智能语音导盲系统设计VIP

本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 47 页南京理工大学泰州科技学院作者：黄建军本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 47 页1 绪论我国曾在上世纪 90 年代进行过视力残疾状况的调查，结果显示，我国有视力残疾患者近 1400 万，其中盲人约就有 620 万。从全国防盲技术指导组办公室得到的数据也显示 1，我国有 550 万盲人，占世界盲人总数的 1/5。随着人民生活水平的不断的进步，让生活变得越来越简单方便成为了人民普遍追求的生活理念。盲人既是我们普通人民中的一员，又是一个特殊群体，他们由于先天或后天的生理缺陷在日常生活中比我们常人会遇到更多的不方便，不能准确及时的发现并躲避障碍物就是一个重要的弊端。如果有一种既轻巧，又便宜，同时又能及时的识别周围障碍物并发出报警信号的智能拐杖在盲人的手中将会为盲人的生活提供极大地方便。由于超声波的速度相对光速要小的多，其传播时间更加容易被检测，并且易于定向的发射，方向性较好，强度可以控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。同时随着计算机技术、自动化技术及工业机器人的不断出现，测距和识别技术在工业中已经得到了普遍的运用与发展，如何把这种非接触式检测与识别技术应用到民用领域已变得十分重要了。1.1 课题背景及意义盲人既是我们普通人民中的一员，又是一个特殊群体，他们由于先天或后天的生理缺陷在日常生活中比我们常人会遇到更多的不方便和安全隐患。本设计就是为了避免盲人在行走时与前方障碍相撞。盲人导盲预警系统的运用可极大地减轻盲人的行走不便与安全隐患，降低且避免因盲人不辨障碍而导致的事故的发生，同时它将对提高人体智能化设计起到重要的意义。对超声波具有传播速度慢，指向性强，能级消耗缓慢，对色彩、光照度不敏感的特点进行利用，同时因为超声波传感器结构相对简单、体积小、性价比高、信息处理简单而且可靠，易于小型化和集成化，并且可以进行实时控制等特点。所以这一项技术应用于导盲产品中将有广阔的发展前景。1.2 设计研究的内容本设计中超声波测距的设计是根据蝙蝠依靠超声波进行夜间飞行捕食的能力和原理，并且利用现在的单片机控制式超声测距系统，运用超声波一来一回确定目标本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 47 页位置的原理，主要是通过超声波传感器发送和接受超声波，然后通过对比分析发射的波与遇到障碍物后的回波信息，这样就完成了超声波导盲仪的数据采集部分。本设计系统的单片机是使用 AT89S52 芯片，主要运用的原理也是超声波测距方面的。通过组装和协调各个硬件完成该装置的硬件部分，该装置可以把盲人前方道路上遇到的一定范围内的障碍物进行距离探测并且可以将障碍物距离盲人多少米转换成实时语音提示, 通过语音提示盲人可以知道前方是否有障碍物，从而进行危险躲避。该系统有很多其他产品所不具备的特点比如：电路结构简单，元器件价格便宜。电路的抗干扰性强。因为盲人在夜晚行走时，行人和车辆不容易发现，可能对盲人的生命构成危险，所以本设计还需要增加夜间灯光的设计。选择运用光敏电阻，通过检测周围环境的亮度就相当于电阻灯光电路的通断开关,并把提示灯的亮度转化为相对逻辑的红色警示闪光灯。用来提醒来往行人和车辆避让。另外还有快闪提示，当有快速物体靠近时，有相应的语音提示。1.3 论文结构第 1 章本章主要介绍了设计超声波导盲拐杖的背景及意义。对设计研究的大致内容做了概述。第 2 章首先是超声波的概论以及测距原理的注意点，并提出了本设计的测距方案。第 3 章只要是系统的硬件部分首先提出设计思路然后画出硬件电路设计框架，然后详细的给出了硬件电路中使用了的各个模块关键元器件的说明。第 4 章智能语音导盲仪的软件设计，首先是说明软件是设计环境，然后给出软件的编程流程图，然后准备编程进行程序的仿真。第 5 章是对系统调试的分析，通过理论数据与实际所得结果的对比得出误差，然后就可以改正原来的系统从而进行改进。第 6 章结束语主要是介绍本次毕业设计中所遇到的困难，以及对自己所学专业的深刻认识。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 47 页2 超声波测距的工作原理及方案论证2.1 超声波概述声音是自然界生物之间沟通交流的工具，声音在人类发展的初期就已经产生了，在我们所存在的大千世界中存在着各种各样丰富多彩的声音。在科学的发展道路上，声学早就是一个古老而又充满活力的学科。但是人的耳朵是听不到超声波信号的，大概到了十八世纪，人们发现海豚、蝙蝠等生物的别具一格然后开始了研究，才发现自然界存在一种波叫超声波。声波是一种机械波并且在液体、气体、固体中都是可以传播的。按照声波的振动频率来划分，声波可以分为四种不同高低频率的波：频率范围处于 16kHz20kHz 之间的机械振动波 2，定义为声波，人的耳朵可以听见；频率小于 16kHz 的机械振动声波被称为次声波；频率高于 20kHz 的机械震动声波被称为超声波；高于 10MHz 的机械振动波被称为特超声波。产生声波必须具备两个条件第一要有振动源的质点，第二要有传播声波的介质，声波在某些条件下是不好传播的。另外单单具备以上两个条件也是不行的，质点振动时还不能随波的移动而移动，而且质点只是在平衡点的上下进行机械波的振动，这就和我们大学物理所学的电磁波的原理有点类似，但是区别也很大，比如电磁波也是一种机械波，但是不需要要有固液气三种形态的物质进行传播，还有就是光波与声波也是不一样的，光波既是粒子的又是机械的也是不需要传播介质的；电磁波的传播速度和光的传播速度一样都是 3108m/s，然而超声波的传播速度只有340m/s，从速度上来看超声波的速度比电磁波的速度慢很多，根据波的理论原理两个相同频率的波，波长短的可以提高超声波测距的分辨能力；超声波在同一种介质中的传播速度是一样的，就是你只要传播的介质是相同的频率的不同是不会改变超声波的传播速度，波的波动方向是和质源振动的方向是相同的，所以说超声波是一种上下振动的弹性机械波，它的传播必须要借助于介质分子的运动。折射、反射、散射、衍射等物理现象一般发生在声波穿过两个不同介质的临界面。超声波也是一种声波所也具备也具备人耳能听到的可听波的性质。但是毕竟频率有所不同所以超声波总是有她的特别之处，与平常人耳所听到的波应该有不同的性质，比如方向性很好不会随意的因为外因而改变方向，波的加速时间快，最显著的特点就是其波长比较的短，最短的只有毫米的千分之一，足见与可听波相比，超本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 47 页声波确实有很多特别的性质。超声波传播特性超声波的频率高所以波长就比较短，当超声波穿过障碍物时，障碍的大小尺寸应该比超声波的波长大很多，由此我们得出超声波穿过障碍物时衍射的将几乎不可能发生，超声波的传播也是定向直线传播除非传播的介质不是均匀的，根据现在波学的理论，当波长越短时，波是很难发生衍射的，所以超声波在这方面拥有其独特的一面。超声波功率特性当声音在空气中传播时，必然将带动空气中的分子或者微粒做着振源的上下周期性振动产生了做功。声波功率就是衡量声音做功快慢的物理量。科学验证表明在同一频率下，声波的频率越高所产生的功率就越大。超声波的频率都是大于 20kHz，所以和普通的声波相比超声波的频率是很大的。2.2 超声波传感器超声波传感器是根据超声波的特性研制而成的传感器，可用于发射和接受超声波，其既可以把超声波转换成其他形式的能量，也可以将其他形式的状态转换成超波的存在形式。运用超声波传感器的电路具备以下几方面的优点：（1）测量的原理和方法简单，在电路中容易实现。（2）测量的精确度高，能够准确的测出物体的距离。（3）超声波传感器发出的超声波具有一定的范围，覆盖性广，因此测量时并不需要使用许多的传感器，因为每个传感器都是覆盖一定的范围，节约了成本。2.3 超声波测距中盲区及远限和近限用往返时间检测法测量距离时，障碍物与超声波传感器间的距离既不能太远也不能太近，存在着距离测量的近限和远限。距离过远时，接收到的信号太弱，以致无法从噪声信号中分辨出来，这是远限存在的原因 3。在距离过近时，接收信号将落进盲区中而无法分辨出来，这是近限所以存在的原因。所以，设计中要尽量减小盲区，同时提高检测的距离精度。减小盲区措施 ：（1）压缩脉冲宽度传输端采取降低振荡脉冲或单个脉冲的幅值的措施，降低了余震（拖尾） ，这种方法通常用于短距离的测量使用。 （2）采用自动距离增益控制使用接受放大器必须具备自动增益控制的功能，本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 47 页这样近距离所产生的增益将会变小，距离远时的增益又比较大，这样就可以使发射信号的余震幅值变得小了，也可以分辨并接受近处的返回信号，当然就可以减少盲区了。另外，也可以时测量远处障碍物时返回信号的幅值变大从而提高了距离测量的精度。（3）信噪比问题超声波测量的距离总是有上限的。接收信号的幅值决定了量程，返回信号的幅值必须要大于阈值。这阈值值决定信噪比，这个时候就需要对周围环境的噪声就行频谱分析，尽量是使超声波的频率与周围噪声的频率不相同。 2.4 超声波测距的方案超声波测距和超声波检测所使用的方法是相同的。超声波测距大体上可以分为三种方法分别是声波幅值法、往返时间法、以及相位检测法。这三种方法当中相位发的精确度是最高的，但这种方法的检测范围并不是很大，声波幅法的弊端在于容易被反射波所影响，目前超声波测距这一快使用最多的方法是往返时间法。往返时间法的基本原理就是在晓的声波的在某种介质中的传播速度，然后通过计算发射和接受信号分别遇到障碍物的时间差来求的障碍物的距离，原理图如图2.1所示。详细的来讲只要激励电路产生一个40kHz的激励脉冲给超声波传感器，再由传感器内部电路将其转换成机械能，机械振动然后通过空气分子的振动而传送出去，发射的超声波信号在空气中时沿一条直线传播的，一旦超声波的信号遇到物体就会发生反射 4。传感器在接收到返回信号后再通过压电原理把声波转换成电压电流等电量信号。传感器此时得到的电压信号还是比较微弱的，需要经过一个放大器方法后才可以被传感器的识别芯片所采集。定时器控制计算传输调制计时振荡脉冲增益放大超声波发射超声波接受本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 47 页图2.1 超声波测距原理图超声波传感器使用发射头发射超声波，当超声波遇到障碍物时超声波就会返回，然后用超声波接受头来接受超声波反射信号，因为超声波在均匀介质中的传播速度是固定的，所以只要知道传播的时间就可以简单的算出障碍物的距离，因此本设计采用双探头的方式。声波是以纵波的形式在空气中传播的。当尺寸大于对目标物体的声波的波长将阻止发生反射；反射波被人们称为回声。假设我们知道了超声波在某种介质中的传播速度，并且我们可以通过测量知道超声波发射和接受所知道的时间，然后算出时间差就得到了超声波传播的时间了，然后就可以算出障碍物的距离 5。这就是本设计超声波测距的原理。本设计的传输介质是空气，采用超声波来测距。在室温下声波的传播速度为339m/s，传播介质是空气，超声波从发射开始到超声波遇到障碍物返回并被接受的时间为t,那么振源距离障碍物的距离可以由式（2.1）求得：式)(/(350stcmd（2.1）因为超声波所经过的路径是声源和障碍物之间的两倍，所以发射器距离障碍物的距离应该是d/2。单探头方式就是超声波探头发射超声波，然后遇到障碍物后返回，接受返回信号使用原来的发射探头。假设超声波探头与障碍物之间的距离为 S，则测距如式（2.2）：式ctS21（2.2）式（2.2）中：S 是所测障碍物的距离， c 是超声波在均匀介质中的传播速度，t是超声波从发射到被接受所使用的时间。从式（2.2）中可以看出，只要声音的传播速度已知，在测量出超声波的传播时间 t 后就可以准备的计算出障碍物距离 S。2.5 本章小结本章对设计中用到的超声波技术进行了一个系统性的说明。包括对超声波的说明，超声波传感器的优点，超声波测量中盲区及近限和远限，以及本次设计所要用到的超声波测距技术的原理。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 47 页3 智能导盲仪硬件系统设计3.1 设计实现的功能超声波测距是根据超声波在空气的传播速度恒定通过记录传播时间来求出距离的。根据从发射超声波到接收到回波的时间和声音的速度在这个时候的传播速度，它可以被用来计算该障碍物的距离。因为空气中的衰减，噪音和环境以及电路本身的超声波传播具有一定的限制，测量的距离，障碍物限制距离的回波将不检测；在同一时间，在接收用探头发射的超声波的效果，测量距离大于最小距离下，障碍物回声将无法分辨信号和干扰信号之间的差值。系统所测量的障碍物的距离必须要在上下限范围之内。当系统检测到一定范围的障碍物时，会发生警报和相应的语音提示。语音播报模块主要是处理超声波返回信号，把模拟量转换成电量信号，然后通过给单片脉冲，通过单片来实现语音播报的控制，从而实现危险提醒，也可以通过语音播报模块的按键来实现实时的报距。AT89S52 单片机在预警系统模快的作用就是作为开关来控制语音输出模块，还包括语音警报提示，夜间 LED 闪烁灯光，让使用者在灯光比较暗的情况下也能确保行路的安全。稳压电源也是电路设计比较关键的部分，一个稳定的稳压电源电路可以使电路各部分的运行都比较稳定，另外电源的稳定性也会使电路的安全和寿命得到保障。3.2 设计思路智能导盲拐杖硬件电路设计是一项系统的工程，它涉及到许多方面，包括单片机、超声测距系统、开关控制系统、温湿度采集系统、声光报警系统、电源等的选择。在开始设计之前，需要对这个设计模块之间的关系进行了解。更具实物要实现的功能，需要把模块进行细节化，分析单个模块内部的引脚功能，本设计主要是以AT89S52 单片机作为系统的控制系统，然后以此来控制各个模块运转，整个系统运用的是回波法的测距原理，其结构框图如图 3.1 所示。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 47 页图 3.1 智能导盲预警系统结构框图3.3 硬件电路设计该系统由单片机，超声波发射和接收电路，显示电路，语音模块和光报警模块，控制核心芯片。 单片机在接收到传感器的信号后产生对应低电平使语音芯片开始工作，语音芯片发出相应的振动提示或语音提示。本系统工作原理示意图如图 3.2 所示。图 3.2 系统工作原理示意图本设计系统主要有以下几个模块：（1）单片机控制模块也就是单片机，是整个系统最智能的地方，也是整个系统的中央处理器，处理数据的传输和分析（2）超声换能模块超声波的发射模块主要是由包括超声波的激励脉冲产生电路和超声波探头组成，由单片机通过软件产生激励脉冲然后传送给超声波探头进行发送。回波信号电路由四大部分组成，分别是前置比例放大电路、程序控制的放大电路以及超声波的信号发射模块接受模块控制系统蜂鸣器数据显示调试功能测试 稳压电源单片机 语音报距超声波检测快闪提示 报警功能本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 47 页过滤电路。一般还需要将超声波的回波信号转换成电量信号的电压，还需经过放大器对信号进行放大处理然后通过滤波器的滤波后才能得到幅值和信噪比符合要求信号，只有这种经过处理后的信号才能被处理。（3）电源模块电源模块是为整个系统提供稳定的供电电源，使系统不会出现电源不稳定影响运行的