【《智能导盲仪硬件系统设计案例分析》5600字】

通过计算在空气中时，超声波的传速及其传播时间，可以推算出超声波的测距结果数据。通过分析超声波从发出信号波，到收到回波之间，所用的时间，测量出声波在这段时间内的移动速度。最终就能得知超声波与障碍物之间的距离。由于空气质量的不稳定性，各类超声波在传播过程中，将会受到约束，此时在进行超声波测距的时候，超声波触碰到障碍物时所产生的的回波不能顺利处理信号。体系针对障碍物所做的测距一定要保证是在合理限制内，在系统在规定的区域内接触到障碍物时，就会通过语音芯片发出提醒。语音播报这一部分的关键功能在于，它能够接收回波信号，并把模拟量变成电量，以此给单片带来脉冲，再利用带有脉冲的单片来管理语音播放提示。以控制为主要功能的ATC89C51RC单片机，运行内容就是管理语音输出、语音警报、以及控制灯光的开关。在整个电路设计中，稳压电源属于非常重要的环节，它能够促使电路工作维持稳定状态，另外电源的稳定性也会使电路的安全和寿命得到保障。关于智能导盲的拐杖硬件电路设计，它是一套包含很多模块的体系，其主要内容有：第一、单片机；第二、超声测距体系；第三、开关控制体系；第四、温湿度采集体系；第五、声光报警体系；第六、电源等。在对整个导盲系统进行设计以前，要充分认识每一个体系部分之间都能产生什么样的相互作用。为了使每个模块的功能得到最大程度的发挥，要将每部分都更加细致的单独理解，深入研究每块单独模块内容的引绪功效。关于超声波导盲系统的设计原理，是在整个导盲体系中，通过利用ATC89C51RC单片机，发挥其控制作用，使得整个导盲体系得以正常运行，在这个过程中，其采用的测量距离的方法是“回波法”。具体参考图片3-1。图3-1智能导盲预警系统结构框图关于超声波的导盲系统，主要是由以下几个部分构成的：发挥控制作用的单片机、控制超声波发射和接收的电路、显示的电路、提供示警的语音模块、灯光示警模块；第五部分是、控制核心芯片。为确保语音芯片能够正常运行，要先使单片机得到传感器发送来的信号，使其创造出能与芯片相互结合的低电平，由此语音芯片便能通过振动，或者语音的形式给予回应。具体参考图片3-2。调试功能测试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）单片机控制模块在整套导盲体系中，由于单片机是中央处理器，它可以对数据进行合适的传送与研究。所以可以说它系统中是智能性最强的一部分。（2）超声换能模块超声波通过其激励脉冲和探头的运行，完成发射工作。具体操作为：利用单片机，对超声波产生激励脉冲，然后将此传播给探头。超声波的信号回拨电路主要分为以下几个不同的类型：控制前置比例放大的电路、操控程序的电路、用来对声波的信号进行过滤的电路。通常情况下，要确保超声波运行，要把其碰到障碍物所产生的回波，变成电池电压。然后经过放大器对声波进行放大处理，同时使用滤波器对声波中的杂音进行过滤，才能得到各方面都符合运行标准的信号，只有这种经过处理后的信号才能被处理。（3）电源模块电源部分的主要功能，顾名思义就是给全部的导盲体系带来电量来源，避免由于电源的问题导致体系无法正常工作。（4）语音播报模块主要是实时距离语音播报，快闪躲避的语音提醒。（5）快闪检测模块这部分的主要工作内容是：当导盲体系中的探头和体系以外的东西，以超高的速度运动导致距离越来越小的时候，快闪检测可以及时为体系提供必要的语音警报。ATC89C51RC是一个高性能CMOS的8位存储单片机，拥有8K字节的可编程闪存，并具有低功耗的特点，使用的是Atmel国际公司高密度非丢失性存储器的制造技术，引脚与采用同样技术的8031和80C51是完全兼容的，主要得益于所采用的制造工艺的相同[6]。并且，当周围环境是静止的状态时，ATC89C51RC单片机不仅能够正常运转，还同时能够在运行过程中，选择节约用电的模式。当单片机不在运行的时候，虽然cpu也随之不再运行，但此时依旧可以查看RAM。定时器，串口等一些简单的构成部分还能进行正常的工作运行。如果单片机发生了瞬间断电的情况，它会自动执行保护工作，智能化的对RAM进行保存，使振荡器也停留在静止状态。想要单片机能够正常工作，电源是必不可少的前提条件。ATC89C51RC具体参考图片3-3。图3-3ATC89C51RC引脚图引脚说明P0口：在执行Flash程序的过程中，此开口也具备接收指令的功效。P1口：它同样也是一个具备八位电路的双向的I/O口，与p0不同的是，它可以对电阻进行内部上拉的运行，并且它在同一时间内，可以支撑四个TTL电瓶的工作。这篇论文的系统设计主要是以ATC89C51RC单机片，作为控制模块，加上其他的一些外部电路共同组建成一套完整的导盲体系，图片3-4当中，详细标注了这个导盲系统中最主要的中心模块。ATC89C51RC是一个高性能CMOS的8位存储单片机，拥有8K字节的可编程闪存，并具有低功耗的特点[7]。通过建立Atmel，使得产品订单能够和引续内容彻底结合。单机片中的Flash一边能对程序进行保留，同时也能够完成更改程序的工作。在单一芯片上，具有8位CPU的系统内可编程Flash与多变的ATC89C51RC提高了生产产品的灵活度，并超有效的解决了嵌入式控制方案在电路中的应用。图3-4单片机电路结构ATC89C51RC模块的单片机在运行过程中，必须保证有两个周期的高电平不停的为其中的RST引脚相接，这时，单片内正在进行归位的操作。这也就意味着，只要单片机的引脚情况始终为高电平，那么可以证明单片机是在不停的循环运行。在单片机的具体运行中，其工作循环模式主要包括以下两种：第一种、上电复位；第二种、按钮和上电相结合的循环。通俗的说就是，当按下电源开关，单片机就开始循环运行。在这个状态下，将给引脚带来高电平，C1开始输入电量，于是电容双侧产生电压，以此使引脚的高电压得到缓慢下降，最终达到平衡关系。之所以将电路归位，主要是为了的目的满足其设计需求，从而修正之前的错误，确保电路的正常循环，如图3-5所示。图3-5复位电路随着全球科技水平的不断提升，现阶段人类掌握的测距方法非常丰富，最常见的包括以下五种：第一种是通过利用激光技术来进行测距工作、第二种是通过毫米波雷达来对超声波进行距离测量。第三种方法是结合镜头录像的体系、第四种方法是通过红外线照射计算其光线长度、第五种就是通过超声波本身发送的信号波来测量距离等。因为每一种测量超声波距离的方式都不一样，其运用的基础理论知识也各自是不一样的。不过不管是哪一种测距方式，都具备一个前提条件：要对信号的发射和接受回波的过程有清晰的了解。具体情况参考图片3-1。表3-1各传感器性能比较超声波红外线摄像系统毫米波雷达激光最大探测距离10m10m大于100m大于150m可达到150m响应时间较快约为15ms慢110ms取决于处理时间快可达到1ms较快约10ms探头磨损，污染等因素的影响几乎没有影响影响不大大，直接影响分辨能力较小很大，使探测距离减小1/2～1/3成本比较探头约一支20元，工作机理简单，探头易安装约80元大于1000元大于1500元价格昂贵，结构复杂约500元环境适应性好，可以在恶劣环中工作差，但在能见度低时比其他光学系统好差，可见性不好条件下无法工作较好，不受能见度影响差，受恶劣环境影响通过表3-1的数据我们可以对各种测距技术进行相互对比，由此我们得知，本篇文章提到的设计，所采用的测距方式是最为简洁的，且最贴合设计需求。不过尽管如此，我们还是得对超声波技术做出不断的改善和优化。通过断定发射模块和接收模块是不是采用的同一个超声换能器，能够将其分别看做两种不同的模式：第一种叫做收发同体，顾名思义，在此模式下，声波信号的接收和发射采用的是同一个超能传感器；与之相对的便是第二种，叫做收发分体，在此模式下，声波信号的发射和接收仅通过一个超能转换器是无法实现的。这次设计中，之所以使用HY-SRF05的模块，主要原因是，减少设计成本，是电路操作更加简洁方便。图3-6所示为超声波的超声波测距模块的实物图。图3-6HY-SRF05超声波测距模块实物图该模块能够做到在不触碰障碍物的情况下，在2-450厘米的测量范围内，准确的进行测量工作，并且把结果误差控制在三毫米以内，模块带有两个电路，一个用来接受声波信号、另一个用来发送信号。几个引脚的功能各自是VCC接5V电源，GND是接地的，TEING是通过触发来控制信号的输入，ECHO的功能是回想信号的输出[8]。运行过程中所采用的基础理论：有信号发射或接受时，通过I/O口的ECHO端口输出高电平，超声波从发射到返回所使用的时间就是高电平连续工作的时间[9]。以下将针对压电陶瓷式收发同体超声波传感器进行细致的论述。此传感器的主要频率是40kHz，这个频率没有超出接受范围，其发射电压为10V，当大气压指标在0dB=0.02m/Pa的环境中时，传感器是≥95dB；当大气压的环境是0dB=10V/pa，传感器≥-65dB；声压方位发射特性图参考图片3-7。图3-7发射声压方位特性图HY-SRF05型超声波集成模块，在运行过程中其电压是5V，同时，在静止状态下，这个模块在运行过程中，电流会维持在两毫安以内，并且电流较为平稳。由于测量时的不同角度，会给测量结果造成影响，所以为了使超声波的距离测量结果更加精准，就将测量角度固定位标准的十五度。这个超声波模块能够进行2cm～5m的测距，基本上符合本设计的要求，并且测量精度也比较的高可用达到0.3cm，盲区仅为2cm，完全可以能够满足本设计的测距要求，测距的时候数据的波动也比较小，很稳定[10]。在I/O的接触点，需要给我们至少10us的高电平信号。HY-SRF05电气参数参考图片3-2。表3-2HY-SR05电气参数电气参数HY-SRF05工作的电压DC5V工作电流15mA工作频率40Hz最远射程4.5m最近射程2cm测量角度15°输入触发信号10us的TTL脉冲输出回响信号输出TTL电平信号，和发射距离成正比规格尺寸45*20*15mm超声波传感器的运行，离不开换能电路，其发射器在发送信号时，也要具备足够的脉冲信号作为前提。本设计在发射电路过程中，必须具备以下特征。（1）振荡电路振荡频率可调振荡电路在工作运行中，制造出了四十赫兹的脉冲信号，这个脉冲信号将会被输送给超声波探头。（2）驱动能力较高超声波发射器需要功率足够大的脉冲信号，它是驱动电路在运行中通过震荡形成的。在这以后，我们还的重视其宽度、功率频率等，要确保这些条件的固定性，不然万一发生了变化，会导致发射器不能正常工作。它会将接收到的脉冲变成机械波。（3）I/O口控制声波传感器的工作动力来源于功率驱动电路，这个电路的功率被放大以后，才能保证传感器的正常运行，使传感器能够顺利发送声波信号。当传播环境为空气时，超声波的强弱，取决于其距离的长短，通常被障碍物反射回来的回波信号都不是很强，假设说物体的和波之间距离太大，那波的能量可能会被被减弱到仅有毫伏单位，更严重的可能只能达到微伏单位。由此可知驱动电路的主要作用就在于扩大测距区域。现在，我们必须处理的事情是增强信号强度，将较为弱的信号通过驱动电路的功率放大，在进行声波过滤。以此加强声波信号。该模块能够做到在不触碰障碍物的情况下，在2-450厘米的测量范围内，准确的进行测量工作，并且把结果误差控制在三毫米以内，模块带有两个电路，一个用来接受声波信号、另一个用来发送信号。模块运行的基础理论：（1）通过触发I/O端口TRIG，电平信号至少要达到10us。（2)针对8个的40kHz的方波信号，发射探头具备自动对其发射功能，同时他可以自动检测信号有没有产生回波。（3）有信号发射或接受时，通过I/O口的ECHO端口输出高电平，超声波从发射到返回所使用的时间就是高电平连续工作的时间[9]。导盲仪的生产，自然是针对盲人而设计的，那么在设计中，我们只能通过语音示警来告诉盲人道路信息。点击开关按键，盲人便能顺利使用导航仪听到语音播报。参考图片3-8可知，语音芯片在运行工作内容时，使用了ISD4004芯片，它主要具备以下几项优势：第一、它的贴片封装是最小的SSOP28L；第二、简洁明了的I/O接口；第三、功耗极低；第四、音质比较好；第五、价格十分划算；并且，此芯片可以精准的自动识别各种字符。这一优势意味着语音芯片的智能化迈入了新的发展阶段。它的可利用范围十分多，特别在中国，它的市场可发展性很强。总之，这款语音芯片的诞世，极大程度的促进了TTS语音合成技术水平的全面提升，有利于扩展其在各个行业的市场。图3-8ISD4004中文语音芯片引脚图引脚概念的说明能够1引脚和3引脚完成线路对接的，是总线模块为“0”的电源负极；，2引脚与之对应，是和总线模块“0”的电源正极相连接；当电平状态为低电平时，芯片无法正常运行。这意味着，芯片在进行工作时，可以利用主机达到高电平，从而完成语音合成和广播的目的。Res引脚和5引脚之间进行电路的相互连接；6引脚则与总线模块为“1”的电源正极对接；7引脚则与之相反，接在总线模块为“1”的