智能导盲拐杖的设计毕业论文

1、天津职业技术师范大学Tianjin Uni versity of Tech no logy and Educati on毕业论文专 业：一班级学号：学生姓名：指导教师：二0三年六月天津职业技术师范大学本科生毕业设计基于单片机电子导盲拐杖设计Electron blind-guide crutch design based on MCU专业班级：学生姓名指导教师：学 院：电子工程学院2013年 06 月摘要随着社会的发展，在社会生活中应用超声波测距技术已很广泛，如汽车倒车 雷达、测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。由于超声波指向性强， 能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声测距技术

2、的研究和开发具有 实际意义。本设计研究为盲人提供行走时，遇到前方障碍物提前躲避的预警系统。以AT89S52作为核心处理器，采用超声波回波时间差测量人与物体之间的安全距离， 实现了提前预警使用者避让障碍物，起到避免安全隐患的作用。该系统是基于AT89S52单片机的超声波测距系统,它根据超声波在空气中传 播的反射原理 , 以超声波传感器为检测部件 , 应用超声波在空气中传播的时间差 来测量距离。夜晚时利用光敏传感器控制警示灯开关，警示来往车辆避让。另有 时间播报功能。主要由测距系统（包括超声波发射模块、超声波接收模块）和语 音报警系统，时间播报系统，警示灯控制系统，稳压电源，五个主要模块构成。该设

3、计利用AT89S52单片机系统的I/O 口，控制超声波传感器发出40KHz的 超声波， 利用反射回来的超声波信号， 经过放大、 整形、滤波等电路回到单片机， 比较调试后确定与障碍物之间的距离，完成测距。该装置将单片机的实时控制及数据处理功能，与超声波的测距技术、传感器 技术相结合。语音系统发出警示音，提醒使用者前方障碍物需躲避。使盲人 在看不见的情况下，能够识别前方的障碍物正常的行走，从而起到保护盲 人安全的作用。关键词：智能避障；超声波测距；AT89S52单片机ABSTRACTWith the development of society, It is applied widely by u

4、ltrasonic to measure distanee, such as cars reversing radarrange finder and level measurement and so on. Because of the strong point of ultras oni c, low en ergy con sumpti on, long dista nee transporting in media, thus it is practical and significant to measure distance by ultras onic.This desig n

5、study for the bli nd to walk, meet obstacles ahead of early warning system. AT89S52 as the core processor, USES the ultras onic echo time differe nce measuri ng safety dista nce betwee n people and objects, impleme nt the early warni ng users avoid obstacles, avoid safe hidde n trouble.Is the system

6、 of ultras onic ranging system based on AT89S52 microc on troller, it is based on the reflect ion prin ciple of ultras onic wave in air and in ultras oni c sen sors for detect ion comp onen ts, applicati on of ultras onic wave in air time differe nce to measure distance. Night when using photosensit

7、ive sensor warning light switch control, avoida nce of traffic warni ng. Otherwise time fun cti on. Mai nly by the ranging system (in clud ing ultras onic tran smitt ing module, ultras onic receiver module) and voice alarm system, time to broadcast system, warning lights, con trol system, regulated

8、power supply, the five major modules.The desig n USES AT89S52 si ngle chip microcomputer system I/O mouth, con trol issue of 40 KHZ ultrasonic ultrasonic sensor, using the reflected ultrasonic wave signal, after amplification, plastic, such as filter circuit back to the single-chip microcomputer, is

9、 after the debuggi ng and the dista nce betwee n the obstacles, to complete the ran ge.The device will sin gle-chip microcomputer real-time con trol and data process ing capabilities, comb ined with ultras onic ranging tech no logy, sen sor tech no logy. Issued a warning sound, voice system rem ind

10、users in front of the obstacles to avoid. Un der the con diti on of the inv isible for the bli nd and can ide ntify the obstacles in front of the normal walking, which play a role to protect the safety of the blind.Key Words : Intelligent obstacle avoidance ； Ultrasonic ranging； Single chip microcom

11、puter目录1引言 11.1设计研究的背景及意义 11.2设计研究的内容 11.3 本章小结 22超声波系统的工作原理及方案 32.1 超声的概述 32.2超声波传感器 32.3超声波测量中盲区及近限和远限 42.4 超声测距的方案 42.5本章小结 53智能导盲拐杖硬件系统设计 63.1设计实现的功能 63.2设计思路 63.3硬件电路设计 73.3.1 CPU 模块7超声波换能模块 103.3.3 语音播报模块设计 153.3.4 温度检测模块和时钟模块的设计 16灯光示警模块设计 18稳压电源模块的设计 193.4 本章小结 204智能导盲拐杖软件设计 214.1 系统软件设计语言 2

12、14.2 软件设计心得 214. 3设计的软件环境简介 214.4 主要模块软件设计流程图 234.5 本章小结 245 系统的调试结果 25结 论 26参考文献 27致 谢 28附录 1：部分主电路原理图 29附录 2：部分主程序 301. 引言我国曾在上世纪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，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

13、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设计研究的背景及意义盲人既是我们普通人民

14、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模仿蝙

15、蝠的超声应用能力和原理，在研究现有的电子式超声波测距系统 的基础上，应用回声定位的原理，通过传感器发送超声波，然后获得并分析障碍物 的回波信息，研制一套超声波导盲系统。系统采用AT89S52单片机作为控制器,禾U 用超声测距的原理，设计了一种超声波导盲装置，该装置可以对盲人前方道路上的 障碍物进行距离探测并把障碍物距离信息转换成语音提示，盲人可以根据提示音， 避让障碍同时达到导盲作用。该系统具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小等 特点。又因为盲人不辨行人与车辆在路上行走， 又因夜晚能见度低，为了车辆和行 人更容易避让盲人。另采用光敏电阻检测周围环境的亮度，并将该亮度转化为相反 逻辑的红色警示

16、光。用来提醒来往行人和车辆避让。另有时钟系统，可以控制并且 语音播报时间，进行整点提醒。1.3本章小结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。2. 超声波系统的工作原理及方案2.1超声的概述声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象，人们对声音早有认识，在人们的日常 生活中存在着各式各样的声音。在科学史上，声学是发展最早的学科之一。然而，由于 超声是人耳听不到的信号，直到 18世纪，人们才开始研究海豚、蝙蝠等动物时，才推 测自然界存在超声。声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据声波振动 频率的范围来分类的，声波可分为高低不同的四种类型：频率在16KH

17、l 20KHZ之间的机械波，能为人耳所闻，称为声波；低于 16KHz的机械波称为次声波；高于20KHz的机 械波称为超声波；高于10MHZ勺机械波称为特超声波。声波产生的条件是首先要有一个作机械振动的质点来作波源，其次是要有传播振动的弹性介质。此外，当振动传播时，振动的质点并不随波而移动，只是在自己的平衡位 置附近振动而已，这与电磁波（交变电磁场以光速在空间的传播）是完全不相同的，与 光波也不同。因此超声作为一种高于人的听觉范围的声波，与光波和电磁波是不同的， 是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播；电磁波的传播速度为3X108m/s, 而超声波的传播速度为340m/s，其速度相对电

18、磁波是非常缓慢的，对于相同频率的情况 下波长比较的短，因此可以提高测量的分辨率；超声波在相同的传播媒体里传播速度相 同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化， 波动的传播方向与振动方向是一致的， 作为纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播。在两种介质的交界面，声波会发生反射、折射、衍射、散射等现象。超声波也具有 这些传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。 但超声波作为一种特殊的声波， 同时又具有方向性好，加速快等特点，而且波长很短，只有几厘米，有的甚至千分之几 毫米，因此与可听声波比较，超声波具有许多奇异的特性：传播特性一一超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超

19、声波的波长大好多 倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越 短，这一特性就会越显著。功率特性当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。 声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有 的功率就会越大。由于超声波频率比较高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非 常大的。2.2超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的用于产生和接收超声波的器件，它既能够把其他形式的能转化为所需频率的超声能又能够把超声能转化为其他形式的能。采用超声波传感器有以下几个方面的好处：(1) 测量方式原理简单，易于实现。(2)

20、测量的精度高(3) 超声波传感器有一定的覆盖性，可以用较少的传感器数量覆盖较大的测量范围。2.3超声波测量中盲区及近限和远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。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) 压缩发射脉冲宽度发射端采用减幅振荡脉冲或单个脉冲，可使余震 (拖尾)减少，此法常用于短距离测量距离。(2) 采用自动距离增益控制采用具

21、有自动增益控制功能的接收放大器， 使近距离的增益很小，远距离时的增益较大，这样一方面发射信号的余震幅度变小，相应的延续时间缩短，可以分辨出近处的接受回波信号，故可使盲区减少。另一方面，可使远处的 回波信号的幅度增大，以提高测量的精度。(3) 信噪比问题 超声波测距都有确定的量程。量程主要决定于接收信号的幅值应 大于规定的阐值。这个阂值决定信噪比。这时要求对环境噪声进行频谱分析，尽量避免 与噪声频率重叠。2.4超声测距的方案超声检测与超声测距所用的方法类似。超声测距的方法分为相位检测法、声波幅值 检测法和往返时间检测法等。其中相位检测法精度高，但是监测范围有限，声波幅值检 测法易受反射波的影响，

22、采用最多的是往返时间检测法。往返时间检测法的基本原理在 声速已知的情况下通过测量发送信号与接收信号之间的时间差来计算障碍物的距离，原理图如图2-1所示。具体的说就是当40KH的电压脉冲信号由导线输入传感器后，由压电陶瓷晶片将此 电信号转换成机械振动，这种机械振动通过空气向外发送出去，发送出的超声信号向空 中各方向沿直线传播，遇到障碍物反射回来。传感器在接收到反射回来的回波信号后再 次将机械振动转变为电压信号的波动。此时得到的电压脉冲信号非常的微弱，经过后极 的放大电路等的处理后被采集处理。图2-1超声波测距原理图超声波传感器发出超声波，在介质中传播遇到障碍物反射后再通过介质返回到接收 探头，测

23、出超声波从发射到接收所需的时间，然后根据介质中的声速，就能算得从探头 到障碍物的距离。本设计米用双探头方式。声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时 就会发生反射；反射波称为回声。假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从 声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。这就是本系统的测量原理。这里声波传播的介质为空气，采用不可见的超声波。假设室温下声波在空气中的传播速度是 335.5m/s，测量得到的声波从声源到达目标 然后返回声源的时间是t秒，距离d可以由下列公式计算：d=33550(cm/s)*t(s)因为声波经过的

24、距离是声源与目标之间距离的两倍，声源与目标之间的距离应该是d/2单探头方式就是探头发出的超声波在介质中传播，遇到障碍物反射后返回至同一探头而被接收。如图3-3所示，探头到障碍物的距离为 S,测距表达式为：S -ct2式中：S为所测障碍物的距离，c为超声波在介质中的传播速度，t为超声波从发送 到接收所经过的时间。从上式可看出，只要已知声速 c,就可以靠准确测量时间t的方 法来精确测量距离So2.5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。3. 智能导盲拐杖硬件系

25、统设计3.1设计实现的功能超声测距部分是利用超声波在空气中传播时遇到障碍物返回的特点来实现测量距 离的目的。根据超声波从发射到接收到回波的时间以及此时的声速就可以计算出障碍物 的距离。由于超声在空气中传播有衰减，加上环境以及电路本身的噪声干扰，测量距离 有一定的上限，超过上限距离的障碍物的回波将无法检测到；同时由于发射超声波对接 收超探头的影响，测量距离存在下限，低于下限距离的障碍物回波将无法与干扰信号区 别开。系统测量的就是介于上限与下限距离范围的障碍物信息。当检测到障碍物时，系 统会通过语音模块发出告警信号。语音播报部分是通过对接收到的超声波信号进行检测，数据经过处理后，处理完成 后如为危

26、险信号即发布声音预警。通过控制开关，可控制语音模块对实时的温度和时间 的进行播报。警示系统模块通过AT89S52单片机控制语音模块和控制开关，达到包括语音警示, LED灯警示效果，提醒使用者和过往车辆行人避让，达到保障使用者安全的目的稳压电源模块可以最大程度保持输入电压的稳定，保持电源输出的电压是恒定的。 是为了给电路提供稳定电源，从而使整个模块正常工作，延长使用寿命。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，还包 括单片机以及各模块间的相互连接。在设计之前，必须要对整个智能导

27、盲拐杖的各部分 构造有一个大致的了解。为了更好的实现预期的效果，根据整体配置，来细化各模块配 置。以AT89S52单片机为核心的控制器，除此之外再细分模块。整个系统根据“回波测 距”的原理设计的，其结构框图如图 3-1所示显示據警系统图3-1智能导盲预警系统结构原理图3.3硬件电路设计该系统由单片机、超声波发射接收电路、液晶显示电路、语音模块及光警提示模块 等组成，控制核心为单片机。单片机在接收到传感器的信息后，将传感器的信号转换为 距离信息，通过语音播报或振动提示。系统工作原理方框示意图如图 3-2所示。图3-2系统工作原理方框示意图整个系统包括以下几个模块：(1) CPU莫块(2) 超声换

28、能模块超声波发射包括产生超声激励脉冲的发射电路和超声探头，由单片机控制产生激励脉冲激励探头发射超声波。回波信号的接收由前置比例放大电路、程控放大电路和滤波 电路四部分构成。回波信号经超声波传感器接收后转换成电信号，再经放大和滤波使信 号的幅度和信噪比达到一定程度，满足信号处理的要求。(3) 电源模块该模块为整个系统供电，提供稳定的电源。使整个系统能够正常的运行。(4) 语音播报模块该模块主要播报警示音，及对时间进行播报。(5) 温湿度检测模块模块单片机一词最初源于“ Single-Chip Microcomputer ”，简称“ SCM。单片机也叫 做“微控制器”或者“嵌入式微控制器”。单片机

29、在控制领域中，具有很多优点，它体 积小，成本低，运用灵活，易于产品化，它能方便的组成各种智能化的控制设备；面向 控制，能针对性的解决从简单到复杂的各种控制任务，而能获得最佳的性能价格比；它 抗干扰能力强，适用范围宽，在各种恶劣的环境下都因能可靠的工作，这是其它类型计 算机无法比拟的；内存较大，功能强，抗干扰能力强、软硬件资源都比较丰富等特点， 其外围接口电路简单，具有很高的性价比，其价格仅为DSP的五分之一，而且它经过多年的发展，技术也相当的成熟。它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。 此外，可以方便地实

30、现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高， 所以我们可以利用单片机与超声波技术的的结合来实现测距。基于单片机的超声波测距系统易实现，成本低，精确度高，并且容易做到实时控制，具备较强的实用性。这次设计所选用的AT89S52单片机如图3-3所示，有40个引脚的芯片，引脚配置， 是一种低功耗、高性能的含有8K字节快闪可编程/擦除只读存储器(FPEROM- FlashProgrammable and Erasable Read Only Memory) 的 8 位 CMO微控制器，使用高密度、 非易失存储技术制造，并且与 AT89S52指令系统和引脚完全兼容。芯片上的 FPERO允 许

31、在线或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。AT89S52的主要性能包括： 与MCS-52微控制器产品系列兼容。片内有8K字节的可在线重复编程快闪擦写存储器(Flash Memory )。(3)编程所需的所有时序和电压，均不需外部电路供给。存储器可循环写入/擦除1000次。(5) 存储数据保存时间为10年。(6) 宽工作电压范围，Vcc可由2.7V到6V。(7) 全静态工作，可由 OHz到16MHz(8) 程序存储器具有3级锁存保护。(9) 128X8 位内部 RAM(10) 32条可编程I/O线。(11) 三个16位定时器/计数器。(12) 中断结构具有5个中断源和2个优先级。(1

32、3) 可编程全双工串行通道。(14) 空闲状态维持低功耗和掉电状态保护存储内容。AT89C52芯片的40个引脚功能为：VCC电源电压。GND接地。RST复位输入。当RST变为高电平并保持2个机器周期时，所有I/O引脚复位至“1”。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡放大器的输出。ALE/PROG当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字 节。在FLASHS程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外

33、部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行 MOV，MOV指令是ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周 期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN信号将不出现。/EA/VPP:当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH，不管 是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET当/EA端保持高 电平时，此间内部程序存储器。在 FLA

34、SH编程期间，此引脚也用于施加 12V编程电源（VPP。P0 口： 8位漏级开路双向I/O 口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1 口的管脚第一次 写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 / 地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输 出原码，此时P0外部必须被拉高。P1 口： 8位双向I/O 口。引脚P1.2P1.7提供内部上拉，当作为输入并被外部下 拉为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。P1.0和P1.1需要外部上拉， 可用作片内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1

35、口输出缓冲器 能接收20mAt流，并能直接驱动LED显示器；P1 口引脚写入“ 1”后，可用作输入。 在闪速编程与编程校验期间，P1 口也可接收编码数据。P2 口 ：带内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出4个TTL门 电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输 入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在 给出地址“ 1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容

36、。P2 口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号 和控制信号。P3 口：弓I脚P3.0P3.7为带内部上拉的双向I/0弓I脚。P3 口的输出缓冲器能接收 20mA的灌电流；P3 口写入“ 1”后，内部上拉，可用输入。P3 口也可用作特殊功能口， 其功能见表1。P3 口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。本次设计的单片机模块由AT89S52单片机及其外围电路组成，是整个超声波测距仪 的核心电路。AT89S52功耗低、性能高其具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程

37、，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和 在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的 解决方案。PDIPP1.OC1絢wepi 1 Cs3M丄他网II1JC4JTm加冲PHC»H PtiiAra4-umi; Pts 匚«3S曲 30)meT34«uRfiTC*yRMDJP3 0C10313FJWPP(DSD) P3 1 匚11 »rIHT6-. P3.2 匚城76 pkRilHTIjPj.jC怙jaF3.4 匚14IT Pl典仙(Tf)iPMtIt»D»4 (M3?£

38、W)P3 7 匚ij円kxtalj 匚W29MALICn PJ 1 (AB)CNOC® 21图3-3单片机电路结构在89S52单片机的引脚RST接持续两个周期的高电平时，单片机内部就执行复位操 作。若是引脚保持保持高电平，则单片机处于循环复位状态。实际应用中，复位操作有两种基本形式：一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的，请求在打开电源、单片机自动复位操作。RST引脚上电瞬间获得高电平，随着电容C1的充电，RST引脚的电压将逐渐下降。RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。单位电路的目：在需要的时候，单片机复位，保证正常的工作循环，如图3

39、-4所示。3.3VR510KR44牛1K士C10 二0.1tRSTC111图3-4复位电路超声波换能模块目前被大家熟知的避障测距技术主要有激光、毫米波雷达、摄像系统、红外线、超 声波等一些测距技术，不同的目标探测方式其工作过程和原理有不同之处，但它们的主 要目的都是通过前方返回的探测信息来判断距离。各可测距传感器的比较如图3-5所示。囹軻引鬚測匪世龍比较,*翅声滥卢亳米;鳩汽a总10h+'IOji*jA：于大于诃达150*«丽i时间降*10 - 認収决于竝理时匚宙1LW1较快“¥1 lCna*J採头倔损，再望尊几乎聂餾斡囱不尢，直接盛临林比济元一気工 作机理筒拐30

40、币3天于1000元*丈于1豌元，術民貴，结 构坯肖S0d亓环崎适応住讯可竝差，怛在 见團蒯比畠可M不0璟件下无逹工作+见度談館峑受降环图3-5各传感器性能比较综合以上考虑和实际应用条件，所以本设计测距模块采用的是超声波方案，并在超 声波测距技术方案的设计上进行了简化和改进。超声换能器按照发射与接收是否同体可分为收发同体与收发分体式两种。其中收发一体式就是发送器和接受器为一体的传感器，即可发送超声波，又可接受超声波；收发 分体式是发送器用作发送超声波，接受器用作接受超声波。为了操作的简便，本次超声波导盲系统选用的是HC-SR04超声波测距模块如图3-6所示图3-6 HC-SR04超声波测距模块实

41、物图HC-SRO 4超声波测距模块可提供 2cm400cm的非接触式距离感测功能，精度可达 2mm模块包括超声波发送接收和控制电路。Vcc供5V电源，GNC接地，TRIG触发控制信号输入，ECHC回想信号输出。基本工作原理：（1）采用IO 口 TRIG触发，至少给10us的高电平信号；（2）模块自动发射8个40KH的方波，自动检测是否有信号返回；（3）有信号时，通过IO 口 ECHO输出高电平，高电平持续时间就是超声波从发射 到返回的时间。这是一款压电陶瓷式收发同体超声波传感器。 其中心频率为40KHz发射声压在10V, 0dB=0.02m/Pa的条件下95dB;接收灵敏度在 40KHz中心频

42、率，0dB=10V/pa的条件下 >-65dB;静电容量为1260pF2340pF探测距离为0.23m； -6dB下的指向角为60o。 其发射声压方位特性图如图3-7所示。图3-7发射声压方位特性图HR-SR0 4型超声波集成模块的工作电压为5V,而且此模块的静态工作电流是小于2mA勺，工作时候相对稳定。测量角度为15°，减少了可能存在的角度干扰问题。此模 块的测距范围为2 cm5 m,能基本满足测距要求，而且其精度可以达到0.3cm，盲区仅为2cm完全可以能够满足本设计的测距要求， 测距也比较稳定。采用I/O触发测距, 需给至少10 us的高电平信号。HC-SR04fe气参数

43、如图3-8所示。电r參数HC-SR04超声波模块|丄作电压DC 5 VT作电流1 5mAT.作频率40Hz垠远射程4m最近射程2cm测量角度15度|输入触发信兮IOuS的T丁L脉冲输出冋响信号输刑TTL申信号* 口射称成比例规格尺寸45*20*15nmi图3-8 HC-SR40电气参数换能电路部分主要包括超声波信号产生功率驱动。实际目的是为超声波发射器提供 它所需要的脉冲电信号。依据电路需要，发射电路满足下列要求：(1) 振荡电路振荡频率可调：振荡电路的实现目的是为超声波传感器提供 40KHZ永冲。当加载在超声波传感器的两端的信号频率与其固有频率为同一频率时，发生共振, 电信号电能高效率的转化

44、为机械声波机械能。本设计所使用的为555振荡电路，如图3-9所示T要求产生出具有一定功 由发射器将电能转换为图3-9 555振荡电路(2) 驱动能力较高；图3-10超声波传感器驱动电路原理图驱动电路是为超声波发射器提供足够功率的脉冲信号 率，一定脉冲宽度和一定频率的超声电脉冲去激励发射器， 超声机械波机械能。如图3-10所示超声波传感器驱动电路原理图。I/O 口控制。功率驱动电路功能是用来对超声波换能器进行功率驱动，经过驱动放大达到足够功率之后，推动超声波换能器产生超声波。超声波在空气中会随着传播距离的增加而衰减，经过目标反射回来的超声波的回波信号弱，在距离较远的情况下只达毫伏级，甚至微伏。因

45、此为了加大超声波测距系统的 量程范围，需加以驱动电路如图 3-11所示。根据电路需求，接收电路的功能是将接收 到的微弱信号放大并进行滤波整形。接收电路部分主要包括限幅保护电路、带通滤波电路、比较放大电路三部分电路构 成。采用集成运算放大器构成的放大电路具有放大倍数高，输入电阻高，输出电阻低的 特点，是一种直接耦合式放大电路。这种电路比较简单，放大倍数容易调整图3-11超声波驱动放大电路原理图本次设计选择了各项性能优越的LM387作为放大器，其能充分满足放大的要求，可 双电源供电，考虑到电源的问题，采用单电源供电，因此设计了电压跟随器提供4V的基准电压，可以有效防止干扰。由于回波信号非常弱，一般

46、为毫伏级，其能量的衰减程 度与传播距离成正比，所以超声波传感器的接收信号一般在10mV- 60mV之间，因此由LM387构成了三级放大电路，每一级放大 10倍，共放大1000倍左右，完全能够满足要 求，并且三级放大可选，可以根据测距的远近选择合适的放大倍数。此超声波模块可提供10cm500cm勺非接触式距离感测功能，测距精度可在 1cm 基本工作原理：(1) 采用I0 口 TRIG触发式测距，至少给10us的高电平信号；(2) 模块自动发出8个40KHZ的方波，自动检测是否有信号返回；(3) 有信号返回时，通过I0 口 ECH(输出一个高电平，高电平持续时间就是 超声波从发射到返回的时间。使用

47、者到障碍物距离 =(高电平时间*声速)/2;超声波总体电路见附录1语音播报模块设计考虑到产品的使用人群为盲人，因此采用的是语音示警和播报的形式。使用者可以 通过开关按钮播报实时温度和时间，进行时间播报。语音芯片采用SYN6288中文语音芯片如图3-12所示。该芯片继承了 0SYN018语音 芯片的优点：最小SSOP28L占片封装、硬件接口简单、低功耗、音色清凉圆润、极高的 性价比；除此之外，SYN6288在识别文本/数字/字符串上更智能、准确，语音合成效果 也比较好。SYN6288语音合成效果和智能化程度均得到大幅度提高，是一款真正面向中 高端行业应用领域的中文语音合成芯片。SYN6288语音

48、合成芯片的诞生，将推动 TTS语音合成技术的行业应用走向更深入、更广泛。、杯tt”匚1 0VIHIKNlC2rTiBb弹IOT匚I K DBA縮莎剛秒！JT4M厂|耳fHJTIWh匚534二|葺E3 UOU.M 匚A31、抽iKH匚TH霜2:1JlrriwIM匸二 IHMim 口 W匚10|驴 hm呻1匚IILH巴17二| ¥ WIZ远|£MIJA图3-12 SYN6288中文语音芯片引脚图引脚定义：1, 3引脚接总线模块0电源负极；2引脚接总线模块0电源正极；4引脚接低 电平表示CHIP空闲，可接收上位机发送的命令和数据 高电平表示CHIP忙，正在进 行语音合成并播音；5

49、引脚接Res引脚；6引脚接总线模块1电源正极；7引脚 接总线模块1电源负极；8,12引脚接语音输出模块电源负极；10引脚接语音输出 模块电源正极；9引脚接推送DAC语音输出1；其功能特点：(1) 支持GB2312 GBK BIG5和UNICODES码格式的文本；(2) 清晰、自然、准确的中文语音合成效果；可合成任意的中文文本，支持英文 字母的合成；(3) 具有智能的文本分析处理算法，可正确识别数值、号码、时间日期及常用的 度量衡符号；(4) 具备很强的多音字处理和中文姓氏处理能力；(5) 支持多种文本控制标记，提升文本处理的正确率；(6) 每次合成的文本量最多可达200字节；(7) 支持多种控

50、制命令，包括：合成、停止、暂停合成、继续合成、改变波特率 等；(8) 支持休眠功能，在休眠状态下可降低功耗；支持多种方式查询芯片工作状态；(9) 支持串行数据通讯接口，支持三种通讯波特率：9600bps，19200bps、 38400bps；(10) 支持16级音量调整；播放文本的前景音量和播放背景音乐的背景音量可分 开控制；(11) 可通过发送控制标记调节词语语速，支持 6级词语语速调整；(12) 芯片内固化有多首和弦音乐、提示音效和针对某些行业领域的常见语音提示(13) 内部集成19首声音提示音，23首和弦提示音，15首背景音乐；(14) 内置10-bit推挽式(push-pull)、可独

51、立供电的功放，进行数模DAC俞出;(15) 最终产品提供SSOP贴片圭寸装形式；体积业内最小；(16) 芯片各项指标均满足室外严酷环境下的应用；根据设计方案要求及芯片功能，设计语音模块电路如图3-13所示114-115一 ISI一rla-117-2- 飞 皿：姫益篇皿專g 3丄，nlrTI一，H1T71韦二一亠亠亠垄12图3-13语音电路原理图温度检测模块和时钟模块的设计考虑到盲人看不见的实际情况，为了更好的服务盲人这个特殊群体，本设计还有温度 检测模块和时钟模块，由开关控制，可以通过语音芯片进行实时播报。考虑到整体电路 和使用的实际情况，本设计采用高性能低功耗的时钟芯片HYM1302ffi

52、DS1820单总线数字温度检测模块。HYM1302为可慢速充电的实时时钟芯片，包括实时时钟日历和31字节非易失静态RAM可在功耗非常小的下正常工作，消耗小于1uW寸能够进行数据存储。工作电压范围在2.0V5.0V，3线接口与单片机通信，HYM130引脚与内部结构如图3-14示。3 Ji 匚匚匚 I3EJ 罰Ved 石IT1麵at军元弓计也T计股VPJCrt译B.Pt* 9CLKT.*a9ft1W功1X.IJC2蘊剧 Hr ii/iM.7审歼tn林入4GND8畑砸电擄电黑仁咗Vent亢宅岭制二-hl I U¥Mno2<IWNM 1 I WK' 1J02 I . U NI

53、|l图3-14HYM1302引脚与内部结构图3-15时钟模块电路原理图温湿度的检测有许多方法，可供选择的器件和运用的技术也有多种。但是温湿度检 测系统的设计方案应在满足系统整体性能指标的前提下，充分考虑系统使用的环境，所 以所选的结构要尽量简单实用、易于实现，器件的选用要着眼于合适的参数、稳定的性 能、较低的功耗、低廉的成本以及较好的互换性能。既要达到设计的要求，又为了减少 外部模块对单片机的负荷，减少接口数量，温度检测模块选择DS1820单总线数字温度检测模块，其独特的单线接口，只需1个接口引脚即可通信，不需外部元件不需备份电 源，温度测量范围可达到-55 C到+125C。弓I脚说明如图3-

54、16所示。L4 MiftVIMUI创脚PH3571弓51GMI-IH33%sjil Vaiiw.有n图3-16 DS1820引脚说明图3-17温度检测模块原理图灯光示警模块设计示警方式通常有灯光示警，用闪动的指示灯来警示人；其次是声音示警，发出特定 的语音提示； 在选择警示电路时，需要使其硬件结构简单，编程简单。此次设计除了 语音警示外还添加了人性化的光控制 LED灯示警系统，为了方便夜晚时提醒路过的车辆 和行人避让盲人所设计。采用光敏电阻控制示警灯开关，当夜晚光线变暗时，光控制系 统导通，给警示灯供电。光线采集电路如图 3-18所示。图3-18光控制电路原理图稳压电源模块的设计电源电路目的：

55、给控制电路及其它电路提供一个稳定的电源。电源设计是电路设计很重要关节。它的稳定与否涉及到电路是否能稳定工作。本 次设计采用可稳压芯片LM7805是最常见的三端稳压集成电路，用其组成稳压电源所 需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、 方便，而且价格便宜。如图3-19所示，为电源稳压电路。图3-19电源稳压电路原理图3.4本章小结本章主要介绍硬件的模块化。对设计实现的功能进行了总的概述阐述了硬件设计的 思路和构想，并根据要求，说明了各个模块所实现的功能。对系统的整体设计理念、方 案做大致的介绍，并详细讲解核心部件主要器件的参数，以及硬件设计原理框图。4. 智能导盲拐杖软件设计软件设计也就是程序设计，用计算机所能识别的语言把所需实现的功能的逐一描 述，也就是计算机程序的编写，在设计软件系统时，系统程序是整个系统的中心部分， 协调着各模块功能的正常运作。软件的编写是相当重要的部分，软件的质量影响着整个 系统实现功能的效果，系统功能决定着应用程序的设计。4.1系统软件设计语言本次设计用C语言作为程序软件设计语言，它的特点就是可以尽量减少你对硬件进 行操作，C语言具有良好的程序结构，适用于模块化程序设计，因此采用C语言设计单片机应用系统程序时，首先要尽可能地采用结构化的程序设计方法，将功能