【《某智能导盲杖系统的硬件和软件设计案例》3500字】

III某智能导盲杖系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u32156某智能导盲杖系统的硬件和软件设计案例 132652第1章系统硬件电路设计 1126931.1系统总体框图 1135281.2主控电路 2235901.3程序下载电路 370151.4倒地报警模块电路 494301.5语音模块电路 5161001.6超声波测距模块 6271011.7电源电路的设计 6268701.8光照模块电路 726960第2章系统软件电路设计 8138902.1软件系统的总体流程图 8206352.2超声波模块部分程序设计 8318652.3报警模块部分程序设计 9196652.4MP3模块 10209582.4本章小结 1119113第3章系统整体功能调试与测试 12189143.1测量方案及条件 12192223.2超声波测距测试指标 12224793.2倒地报警模块测试指标 1266163.3MP3模块测试 1439893.4光照传感模块测试 14239403.5本章小结 15第1章系统硬件电路设计使用STM32F103C8T6芯片为本系统的主要控制核心，硬件电路包括超声波避障模块、倒地报警模块、语音播报模块、光照传感模块电源模块这五大部分构成。整个系统硬件框图如下3-1所示。1.1系统总体框图图3-1系统整体硬件框图1.2主控电路本文以STM32F103C8T6作为主控芯片，这是一款基于ARMCortex-M内核的微控制器，工作频率高达72

MHz，还具有128K的程序存储器，损耗功率低耗电少，对于所连接模块反应迅速，具有80多个外设I/O口和超低功耗，功能较完备，其温度在-40~85℃，对应导盲杖无论在严寒还是酷暑都可以正常使用，可以满足本设计多功能的要求。下图3-2为STM32F103C8T6单片机与外设接口的原理图：图3-2STM32F103C8T6芯片原理图1.3程序下载电路Ch340是一个USB总线的转接芯片，可以用于USB连接串口进行信息传输。利用串口传输数据，ch340可用于5V电压，同时1.3V也可进行转接。SS8050是中功率NPN型三极管，用于小信号放大的作用。其结合完成的程序下载电路如下图3-3所示：图3-3程序下载电路原理图1.4倒地报警模块电路本设计采用MPU6050模块对导盲杖倾斜度进行检测，通过三维角度传感器将信息进行传输。导盲杖通过采集固定在其内部的陀螺仪姿态，根据卡尔曼滤波解算出欧拉角并以此来判断拐杖的姿态。当导盲杖的倾斜度偏离设定值大于60°并且这个角度一直持续在5秒后，则会触发电路，判断盲人倒地，蜂鸣器发出报警信号，吸引行人注意，让行人知道盲人遇到危险，可以对盲人进行及时获救。其MPU6050陀螺仪和蜂鸣器原理图如下3-4所示：图3-4倒地报警模块原理图1.5语音模块电路语音播报模块采用LM358放大器，其输入、输出端为两者不同的信号，分别为模拟信号和二进制信号，利用滑动变阻器达到改变其输入电压的作用，差分放大电路是否能有效放大交流信号是由输入输出的电压差值决定的，其输入输出电压也会对零点漂移现象产生影响。ISD1820模块不需要单片机就能正常工作，经过LM358功率放大的语音一般可以驱动5W内的8欧姆喇叭，采用边沿触发发出声音，当出现上升沿高电平，芯片开始录音，当REC变低，录音结束，到此为一个周期。为了提高音质采用了2.7K的电阻。组成的语音模块原理图如下3-5所示：图3-5语音播报原理图1.6超声波测距模块本模块采用HC_SR04作为测距工具，其测量的方式是通过连接控制口发送一个10us以上的高电平，当信号发送时就可以进行定时器计时，之后可以在接收口自动检测是否有信号返回。当出现低电平信号，表示此段信号传输结束，只需测量出高电平持续的时间，利用所给出公式经过计算即可测出障碍物距离，测试距离的公式如下式1.1，HC_SR04超声波实物图如3-6所示：测试距离=（高电平*声速（340M/S）)/2式1.1图3-6超声波实物图1.7电源电路的设计本设计采用18650锂电池供电，采用AS1015降压开关电源芯片，输出端加一个反馈，用于调节PWM占空比，稳压芯片提供5V电压，选用RT9013稳压芯片为系统提供1.3V电压。为了确保其稳定性，输出端可接入一个1uF的电容。下图3-7为电源供电原理图：图3-7电源供电原理图1.8光照模块电路导盲杖加入一个光敏电阻电路，通过检测光照强弱，区别当时的是光线足够还是不足。当外界光线足够，导盲杖的LED灯条没有反应保持状态，当外界光线较弱时，导盲杖的LED灯条会被打开并处于常亮状态，以便可以在在光线不足得地方起到提醒路人的作用，以此保障盲人出行的安全性。光敏模块原理图如下3-8所示：图3-8光敏电阻模块原理图第2章系统软件电路设计2.1软件系统的总体流程图上一章主要介绍了智能便捷导盲系统的硬件电路，但是电路中的各部分模块功能能否实现还要去软件程序相结合，如果硬件可以比喻成人的外貌，那么软件就是内心，去看一个人这两者是分不开的，电路系统同理，因此需要软件与硬件两者相结合才能实现全部功能。系统软件设计程序的开发主要在keil5编程软件平台上实现的。主要包括超声波测距模块、倒地报警模块、MP3模块系统总流程图如下图4-1所见：图4-1系统总流程图2.2超声波模块部分程序设计根据超声波原理可得超声波程序流程图如下图4-2所示，控制口输入10us的高电平脉冲信号，模块内部进行信号循环，定时器开始工作，检测到有回波下降沿触发，停止定时器工作，从而计算出超声波距离，将数据存储。图4-2超声波程序流程图2.3报警模块部分程序设计本系统采用MPU6050陀螺仪模块结合蜂鸣器组成报警模块。通过陀螺仪检测导盲杖的X轴和Y轴、Z轴角度，判断其倾斜度的改变程度，将导盲杖的最大速度值和导盲杖倾斜角度值写入程序中，当倾斜角度和速度超过一定范围时，蜂鸣器就会发生生报警，吸引路人的注意，帮助盲人可以更早被发现。其程序流程图如下图4-3所示：图4-3倒地报警程序流程图2.4MP3模块MP3采用串口发送指令的形式播放歌曲，通过发送相应的指令，做出从机处理，判断其指令是否正确，如果不正确则重新发送，发送正确的指令进入到串口收发模式，根据按键控制，即可达到放歌操作。串口采用5V的电平进行适配，协议中所有数据都是表示十六进制数据。其程序流程图如下图4-4所示：图4-4MP3串口传输程序流程图2.4本章小结本章详细介绍了智能导盲杖的各部分程序流程图，以及介绍智能导盲杖的部分C语言程序。通过软件流程图，加上程序分析不但能更方便的进行程序软件的编写，还能更清晰的理解程序原理。第3章系统整体功能调试与测试3.1测量方案及条件本设计采用的方案是在室内进行，使用超声波模块，通过手拿智能导盲杖的方式，超声波传感器对准障碍物，进行实际距离与测试距离测距之间的误差测试。倒地报警模块，利用MPU6050三维传感器通过I2C 接口连接数字传感器，追踪导盲杖的倾斜度，从而实现报警。MP3模块是利用串口发送相应的指令匹配地址是否相符。与stm32通信,测试距离大于50cm小于150cm，蜂鸣器会发出警报，小于100cm非常危险情况下蜂鸣器会紧急鸣叫并进行语音提示发出危险危险信号。MPU6050三维传感器倾斜度大于60°时，会持续触发蜂鸣器报警，吸引路人注意，给出盲人出现危险信号。当MP3接收正确指令，按下按键MP3即会达到放歌效果，再按下按键可达到切歌效果，让盲人可以适当悠闲放松。3.2超声波测距测试指标测试距离经多次实际距离对比，超声波传感器会随着距离的增加误差会越大，但其误差控制在2.5%以内，满足原本要求小于3%的误差。由于HC_SR04此类超声波采用IO口TRIG触发测距，会产生时间误差、传播速度误差，本身系统影响还有与环境也有密切关系，所以当测量的距离越远时，超声波信号强度越弱，空气影响越大，造成误差也高。测试的数据如下表5-1所示：表5-1超声波实际距离与误差测试实际距离（cm）测试距离（cm）误差值（cm）误差比（%）10010111.0%12012221.6%15015332.0%18018442.2%20020552.5%3.2倒地报警模块测试指标利用陀螺仪三维角度对导盲杖进行检测盲人的状态是否处于安全，盲人在行走时，某一个角度偏离预设值时，角速度不为0且大于60°时，蜂鸣器产生报警。陀螺仪测量经过多次测量误差均控制在6%以内，其所测数据及产生的偏差如下表5-1所见:表5-2陀螺仪实际角度与误差测试实际角度（°）测试角度（°）陀螺偏差（°）误差比（%）606111.0%636521.1%677032.4%707543.7%808331.7%陀螺仪产生的误差主要是零漂、温漂，角速度噪声，利用系统运行的时候持续的估计和矫正是一种解决方法，遇到噪声利用ARMA模型解决噪声问题、其偏离图如下图5-1所见：图5-1陀螺仪角度偏离图3.3MP3模块测试给串口发送指令，当发送的指令与数据匹配时，按下按键MP3放出歌声，当指令不匹配是会提示错误，重新发送指令，按下按键也不会有歌声放出，还可通过串口实现切歌。接收到的数据AA表示固定的播放磁盘，1C表示音量增加，00表示播放，06是选择的曲目。由下图5-2可知MP3实现音乐播放模式：图5-2MP3串口调试工具3.4光照传感模块测试本系统的光照传感模块主要是采用光敏电阻对光照强度进行采集，这种传感器对弱光性有较高的探测反应，可以利用光敏二极管管芯具有的PN结特性，利用光照强度强弱来改变电路中电流的大小。通过的电流变小造成光线变弱。当所测电压值超过2000mv此时的电阻过大，造成电流