. Штриховая линия - результат усреднения экспериментальных данных. При разряженной до 2,2 В батарее GB1 напряжение сигнала уменьшилось не более чем в два раза.
Литература
Авторы: А.Гаврилов, А.Тереск, г.Таллин, Эстония