基于ATmega64单片机智能导盲系统设计

第31卷第5期2010年L0月华北水利水电学院学报JOURNALOFNOAHCHINAINSTITUTEOFWATERCONSERVANCYANDHYDROELECTRICPOWERV0L3LNO50CT2010文章编号10025634201005010604基于ATMEGA64单片机智能导盲系统设计曹文思，巩鲁洪，陈建明，邱道尹1华北水利水电学院，河南郑州450011；2郑州祥和集团电力安装有限公司，河南郑州450053摘要以ATMEGA64单片机作为主控制器，设计了一种基于超声波、红外测距原理和GSM数据传输的多功能智能导盲系统此系统包括超声波测距、红外测距、语音提示、电子罗盘、GSM模块等部分采用超声波和红外传感器探测障碍物，采用电子罗盘检测行走方向，并将障碍物信息和方向信息以语音的方式提示给盲人，达到导盲作用最后对测距误差和系统测障盲区进行了研究关键词智能导盲；单片机；超声波测距；红外；测量盲区中图分类号TP273；TP3021文献标志码A在一个现代化的城市中，导盲系统是一个城市保障体系的重要组成部分传统的导盲手段有手杖、导盲犬手杖导盲简单、方便、成本低，但可靠性不高，容易忽略一些障碍物；导盲犬成本高且使用不方便导盲机器人只能在平坦路面使用。笔者研制一种实用的多功能智能导盲系统，它能够帮助盲人在无需专人陪伴的情况下，独立外出行走，并且在出现紧急情况时，可以实现远程求助本系统具有智能化、功能强大、性能可靠、携带方便、操作简单等特点1系统功能及原理系统采用ATMEL公司生产的高性能单片机ATMEGA64单片机作为主控制器，包含了超声波测距系统、红外测距系统、语音播报系统、电子指南针系统、GSM短信远程求助系统等其中采用超声波传感器检测正前方和空中障碍物，采用红外传感器检测路面上的低矮障碍物当检测到障碍时，单片机将控制语音芯片，实时播报障碍信息系统还融入了电子罗盘传感器来获得盲人行走的方向，盲人可以通过按钮来触发系统语音播报行走的方向信息系统还加入GSM短信模块，当出现紧急情况时，盲人可以通过按钮来触发紧急求助功能，系统将通过GSM网络将求助信息发送到指定的手机或者数据中心手机号码和短信求助内容可以通过附带的上位机设置软件来设置，并通过RS232通信口传输给系统为了避免在环境嘈杂情况下语音信息不能清晰地传递给盲人，系统还在手柄位置加入了电子震动器，通过震动的频率来表达前方障碍物的远近系统原理如图1所示图1系统的原理框图11超声波测距部分原理超声波是指频率高于20KHZ的声波超声波在空气中的传播速度约为340MS，若忽略温度变化的影响，如果知道超声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间差，便可计算出超声波发射器距障碍物的距离S，理论上可表示为收稿日期20100530基金项目河南省科技厅重大攻关项目092102210234作者简介曹文思1978一，男，河南开封人，讲师，硕士，主要从事电力电子和信号处理方面的研究第31卷第5期曹文思，等基于ATMEGA64单片机智能导盲系统设计LO7S1Z由于超声波是以声速传播的，通常声速随温度的变化比较大，因此产生的测量误差也比较大，所以在温度变化较大的环境下进行测量时，需要考虑声速补偿问题所以实际的距离计算公式应为1S3331506070AT，2二式中0为环境温度12红外测距部分原理红外测距”传感器采用的是日本SHARP公司生产的GP2YOA02YK红外传感器，输出信号为电压信号其原理是三角测量原理，红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来反射回来的红外光线被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值，利用三角关系，在已知偏移距，中心距，以及滤镜焦距的情况下，传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了，计算公式为D等3二L13GSM原理GSM是全球移动通讯系统GLOBALSYSTEMFORMOBILECOMMUNICALION的简称，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准本系统选用SIM300C模块实现短信收发功能，利用GSM短信功能来实现远程求助具体实现过程是当盲人遇到紧急情况时，通过触发杖体上的紧急求助按钮，系统自动将求助信息发送到指定的手机和数据中心手机号码和短信求助内容可以通过附带的上位机设置软件来设置，并通过RS232通信口将设置传输给导盲系统短信发送成功后系统将会语音提示求助信息已发送完毕2系统硬件设计系统硬件主要包括供电部分、超声波测距部分、红外测距部分、电子罗盘部分、语音提示部分、GSM模块部分、单片机外围接口电路部分等21超声波测距硬件设计211超声波发射电路系统通过ATMEGA64单片机的PB5脚输出40KHZ的振荡信号，通过74HC00来驱动超声波发射器发射40KHZ的超声波脉冲发射电路如图2所示212超声波接收电路集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器考虑到红外遥控常用的载波频率38KHZ与测距超声波频率40KHZ较为接近，可以将它用于超声波检测实验证明，其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力超声波接收部分电路如图3所示PE4为单片机的外部中断输入脚图2超声波发射电路CX2O1O6图3超声波接收电路22红外测距硬件设计GP2YOA02YK红外传感器测量范围为20150EMGP2Y0A02YK的输出信号为0028V电压信号，系统通过ATMEGA64的内部ADC获得电压值，通过查表计算求得距离信息23GSM短信模块硬件设计GSM模块采用SIMCOM公司生产的SIM300CSIM300C模块外围电路如图4所示3系统软件设计31超声波测距软件设计单片机执行测距程序时，在PB5端口输出一个40KHZ的脉冲信号，通过超声波发射电路发射出去，同时启动单片机内部的定时器TIMER3，定时器开始计数当超声波被物体反射回来后，在INT4端产生一个外部中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断子程序，定时器停止计数，计算超声波从发射到接收的时间差F，最后计算得出超声波传感器与反射物之间的距离超声波测距程序流程如图5、图6所示108华北水利水电学院学报2010年10月图4SIM300C模块外围电路图图5主程序流程图图6测距程序流程图32GSM短信软件设计用到的主要AT指令见表1手机号码和短信求助内容可以通过附带的上位机设置软件来设置，并通过RS232通信口将设置内容传输给导盲系统GSM模块发送短信程序流程图如7所示表1主要AT指令表AT指令指令功能描述ATCMGFATCMGRATCMGSATCNMIATCMGD选择短信格式读短信发送短信新短信提示删除短信ATMEGA64图7GSM模块程序流程图4实验结果及分析文中所设计的多功能导盲装置，经过在室内和室外大量试验验证，系统的各项功能均满足设计要求，且整体性能稳定由于考虑到体积、成本等因素，系统在传感器检测方面还存在不足，有待于进一步改进，如障碍检测部分存在误差和盲区41超声波测距部分误差分析理论上超声波测距部分设计的最大测量范围为第31卷第5期曹文思，等基于ATMEGA64单片机智能导盲系统设计1095NL，最小测量距离为4CM实验结果发现，在5IN范围内，超声波测距的最大误差在5CM以内，且距离越近，误差越小，超声波测距部分会存在4CM的测量盲区超声波测量范围如图8所示产生上述现象的原因一是由于超声波的衰减特性，随着距离的增加，超声波在传播时衰减将增大，物体距离发射源越远时，能够有效分辨障碍物的能力就越差；二是超声波的发散性很大，在试验时发现其波束角大约为60。，在大约60。的三角扇区内有些部分超声波传感器测量不到O30，一500、6O，虚线内为理想测量范围，细实线范围为实际的测量范围图8超声波测量范围图42系统测障盲区分析导盲装置各测障传感器的分布及探测范围如图9所示下方红外测距传感器由舵机来控制测量角度，角度范围为60。试验发现系统测障部分存在以下盲区一是由于超声波传感器的扩散性和衰减性，前方3M以外的障碍中，直径小于5CM的障碍物无法准确检测；二是由于红外测距传感器垂直地面的安装高度为10CM，所以距地面高度10CM以下的路面低矮障碍无法检测到为10CM5结语以ATMEGA64单片机作为主控制器，研究了一种基于超声波、红外测距原理和GSM数据传输的多功能智能导盲系统该系统具有功能强，智能化，性能可靠，携带方便，操作简单等特点，可以准确地探测盲人在行走中遇到的障碍物，然后及时提示给盲人，帮助盲人在紧急情况时发出求助短信，大大提高了盲人的出行安全参考文献1ZENGJJ，YANGP，XUCM，ETA1DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFGUIDEDOGROBOTJJIDIANYITIHUA，2005，42422252ZHAOY，MAOYHFEATURESANDSITUATIONOFMANMACHINEINTERACTIONFORTHEBLINDJJISUANJIYINGYONG，2005，21102242273贾莉娜高精度的超声波测距系统在移动机器人导航方面的应用J计测技术，2004923264何立民MCS一51系列单片机应用系统配置与接口技术M北京北京航空航天大学出版社，19995沈文，EAGLELEEAVR单片机C语言开发入门指导M北京清华大学出版社20036潘宗预，潘登超声波测距精度的探讨J湖南大学学报自然科学版，2002，29318217张和生，宋明耀提高超声波测距精度的设计J测试测量，2004787898刘升平，王剑，葛红超声波测距系统的开发与研究J计算机工程与应用2009，452578819李鸿用单片机控制手机收发短信息J电子技术应用，20021242610LIUGC，LUL，HOUM，ETA1ASTUDYONTHEINTELLIGENT图9导盲系统各测障传感器的分布及探测范围示意图12图9中，A为红外传感器，为探测正前方障碍物的超声波传感器，C为探测空中障碍物的超声波传感器，L为正前方所能够探测的最远距离，500CM，H为垂直方向所能够探测到的空中障碍物的最远距离，H450CM，S为红外传感器所能够测到的最远距离S150CM两个超声波传感器的安装角度为30。，红外传感器的安装垂直高度ULTRASONICCANEFORTHEBLINDJYILIAOZHUANGBEI，2007，20312ZHANGJQTHEINFRAREDPHYSICSMXIANXIDIANUNIVERSITYPRESS，20041548JIANGXL，ZHAOYB，ETA1ASTUDYOFMEASUREMENTCONTROLLINGEQUIPMENTBASEDONINFRAREDTECHNIQUEJJIGUANGYUHONGWAI，2006，3612325LIDP，SUNFRDIAGNOSTICAVAILABILITYRESEARCHOFINFLAREDFAULTDIAGNOSISOFMACHINEANDELECTRICDEVICEJJIDIANGONGCHENG，2004，3474448下转第127页第31卷第5期罗雪阳，等高地热条件下引水隧洞的降温措施及爆破方案127COOLINGMEASURESANDBLASTINGPROGRAMOFTHEDIVERSIONTUNNELINHIGHGEOTHERMALCONDITIONSLUOXUEYANG，JIAJIANHUA，CHENLISHUN1DATANGYAANHYDROPOWERDEVELOPMENTCO，LTD，CHENGDU610031，CHINA；2DATANGSICHUANHYDROPOWERDEVELOPMENTCO，LTD，CHENGDU610031，CHINAABSTRACTTAKING1TUNNELEXCAVATIONOFNIANGYONGHYDROPOWERSTATIONASANEXAMPLE，THECOOLINGMEASURESANDTHEEXCAVATIONPROGRAMOFTHETUNNELCONSTRUCTIONUNDERTHEHIGHGEOTHERMALCONDITIONSWEREDESCRIBEDTHECONSTRUCTIONEXPERIENCEWASSUMMEDUPANDWASOFGUIDINGSIGNIFICANCEINTHEPROJECTCONSTRUCTIONINSIMILARCONDITIONSKEYWORDSHIGHGEOTHERM；TUNNELEXCAVATION；COOLING；BLASTINGSCHEME责任编辑陈海涛上接第109页DESIGNOFINTELLIGENTGUIDINGSYSTEMBASEDONATMEGA64SINGLECHIPMICROPROCESSORCAOWENSI，GONGLUHONG，QIUDAOYIN，CHENJIANMING1NORTHCHINAINSTITUTEOFWATERCONSERVANCYANDHYDROELECTRICPOWER，ZHENGZHOU450011，CHINA；2ZHENGZHOUXIANGHEGROUPELECTRICALINSTALLINGCO，LTD，ZHEUGZHOU450053，CHINAABSTRACTWITHATMEGA64SINGLECHI