基于arduino的技能导盲棍的设计与实现-文档.docx

基于Arduino的智能导盲棍设计与实现报 告题 目： 基于Arduino的智能导盲棍 设计与实现 _姓 名： 某某某 专 业： XXXXX 指导教师： 成 绩： 计算机与信息工程学院20 年 月目录1.引言21.1 项目背景21.2 创意描述21.3 项目分工22.相关技术介绍32.1 Arduino介绍32.2 相关套件介绍32.3相关项目对比43.功能及总体设计53.1功能介绍53.2总体设计54.项目实现84.1超声波测距模块84.2蓝牙连接模块94.3语音提示模块104.4照明模块114.5电量提示模块115.产品展示136.总结与展望14参考文献15附录一 元器件清单16实训日志17教师评语201.引言1.1 项目背景盲杖可以在盲人外出时起到避障的作用，方便盲人出行，但是，盲人使用盲杖行走时，无法感知前方一定距离内是否有障碍物，也无法感知左右方是否有障碍物，更无法提示过路行人注意规避。同时在昏暗的环境中，盲人无法自主的有效规避其他行人车辆，并且他人也无法明确的察觉盲人，所以我们需要给其他人一定的提示，以此来规避盲人。因此，制作一款智能导盲棍，补足上述缺点是非常有必要的。本项目的智能导盲棍，设计旨在让盲人正确接收到障碍物的具体信息，并提示盲人避障，让盲人的出行更加便利1。1.2 创意描述本项目的创新点包括一下两项：（1） 测距：智能导盲杖与普通导盲杖最大的区别就在于测距功能，为充当盲人的眼，为盲人看清各方向是否存在有障碍物。（2） 语音提示：智能导盲棍能让盲人迅速接收障碍物距离，方便盲人出行，让盲人能够在目不能视的情况下较好地感知外界环境。（3） 照明：智能导盲棍上配备灯泡起到提示路过行人规避的作用，使盲人的出行得到更加安全的保障。（4） 电量提示：由于盲人无法观察导盲杖是否处于正常工作状态，为避免电量不足导致导盲杖无法正常工作，添加的电量提示功能，帮助盲人有效得知当前导盲杖状态。2.相关技术介绍2.1 Arduino介绍Massimo Banzi之前是意大利Ivrea一家高科技设计学校的老师。他的学生们经常抱怨找不到便宜好用的微控制器。 2005年冬天， Massimo Banzi跟David Cuartielles讨论了这个问题。 David Cuartielles是一个西班牙籍晶片工程师，当时在这所学校做访问学者。两人决定设计自己的电路板，并引入了Banzi的学生David Mellis为电路板设计编程语言。两天以后，David Mellis就写出了程式码。又过了三天，电路板就完工了。Massimo Banzi喜欢去一家名叫di Re Arduino的酒吧，该酒吧是以1000年前意大利国王Arduin的名字命名的。为了纪念这个地方，他将这块电路板命名为Arduino。随后Banzi、Cuartielles和Mellis把设计图放到了网上。版权法可以监管开源软件，却很难用在硬件上，为了保持设计的开放源码理念，他们决定采用Creative Commons(CC)的授权方式公开硬件设计图。在这样的授权下任何人都可以生产电路板的复制品，甚至还能重新设计和销售原设计的复制品。人们不需要支付任何费用，甚至不用取得Arduino团队的许可。然而，如果重新发布了引用设计，就必须声明原始Arduino团队的贡献。如果修改了电路板，则最新设计必须使用相同或类似的Creative Commons(CC)的授权方式，以保证新版本的Arduino电路板也会一样是自由和开放的。唯一被保留的只有Arduino这个名字，它被注册成了商标，在没有官方授权的情况下不能使用它。Arduino发展至今，有了多种型号及众多衍生控制器推出2。2.2 相关套件介绍Arduino Uno:“Uno”在意大利语中是“一”的意思，并被用于标记1.0版Arduino软件（IDE）。Uno开发板和1.0版Arduino软件（IDE）为Arduino系列的参考版本，现在已经演变为更新版本。Arduino Uno开发板属于USB系列Arduino开发板中的第一个型号， 并作为Arduino平台的参考模型存在；更多有关当前、过去或过时开发板的列表，请参阅Main/Boards|开发板的Arduino指数3。超声波传感器：超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波是振动频率高于20KHz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面4。蓝牙模块：蓝牙模块，是一种集成蓝牙功能的PCBA板，用于短距离无线通讯，按功能分为蓝牙数据模块和蓝牙语音模块。蓝牙模块是指集成蓝牙功能的芯片基本电路集合，用于无线网络通讯，大致可分为三大类型：数据传输模块远程控制模块等。一般模块具有半成品的属性，是在芯片的基础上进行过加工，以使后续应用更为简单5。2.3相关项目对比一般的导盲棍项目只有测距功能与语音提示功能，而我们的导盲棍设计多出了电量耗尽提示功能与照明功能，更加的方便了盲人的使用。3.功能及总体设计 基于以上创意，需要在导盲棍上添加一些模块，在避障的同时进行语音提示，在特定的情况下可以亮灯、鸣笛提示过路行人的功能。3.1功能介绍该产品实现的功能有：（1） 测距功能：使用前、左、右三个超声波测距模块测量障碍物的距离。（2） 电量耗尽提示功能：接通电源后，点击按钮，蜂鸣器会发出提示音，若是没有就表示电量耗尽。（3） 语音提示功能：使用蓝牙模块将信息传输到手机，然后通过手机app提示盲人前方多远有障碍，与左右方向是否有障碍。（4） 照明功能：在夜间以及其他一系列的昏暗的环境中会点亮导盲杖上的灯。3.2总体设计根据上述功能，将项目对应的四个部分分别进行设计：测距部分、电量提示部分、语音提示部分和照明部分。3.2.1整体框架图项目整体框架图如图3-1所示。uno板通过信号控制超声波传感器检测障碍物距离，并返回给uno板，然后经过判断之后将数据通过蓝牙模块传输给手机app。uno板读取来自光敏电阻的阻值，在uno板上经过阻值大小的判断，然后来控制小灯泡的开关。uno板通过读取按钮是否被点击来控制蜂鸣器发声。图3-1 整体框架图3.2.2系统流程图系统流程图如图3-2和图3-3所示。在uno板上系统首先通过判断按钮状态的开关来决定来决定接下来的过程，如果开启，则蜂鸣器发声，开始读取光敏电阻的阻值，并进行判断然后决定灯泡的开关，同时判断蓝牙是否在连接来决定是否测距并且发送信息到手机。图3-2 arduino uno开发板流程图在手机端上系统首先进行连接蓝牙，然后开始一个循环，如果接收到信息则根据信息判断，在手机上发出不同的提示音，然后判断是否结束循环，来决定是否继续接收信息。图3-3 手机app流程图3.2.3总电路图系统总电路图如图3-4所示，通过面包板将超声波传感器、蓝牙模块、光敏电阻、小灯泡、按钮和蜂鸣器接到了uno板上相对应的串口。在下章项目实现将会分为不同模块具体介绍。图3-4 uno板总电路图4.项目实现该项目主要有五个模块：超声波测距模块、蓝牙连接模块、语音提示模块、照明模块、电量提示模块。4.1超声波测距模块功能介绍：Arduino uno开发板给该超声波传感器发送触发信号，这个传感器便能自动发送并检测超声波信号，开发板接收超声波传感器的回响信号便能测得障碍物的距离。 元器件清单：该模块所需的元器件及其数量如表4-1所示。表4-1 超声波测距模块元器件清单元器件名称数量超声波传感器3Arduino uno开发板1电路图：该模块电路图如图4-1所示。通过面包板将3个传感器的VCC口和GND口分别接在了一起，然后接到了uno板的5V串口和GND串口。将三个传感器的输入输出口分别接在了数字针脚的2、3、4、5、6、7串口。图4-1 超声波传感器电路图相关代码：digitalWrite(TrigBefore, LOW); /通过超声波传感器对前面测距 delayMicroseconds(2); digitalWrite(TrigBefore,HIGH); delayMicroseconds(10); /产生一个10微秒的高脉冲去触发TrigBefore digitalWrite(TrigBefore, LOW); tempBefore = float(pulseIn(EchoBefore, HIGH);/获取超声波发送到返回的时间 cmBefore = (tempBefore * 17 )/1000; /将时间计算为距离 digitalWrite(TrigRight, LOW); /通过超声波传感器对右边测距 delayMicroseconds(2); digitalWrite(TrigRight,HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(TrigRight, LOW); tempRight = float(pulseIn(EchoRight, HIGH); cmRight = (tempRight * 17 )/1000; digitalWrite(TrigLeft, LOW); /通过超声波传感器对左边测距 delayMicroseconds(2); digitalWrite(TrigLeft,HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(TrigLeft, LOW); tempLeft = float(pulseIn(EchoLeft, HIGH); cmLeft = (tempLeft * 17 )/1000;4.2蓝牙连接模块功能介绍：通过蓝牙模块，Arduino uno板能够与其他设备进行蓝牙连接，本产品通过蓝牙模块与手机相连，将数据信息传输到手机app上。手机端则通过app进行有效的连接与交互。 元器件清单：该模块所需的元器件及其数量如表4-2所示。表4-2 蓝牙连接模块元器件清单元器件名称数量蓝牙模块1Arduino uno开发板1电路图：该模块电路图如图4-2所示。将VCC与GND接到面包板与uno板5V与GND相连的接口中，然后通过面包板将TX和RX口分别接入8和9号串口。图4-2 蓝牙模块电路图 相关代码：1） Arduino uno板代码#include int bluetoothTx = 9;int bluetoothRx = 8;SoftwareSerial bluetooth(bluetoothTx, bluetoothRx); /定义蓝牙的方法2） 手机app程序：如图4-3所示。在程序里定义了一个列表选择框，当选择框被点击时，会出现已连接也可以配对的蓝牙目标。当选择完成后，app便会连接目标，并发送文本以测试与提示连接成功，并开启计时器。图4- 3手机端蓝牙连接程序4.3语音提示模块 功能介绍：将超声波测量的距离传输进行判断，对前面的传感器的距离进行0-20cm、20-40cm以及40-60cm之间进行判断，并通过蓝牙传输相应的信息，如果超过60cm则不传输数据。对左边及右边则进行是否在30cm里中存在障碍物，如果有则通过蓝牙传输相应的信息。 相关代码： 1）Arduino uno板代码if(cmBefore1) /对前面距离进行判断 bluetooth.write(14); else if(cmBefore20) bluetooth.write(15); else if(cmBefore40) bluetooth.write(16); if(cmRight1) /对右边距离进行判断 bluetooth.write(2); if(cmLeft1) /对左边距离进行判断 bluetooth.write(3); 2）手机app程序：如图4-4所示。在程序初始定义一个全局变量来接收来自蓝牙的信息，当蓝牙连接上后计时器便开始持续即使与接收来自uno板的信息，并对接收而来的信息进行判断并播报相应的提示。图4-4 手机端语音提示程序4.4照明模块 功能介绍：光敏电阻在不同光线环境下的阻值会变化，Arduino uno开发板会获取到这个电阻值，通过对其的判断，控制小灯泡的开关。在较为昏暗的环境中会电量灯泡，提示来往的车辆行人注意避让。在明亮的地方，人的可视距离较高，便可以关掉灯泡。 元器件清单：该模块所需的元器件及其数量如表4-3所示。表4-3 照明模块元器件清单元器件名称数量光敏电阻1小灯泡6Arduino uno开发板1电路图：该模块电路图如图4-5所示。将光敏电阻与普通电阻串联接到5V与GND，来保持光敏电阻的稳定性，再将光敏电阻VCC头接在模拟针脚A5串口，来读取数据。将小灯泡的正极接到数字针脚13口负极接GND来控制小灯泡的亮暗。图4-5 照明模块电路图 相关代码：Intensity = analogRead(A5); /读取光敏电阻的电阻值 if (Intensity980) /判断电阻值是否过大 digitalWrite(led, HIGH); else digitalWrite(led, LOW); 4.5电量提示模块功能介绍：每次使用时通过对按钮的点击，蜂鸣器会发出声音来提示盲人导盲棍可以工作，如果没有发出声音，则表示电源已经没有电，需要进行更换电源。 元器件清单：该模块所需的元器件及其数量如表4-4所示。表4-4 电量提示模块元器件清单元器件名称数量按钮1蜂鸣器1Arduino uno开发板1电路图：该模块电路图如图4-6所示。将按钮与普通电阻串联接到5V与GND，来保持按钮的稳定性，再将按钮VCC头接在数字针脚12串口，来读取数据。将蜂鸣器的正极接到模拟针脚A0口负极接GND来控制蜂鸣器发声。图4-6 电量提示模块电路图 相关代码：button1 = digitalRead (button); /读取当前按钮状态 if (button1 = 1 & button2 = 0) /判断按钮是否被点击 tone(mouse,340); /蜂鸣器发声 delay(200); noTone(mouse); delay(200); button2 = button1 ; /将当前状态转为过去状态5.产品展示整体实物图如图5-1和图5-2所示。从上到下分别是3个超声波传感器，连接传感器与uno板的1号面包板，接在1号面包板上的蓝牙模块。接着便是uno板，与在棍子另一边的电源。下方是2号面包板上面依次接了光敏电阻、小灯泡、按钮和蜂鸣器。图5-1 整体实物图6.总结与展望在本次项目中，我们小组完成了智能导盲杖的制作。导盲杖能完成一系列的工作，给盲人带来方便，能通过传感器与蓝牙模块让盲人得知障碍物的情况，并通过照明系统能够提示路人注意规避，也可以通过电量提