智能语音导盲系统设计

1绪论

我国曾在上世纪90年代进行过视力残疾情况调查，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数据也

显示⑴，我国有550万盲人，占世界盲人总数l/5o伴随人民生活水平不停进步，让

生活变得越来越简单方便成为了人民普遍追求生活理念。盲人既是我们普通人民中一

员，又是一个特殊群体，他们因为先天或后天生理缺点在日常生活中比我们常人会碰

到更多不方便，不能准确及时发觉并躲避障碍物就是一个主要弊端。假如有一个既轻

巧，又廉价，同时又能及时识别周围障碍物并发出报警信号智能拐杖在盲人手中将会

为盲人生活提供极大地方便。

因为超声波速度相对光速要小多，其传输时间愈加轻易被检测，而且易于定向发

射，方向性很好，强度能够控制，因而人类采取仿真技能利用超声波测距c同时伴随

计算机技术、自动化技术及工业机器人不停出现，测距和识别技术在工业中已经得到

了普遍利用与发展，怎样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

主要了。

1.1课题背景及意义

盲人既是我们普通人民中一员，又是一个特殊群体，他们因为先天或后天生理缺

点在日常生活中比我冶常人会碰到更多不方便和安全隐患。本设计就是为了防止盲人

在行走时与前方障碍相撞。

盲人导盲预警系统利用可极大地减轻盲人行走不便与安全隐患，降低且防止因盲

人不辨障碍而造成事故发生，同时它将对提升人体智能化设计起到主要意义。对超声

波具备传输速度慢，指向性强，能级消耗迟缓，对色彩、光照度不敏感特点进行利用，

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，而且能够进行实时控制等特点。所以这一项技术应用于导盲产

品中将有宽广发展前景。

1.2设计研究内容

本设计中超声波测距设计是依照蝙蝠依靠超声波进行夜间飞行捕食能力和原理，

而且利用现在单片机控制式超声测距系统，利用超声波一来一回确定日标位置原理，

主要是经过超声波传感器发送和接收超声波，然后经过对比分析发射波与碰到障碍物

后回波信息，这么就完成了超声波导盲仪数据采集部分。本设计系统单片机是使用

AT89s52芯片，主要利用原理也是超声波测距方面。经过组装和协调各个硬件完成该

装置硬件部分，该装置能够把盲人前方道路上碰到一定范围内障碍物进行距离探测而

且能够将障碍物距离盲人多少米转换成实时语音提醒，经过语音提醒盲人能够知道

前方是否有障碍物，从而进行危险躲避。该系统有很多其余产品所不具备特点比如：

电路结构简单，元器件价格廉价。电路抗干扰性强。因为盲人在夜晚行走E寸，行人和

车辆不轻易发觉，可能对盲人生命组成危险，所以本设计还需要增加夜间灯光设计。

选择利用光敏电阻，经过检测周围环境亮度就相当于电阻灯光电路通断开关,并把提

醒灯亮度转化为相对要辑红色警示闪光灯。用来提醒来往行人和车辆避让。另外还有

快闪提醒，当有快速物体靠近时，有对应语音提醒。

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背景及意义。对设计研究大致内容做

了概述。

第2章首先是超声波概论以及测距原理注意点，并提出了本设计测距方案。

第3章只要是系统硬件部分首先提出设计思绪然后画出硬件电路设计棚架，然后

详细给出了硬件电路中使用了各个模块关键元器件说明。

2超声波测距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工具，声音在人类发展早期就已经产生了，在我

们所存在大千世界中存在着各种各样丰富多彩声音。在科学发展道路上，声学早就是

一个古老而又充满活力学科。不过人耳朵是听不到超声波信号，大约到了十八世纪，

人们发觉海豚、蝙蝠等生物别具一格然后开始了研究，才发觉自然界存在一个波叫超

声波。声波是一个机械波而且在液体、气体、固体中都是能够传输。按照声波振动频

率来划分，声波能够分为四种不一样高低频率波：频率范围处于16kHz〜20kHz之间

机械振动波汽定义为声波，人耳朵能够听见；频率小于16kHz机械振动声波被称为

次声波；频率高于20kHz机械震动声波被称为超声波；高于10MHz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质点，第二要有传输声波介质，声波

在一些条件下是不好传输。另外单单具备以上两个条件也是不行，质点振动时还不能

随波移动而移动，而且质点只是在平衡点上下进行机械波振动，这就和我们大学物理

所学电磁波原理有点类似，不过区分也很大，比如电磁波也是一个机械波，不过不需

要要有固液气三种形态物质进行传输，还有就是光波与声波也是不一样，光波既是粒

子又是机械也是不需要传输介质；电磁波传输速度和光传输速度一样都是3xl()8m/s,

然而超声波传输速度只有340m/s,从速度上来看超声波速度比电磁波速度慢很多，依

照波理论原理两个相同频率波，波长短能够提升超声波测距分辨能力；超声波在同一

个介质中传输速度是一样，就是你只要传输介质是相同频率不一样是不会改变超声波

传输速度，波波动方向是和质源振动方向是相同，所以说超声波是一个上下振动弹性

机械波，它传输必须要借助于介质分子运动。

折射、反射.、散射、衍射等物理现象通常发生在声波穿过两个不一样介质临界面。

超声波也是一个声波所也具备也具备人耳能听到可听波性质。不过毕竟频率有所不一

样所以超声波总是有她尤其之处，与日常人耳所听到波应该有不一样性质，比如方向

性很好不会随意囚为外囚而改变方向，波加速时间快，最显著特点就是其波长比较短,

最短只有毫米千分之一，足见与可听波相比，超声波确实有很多尤其性质。

超声波传输特征一超声波频率高所以波长就比较短，当超声波穿过障碍物时，障

碍大小尺寸应该比超声波波长大很多，由此我们得出超声波穿过障碍物时衍射将几乎

不可能发生，超声波传输也是定向直线传输除非传输介质不是均匀，依照现在波学理

论，当波长越短时，波是极难发生衍射，所以超声波在这方面拥有其独特一面。

超声波功率特征一当声音在空气中传输时，必定将带动空气中分子或者微粒做着

振源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物理量。科学验证

表明在同一频率下，声波频率越高所产生功率就越大。超声波频率都是大于20kHz,

所以和普通声波相比超声波频率是很大。

2.2超声波传感器

超声波传感器是依照超声波特征研制而成传感器，可用于发射和接收超声波，其

既能够把超声波转换成其余形式能量，也能够将其余形式状态转换成超波存在形式。

利用超声波传感器电路具备以下几方面优点：

（1）测量原理和方法简单，在电路中轻易实现。

（2）测量精准度高，能够准确测出物体距离。

（3）超声波传感器发出超声波具备一定范围，覆盖性广，所以测量时并不需要使

用许多传感器，因为每个传感器都是覆盖一定范围，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距离既不能太远也不能

太近，存在着距离测量近限和远限。距离过远时，接收到信号太弱，以致无法从噪声

信号中分辨出来，这是远限存在原因⑶。在距离过近时，接收信号将落进盲区中而无

法分辨出来，这是近限所以存在原囚。所以，设计中要尽可能减小盲区，网时提升检

测距离精度。

减小盲区方法：

（1）压缩脉冲宽度一传输端采取降低振荡脉冲或单个脉冲幅值方法，降低了余震

（拖尾），这种方法通惯用于短距离测量使用。

（2）采取自动距离增益控制一使用接收放大器必须具备自动增益控制功效，这么

近距离所产生增益将会变小，距离远时增益又比较大，这么就能够使发射信号余震幅

值变得小了，也能够分辨并接收近处返回信号，当然就能够降低盲区了。另外，也能

够时测量远处障碍物时返回信号幅值变大从而提升了距离测量精度。

（3）信噪比问题一超声波测量距离总是有上限。接收信号幅值决定了量程，返回

信号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噪声就

行频谱分析，尽可能是使超声波频率与周I制噪声频率不相同。

2.4超声波测距方案

超声波测距和超声波检测所使用方法是相同。超声波测距大致上能够分为三种方

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精准度

是最高，但这种方法殓测范围并不是很大，声波幅法弊端在于轻易被反射波所影响，

现在超声波测距这一快使用最多方法是往返时间法。往返时间法基本原理就是在晓声

波在某种介质中传输速度，然后经过计算发射不I接收信号分别碰到障碍物时间差来求

障碍物距离，原理图如图2.1所表示。

详细来讲只要激励电路产生一个40kHz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，机械振动然后经过空气分子振动而传送出去，发射超声波

信号在空气中时沿一条直线传输，一旦超声波信号碰到物体就会发生反射卬。传感器

在接收到返回信号后再经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

得到电压信号还是比较微弱，需要经过一个放大器方法后才能够被传感器识别芯片所

采集。

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，当超声波碰到障碍物时超声波就会返回，

然后用超声波接收头来接收超声波反射信号，因为超声波在均匀介质中传输速度是固

定，所以只要知道传输时间就能够简单算出障碍物距离，所以本设计采取双探头方式。

声波是以纵波形式在空气中传输。当尺寸大于对目标物体声波波长将阻止发生反

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传输速度，而且我

们能够经过测量知道超声波发射和接收所知道时间，然后算出时间差就得到了超声波

传输时间了，然后就能够算出障碍物距离⑶。这就是本设计超声波测距原理。木设计

传输介质是空气，采取超声波来测距。

在室温下声波传输速度为339m/s,传输介质是空气，超声波从发射开始到超声波

碰到障碍物返回并被接收时间为t,那么振源距离障碍物距离能够由式（2.1）求得：

d=33550（c/n/5）*r（5）式（2.1）

囚为超声波所经过路径是声源和障碍物之间两倍，所以发射器距离障得物距离应

该是d/2。

单探头方式就是超声波探头发射超声波，然后碰到障碍物后返回，接收返回信号

使用原来发射探头。假设超声波探头与障碍物之间距离为S,则测距如式（2.2）：

S=式（2.2）

2

式（2.2）中：S是所测障碍物距离，c是超声波在均匀介质中传输速度，t是超声

波从发射到被接收所使用时间。从式（2.2）中能够看出，只要声音传输速度已知，在

测量出超声波传输时间t后就能够准备计算出障碍物距离So

2.5本章小结

本章对设计中用到超声波技术进行了一个系统性说明。包含对超声波说明，超声

波传感器优点，超声波测量中盲区及近限和远限，以及此次设计所要用到超声波测距

技术原理。

3智能导盲仪硬件系统设计

3.1设计实现功效

超声波测距是依照超声波在空气传输速度恒定经过统计传输时间来求出距离。依

照从发射超声波到接收到回波时间和声音速度在这个时候传输速度，它能够被用来计

算该障碍物距离。因为空气中衰减，噪音和环境以及电路本身超声波传输具备一定限

制，测量距离，障碍物限制距离回波将不检测；在同一时间，在接收用探头发射超声

波效果，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差值。

系统所测量障碍物距离必须要在上下限范围之内。当系统检测到一定范围障碍物时，

会发生警报和对应语音提醒。

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，然后经过

给单片脉冲，经过单片来实现语音播报控制，从而实现危险提醒，也能够经过语音播

报模块按键来实现实时报距。

AT89S52单片机在预警系统模快作用就是作为开关来控制语音输出模块，还包含

语音警报提醒，夜间LED闪烁灯光，让使用者在灯光比较暗情况下也能确保行路安

全。

稳压电源也是电路设计比较关键部分，一个稳定稳压电源电路能够使电路各部分

运行都比较稳定，另外电源稳定性也会使电路安全和寿命得到保障。

3.2设计思绪

智能导盲拐杖硬件电路设计是一项系统工程，它包括到许多方面，包含单片机、

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、电源等选择。在开

始设计之前，需要对这个设计模块之间关系进行了解。更具实物要实现功效，需要把

模块进行细节化，分析单个模块内部引脚功效，本设计主要是以AT89s52单片机作为

系统控制系统，然后以此来控制各个模块运转，整个系统利用是回波法测距原理，其

结构框图如图3.1所表示。

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，

控制关键芯片。单片机在接收到传感器信号后产生对应低电平使语音芯片开始工作,

语音芯片发出对应振动提醒或语音提醒。本系统工作原理示意图如图3.2所表示。

图3.2系统工作原理示意图

本设计系统主要有以下儿个模块：

（1）单片机控制模块

也就是单片机，是整个系统最智能地方，也是整个系统中央处理器，处理数据传

输和分析

（2）超声换能模块

超声波发射模块主要是由包含超声波激励脉冲产生电路和超声波探头组成，由单

片机经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，分别是前置百分比放大电路、程序控制放大电路以及超声波信号过滤电路。

通常还需要将超声波回波信号转换成电量信号电压，还需经过放大港对信号进行放大

处理然后经过滤波落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供电电源，使系统不会出现电源不稳定影响运行

现象。

（4）语音播报模块

主要是实时距离涪音播报，快闪躲避语音提醒。

（5）快闪检测模块

该模块是当一个物体快速靠近超声波探头是，系统能够有躲避危险语音提醒。

3.4单片机主控模块

AT89s52是一个高性能CMOS8位存放单片机，拥有8K字节可编程闪存，并具

备低功耗特点，使用是Atmcl国际企业高密度非丢失性存放器制造技术，引脚与采取

一样技术8031和80c51是完全兼容，主要得益于所采取制造工艺相同⑹。H±Flash

不但能够把程序存放也可也对程序进行修改，而且他程序与我们平时所使用编程器也

是兼容。在单一芯片上，具备8位CPU系统内可编程Flash与多变AT89s52提升了

生产产品灵活度，并都有效处理了嵌入式控制方案在电路中应用。其具备以下标准功

效：

8K字节闪存、256字节RAM、32个I/O线、看门狗定时器、2个数据指针、3

个16位定时器/计数器、1个6向量2级中止结构、全双工串行口、片内晶振及时钟

电路。

另外，AT89s52单片机可在0Hz时候进行静态逻辑运算，而且还能够支持两个软

件可选性节约用电模式。在空闲模式下，CPU是停顿工作不过RAM还是允许被访问，

像定时器、串口、中止脉冲等还是能够继续工作。当单片机突然失去电之后，单片机

会才去保护方法，自动保留RAM内容，而且停顿振荡器工作，单片机全部运转在没

有电能情况下将被停顿，知道单片机接收到下一个中止脉冲信号或者是按了复位电

路，不然单片机就会,呆持现有状态。AT89s52引脚如图3.3所表示。

140

PIOVCC

239

PHP00

338

P12P01

437

P13P02

536

P14P03

635

P15P04

734

P16P05

833

P17P06

932

REST_P07

1031

P30EA/VTP

1130

P31ALE/PROG

1229

P32PSEN

1328

P33P27

1427

P34P26

1526

P35P25

1625

P36P24

1724

P37P23

1823

XTAL2P22

1922

XTAL1P21

2021

GNDP20

AT89S52

图3.3AT89s52引脚图

引脚说明

(1)P0□：P0□是一个8位漏极开路双向I/O口。作为输出口，每位都能驱动

8个TTL逻辑电平。在P0端口写“1”时，该引脚用为高阻抗输入。当访问外部程

序和数据存放器时，P0□也能够被用作低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0

不具备内部上拉电阻特征。在使用Flash编程时，P0口也被用来接收指令字节；而且

能在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻帮助。

(2)P1□：P1口是一个具备内部上拉电阻8位双向I/O口，P1输出缓冲器能

同时驱动4个TTL逻辑电平。P1口，写“1”时，内部上拉电阻拉端口，它能够被

用作输入。作为输入时，引脚被外部拉低原因是因为内部电阻或者输出电流。

另外，P1.0和P1.1还能够分别作定时器/计数器2外部计数输入（P1.0/T2）和定

时器/计数器2触发输入（P1.1/T2EX）。在编程和校验时候，端口接收低8位地址字

节。

引脚号第二功效：

P1.0T2（定时器/计数器T2外部计数输入），时钟输出。

Pl.1T2EX（定时器/计数器T2捕捉/重载触发信号和方向控制）。

Pl.5MosI（在系统编程用）。

Pl.6MISO（在系统编程用）。

Pl.7SCK（在系统编程用）。

（3）P2n：P2口也是一个具备内部上拉电阻8位双向I/O口，P2口输出缓冲

器能驱动4个TTL逻辑电平。P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口，那么你能够

使用作为输入端口。当被作为输入时，外部向下引线因为内部电阻和输出电流。当访

问外部程序存放器或读取外部数据存放器（如执行）与位地址，端口发送高八地址。

在这种应用中，P2口必须使用很强内部上拉电阻来发送lo在使用8位地址（如

MOVX®RI）访问外部数据存放器时，P2口输出P2锁存器内容。在Flash编程和校

验时，P2□也能够接收高8位地址字节和一些控制信号程序。

（4）P3口:是一个具备内部上拉电阻位双向口，输出缓冲器能驱动4个逻辑电

平。端口写“1”时，内部上拉电阻把端口，那么你能够使用作为输入端口。看成为

输入，外部向下引线因为内部电阻和输出电流。P3□亦作为AT89s52特殊功效（第

二功效）使用。Flash编程和验证，P3还接收一些控制信号。

端口引脚第二功效：P3.0RXD（串行输入口）、P3.1TXD（串行输出口）、P3.2INTO

（外中止0）、P3.3INT1（夕卜中止1）、P3.4TO（定时/计数器0）、P3.5T11定时/计数

器1）、P3.6WR（外部数据存放器写选通）、P3.7RD（外部数据存放器读选通）。另外,

P3还接收一些控制信号Flash编程和验证。

（5）RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚会发出最少两个周期以上高

电平来使单片发生复々。

（6）ALE/PROG:当访问外部存放器时，ALE（地址锁存使能）引脚输出脉冲低

8位字节锁存地址。通常情况下，ALE将会以时钟振荡频率1/6来输出固定脉冲信号,

所以它可对外输出时钟或用于定时目标。要注意是：每当访问外部数据存放器时将跳

过一个ALE脉冲。存放器编程时候，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）o如有必

要，可经过对特殊功效存放器（SFR）区中8EH单元DO位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。另外，该引脚会被

微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

（7）PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存放器读选通信号，当AT89s52

由外部程序存放器取指令（或数据）时，两个PSEN每个机器周期，即输出两个脉冲,

在此期间，当访问外部数据存放器，将跳过两次PSEN信号。

（8）EA/VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存放器（地址为

0000H-FFFFH）,EA端必须保持低电平（接地）。需注意是：假如加密位LB1被编程,

复位时内部会锁存EA端状态。EA端为高电平（VCC接端），CPU正在执行。当闪

存编程，加上销电源允许编程，当然，这必须是一个编程电压装置。

（9）XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路输入端。

（10）XTAL2：振荡器反相放大器输出端。

此次设计是以AT89S52作为控制模块加上其余一些外部电路所组成，其最小系统

如图3.4所表示，是这个导盲仪关键控制部分。AT89s52是一个高性能CMOS8位存

放单片机，拥有8K字节可编程闪存，并具备低功耗特点⑺。采取Atrnel高密度非易

失性存放器技术制造，与工业产品订单和引脚完全兼容。片上Flash不但能够把程序

存放也可也对程序进行修改，而且他程序与我们平时所使用编程器也是兼容。在单一

芯片上，具备8位CPU系统内可编程Flash与多变AT89S52提升了生产产品灵活度,

并超有效处理了嵌入式控制方案在电路中应用。

UI

PIOvcc

PIIPOO

PI2H)l

PI3PO2

PI4PO5

PI51X)4

PI6H)5

P17_1^06

REST_TO?

网)EA/VPP

P3IAl.E/垂直

P32E

PSFT7

P33

6

P34P2

S

P35P2.

P24

PX»P23

WI*2

P22

XTAL2

P2l

XTAMP2

O

C；ND

AT89s52

图3.4单片机电路结构

AT89S52单片机RST引脚需要接两个周期高电平而且这些高点必须是连续不停,

此时单片内部就执行着复位指令。假如发觉单片机这个引脚一直是处于高电平状态，

则表示单片机一直处于复位不停循环状态。

在实际使用中，单片机复位操作有两种形式：第一个是上电复位，第二种就是按

键与上电组个复位指令，在外部请求打开电源就执行复位指令。此时RST引脚就会很

快得到一个高电平，此时电容C1就会充电，电容两边就有电压，所以慢慢RST引脚

上电压将会一点点下降直到平衡。

RST引脚高电平是有一定保持时间，通常最长为2个机器周期，在高电平消失后

单片机就能够进行复位操作了。复位电路目标就是在需要电路复位时能够及时复位，

从而修正之前错误，确保电路正常循环，如图3.5所表示。

R5R4

3.3VI

10klk

CIO={=C11

O.lulu

图3.5复位电路

3.5超声波换能模块

就现在世界上对测距这一领域主要利用伎俩有激光、毫米波雷达、摄像系统、红

外线、超声波等一些测距技术，使用不一样测距技术所包括原理和方法也是不相同，

不过又有一点是相同都必须要有一个发射和接收回波过程。下面是各个测距技术性能

之间比较如表3.1所表示。

表3.1各传感器性能比较

超声波红外线摄像系统亳米波雷达激光

最大探测距10m10m大于100m大于150m可达成

离150m

响应时间较快约为慢lxlO3ms取戾于处理时快可达成1ms较快约

15ms间10ms

探头磨损，污大，直接影响很大，使探

染等原因影几乎没有影响影响不大分辨能力较小测距离减

响小1/2〜1/3

探头约一支20大于1500元

成本比较元，工作机理约80元大于1000元价格昂贵，结约500元

简单，探头易构复杂

安装

好，能够在恶差，但在能见差，可见性不很好，不受能差，受恶劣

环境适应性劣环中工作度低时比其余好条件下无法见度影响环境影响

光学系统好工作

经过表3.1数据我们能够对各种测距技术进行比较，能够看出本设计使用超声波

设计方案是最简单实用，而且我们还需要在超声波技术上进行系统简化和改过。

依照发射和接收超声换能器是否同体，能够把超声波换能器分为收发同体和收发

分体两种形式。收发同体其实就是超声波发射和接收都是同一个传感器完成，探头能

发射超声波，亦也能接收超声波；收发分体是指超声波发射和超声波接收使用不是同

一个探头。为了是电路设计简单化，考虑到电路设计成本此次设计采取超声波模块是

HY-SRF05,图3.6所表示为超声波超声波测距模块实物图。

图3.6HY-SRF05超声波测距模块实物图

HY-SRF05超声波测距模块能够非接触式测量距离在2cm〜450cm以内物体，精

度可达成3mm，模块包含一个超声波接收和一个发送控制电路。几个引脚功效各自是

VCC接5V电源，GND是接地，TEING是经过触发来控制信号输入，ECHO功效是

回想信号输出⑷。

基本工作原理

（1）采取I/O端口TRIG触发方式，最少要给予10us高电平信号。

（2）发射探头能都自动发射8个40kHz方波信号，并经过接收探头自动检测是

否返回。

（3）有信号发射或接收时，经过I/O口ECHO端口输出高电平，超声波从发射

到返回所使用时间就是高电平连续工作时间⑼。

下面介绍是一个玉电陶瓷式收发同体超声波传感器。其中心频率为40kHz,10V

发射电压，在大气压是OdB=0.02m/Pa条件下是295dB：40kHz中心频率是在接收灵

敏度之内，在大气压是OdB=lOV/pa条件下是注-65dB；静电容量为1260pF〜2340pF；

探测距离为0.2m〜3m；-6dB下指向角为60%这种压电收发同体声压方位发射特征

图如图3.7所表示。

图3.7发射声压方位特征图

HY-SRF05型超声波集成模块工作电压为5V,而且此模块静态工作电流是小于

2mA,工作时候相对稳定。测量角度为15°,降低了可能存在角度干扰问题。这个超

声波模块能够进行2cm〜5m测距，基本上符合本设计要求，而且测量精度也比较高

可用达成（）.3cm,盲区仅为2cm,完全能够能够满足本设计测距要求，测距时候数据

波动也比较小，很稳定在I/O触发位置，需要给最少给我们一个l（）us高电平信

号。HY-SRF05电气参数如表3.2所表示。

表3.2HY-SR05电/工参数

电气参数IIY-SRrO5

工作电压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lOusTTL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

超声波传感器需要换能电路来实现功率驱动。超声波发射器也需要一定脉冲信

号，采取激励就能够处理脉冲问题。依照本设计设计需要发射电路需要满足一定要求。

(1)振荡电路振荡频率可调

40kHz脉冲由振荡电路产生，然后这个脉冲再提供给超声波传感器。

当加载频率相同超声波传感器信号频率以共振频率，效率高，电能转化为机械

能机械声波。

(2)驱动能力较高

超声波发射器需要功率足够大脉冲信号，这个脉冲由驱动电路产生。当脉冲信号

产生后，我们还需要注意是脉冲宽度、功率以及它频率都是固定不然很有可能不能去

动发射器，再由发射器将所受到脉冲电量转换成机械波，能量转换是成了机械能。

(3)I/O口控制

超声波换能器驱动主要是靠功率驱动电路来对进行功率驱动，驱动放大电路经过

足够大功率放大之后，才能推进超声波换能器发射超声波。

在空气中传输是超声波能量会伴随距离变远而出现衰落，经过目标反射回来超声

波回波信号弱，假如物体距离比较远那么波衰减可能只有毫伏级了，有甚至只有微伏

级。所以，为了提升超声波测距系统范围，需要驱动电路。所以现在需要处理接收信

号微弱问题，接收电路需要把能量微弱信号经过放大后然后整形滤波。

此超声波测距模决能够非接触式测量距离在2cm〜450cm以内物体，精度可达成

3mm。

模基本工作原理：

（1）采取由I/O口TRIG触发方式来测距，最少给I/O提供10us高电触发平信

号；

（2）超声波模块会自动发送8个40kHz方波用来自动检测是否有一个回波信号

返回；

（3）当超声波探头接收到回波信号时，经过I/O口ECHO输出一个高电平，高电

平脉冲连续时间就与超声波发出后到接收到时间是相等。依照已知数据超声波发出地

到障碍物距离二（高电平时间x声速）/2。

3.6语音播报模块设计

因为导盲仪使用者主要是盲人，所以我们比必须采取语音提醒形式来帮助盲人行

走。盲人能够经过按按钮来使导盲仪实时报距，当有快速问题靠近时也有对应语音提

醒躲避。

如图3.8所表示语音芯片采取ISD4004汉字录播语音芯片。该芯片继承ISD4004

语音芯片一些优点：比如采取最小SSOP28L贴片封装、I/O接口比较简单、功耗非常

低、音色比较清楚悦耳、价格比较低廉；除此之外，在语音合成效果上，ISD4004能

够准确、智能化地识别文字、数字、较长字符串。正是因为其合成语音清楚和文字识

别率高特点也算代表看音芯片智能化新起点，是一个值得广泛应用汉字语音芯片，尤

其在国内中高端市场是值得开发。所以ISD4004语音芯片研制成功，将会推进整个

TTS语音合成技术行业发展和更广行业应用。

128V1CT

SS

227

MOIS

3"'J。

MISO,《入ILK

4"TXTT

VSSD5

NC*RAC

6

NC3“NVWSSA

7

NC

821

NC

920"

NC

1019

NCigNC

111

VESA°vcca

1217

VSSA

13

AUDOUTI。azaz

14

AMCAPVC

ISD40M

图3.8ISD4004汉字语音芯片引脚图

引脚定义

1,3引脚接在总线模块。电源负极；2引脚接在总线模块0电源正极；低电平时

芯片将不被使用，表明芯片忙时能够经过主机接收命令和数据发送高电平，表示正在

进行语音合成和广播：Res引脚接5引脚；6引脚接在总线模块1电源正极；7引脚接

在总线模块1电源负极；语音输出模块电源接负极8,12引脚；语音输出模块电源正

极接10引脚；9引脚接推送DAC语音输出1。

其功效特点

（1）支持GB2312、GBK、BIG5和UNICODE内码格式文本;

（2）清楚、流利、准确地把汉字进行语音合成；任意汉字文本也可合成语音，

支持多个英文字母合成；

（3）文本分析处理算法才用是智能化，能够准确读进数字，手机号码，口期和

时间，简单一些度量衡也是能够识别；

（4）对于汉字中多音字和一些姓氏处理能力是非常强；

（5）支持多个类型文本控制标识，提升文本汉字字处理正确率；

（6）每次文本量合成最多能够达成200字节；

（7）支持多个控制命令，主要包含：暂停合成、合成、继续合成、停顿、改变

波特率大小等；

（8）支持休眠功效，当芯片不需要完成任务是能够休眠从而降低功耗；支持芯

片工作状态能够用多个方式查询到；

（9）支持串行数据通信接口，支持三种通讯形式波特率：9600bps,19200bps,

38400bps；

（10）支持16级音量调整；对于背景音乐音量和文本前景音量都是能够调整，

而且二者是能够独立控制；

（11）支持6级词语语速调整，可使用发送控制指令调整词语播报速度；

（12）芯片内部储存了一些音乐资料，比如和弦音乐、一些简单提醒语和利用到

一些特定行业常见语音表示句；

（13）内部存放19首声音提醒音，15首比较经典背景音乐，23首和弦提醒音乐;

（14）内置10字节推挽式（push-pull）、可使用独立电源进行功放，实现数模DAC

输出；

（15）实际元器件使用SSOP贴片封装形式，体积与同类相比较小；

（16）芯片各项指标均满足室外严酷环境下应用；

依照本设计方案要求和语音芯片各项特征，语音模块电路连接如图3.9所表示。

图3.9语音模块电路连接

3.7灯光示警模块设计

示警方式通常是用灯光示警，用闪动指示灯来警告人们有一定危险；然后使用声

音示警，发出语音提醒或警告提醒路人也提醒它己；在选择警示电路时，本着使硬件

电路结构简单，编程方便思想。此次设计除了语音警示外还加入了使用光作为开关控

制LED灯示警系统，表现了以人为本思想，主要是为了在晚上是提醒过路行人注意

躲避盲人以免造成交通事故。光敏电阻就相当于预警等开关，当晚上光线变暗时，光

敏电阻就会变小光控电路系统就会导通，给警示灯供电使灯变亮。光线采集电路如图

3.10所表示"

VCC

图3.10光控制电路原理图

3.8LCD显示模块设计

LCD1602最好工作电压是在5V左右，有数据位8个：接电源端、接地端、数据

读写端、数据命令选择端。在此次设计中，数据端DO〜D7是和单片机P2口连接。

基本操作时序是io在读数据状态时输入RS=L,RW=H,E=H,写数据时输入RS=H,

RW=Lo同时在与单片机连接运行过程中要进行上电保护对其进行初始化。显示电路

如图3.11。

图3.11液晶显示电路

3.9本章小结

本章主要介绍硬件模块化。对设计实现功效进行了总概述阐述了硬件设计思绪和

构想，并依照要求，说明了各个模块所实现功效。对系统整体设计理念、方案做大致

介绍，并详细讲解关键部件主要器件参数，以及硬件设计原理框图。

4智能语音导盲仪软件设计

本设计软件设计主要是程序编写，我们需要是把导盲仪功效写成计算所能识别代

码，这么才能够经过计算机实现各个芯片功效，在写程序时候要注意整个系统之间协

调性，这么才能够经过程序来实现本设计所提出功效。软件编写是相当主要组成部分,

软件质量直接影响着整个系统实现功效效果，当然也必须遵照系统功效来确定应用程

序设计。

4.1系统软件设计语言

采取C语言作为本设计软件设计语言，其优点是能够最大程度降低我们对硬件机

械操作，良好程序结构是C语言是一大特点，所以其愈加实用电路模块化软件设计，

所以通常情况下我们实用C语言作为单片机编程首选语言，首先对于C语言编程我们

需要将程序设计方法结构化，其次不硬件功效进行模块化，不一样功效由不一样模块

来完成，这会使整个应用系统程序结构愈加清楚，也便于进行调试和维护工作。功效

模块不相同，分别对应固定入口参数和出口参数，重复调用一些程序我们需要将其转

换成函数，能够简化我们编程降低了一些重复使用程序，又方便了整个程序管理，还

能够增强程序移植性和可读型。

4.2设计软件环境介绍

对于AT89s52控制设计，用KeilC语言软件编程环境，使用Proteus软件设计环

境进行电路仿真”也只有把这两个软件结合在一起才能完成电子系统设计。Keilc软

件界面，如图4.1所表示。KeilC是一款比较强大软件，能够把软件编程和软件仿真

合于一体，还支持多个语言编程，比如汇编、C语言甚至汇编和C语言混合体都能够

识别。软件通常都是系统比较关犍部分，想做好一个设计必须有好思想和清楚逻辑。

该系统采取模块化设计，该程序被分成几个独立子程序，这么使程序读出变得方便简

单，同时又对程序移植和修改提供了很大帮助:⑵。本设计软件开发完全是依靠Keil

单片机C语言平台，在此平台程序调试简单，具备良好可续性和扩展性。

图4.1Keilc软件界面

ProteusISIS是一款电路分析与实物仿真软件由英国Labcenter企业开发。软件运

行环境是在Windows操作系统中，最主要是能够对芯片进行仿真运行，还能够分析各

种模拟元器件和集成电路组成和结构.

该软件特点是：

（1）基本上满足了此次设计此次设计仿真标准，与其余单片机仿真软件相比较

是非常方便。

（2）能够进行多个多样仿真比如：数字电路仿真，模拟电路仿真，单片和各个

外围模块之间仿真，还有RS-232动态仿真，SPI调整器仿真等；仿真还必须要有显示

部分，这款软件有多个虚拟仪器，比如示波器、信号发生器等1⑶。

(3)现在支持单片机类型有:ARM7系列，6800()系列，8052系列,AVR系列,

PIC12系列,PIC16系列,PIC18系列，Z80系列，HC11系列以及各种其它外围芯片。

(4)与大量存放器和外围芯片兼容性很好。

总而言之，此软件是一款具备SPICE分析功效且能够仿真单片机仿真软件，软

件功效十分丰富，能够仿真ARM、52、AVR、PIC各种芯片。

ProteusISIS工作和Windows界面操作界面有点类似，如图4.2所表示，在屏幕上

方我们能够看到很多菜单比如：标题栏，菜单，标准工具栏，绘图工具栏，状态栏，

对象选择按钮，预览对象方位控制按钮，仿真过程中控制按钮，预览窗口，对象选择

窗口，图形编辑窗口等。这些界面有利于我们快速熟悉软件并绘制电路图。

国UNTITLED-ISISPcofessicnal

3

ViEditXoolsGreph0br3ySx*<***o«lp

廿00iWbl«allal^l>>9U|=・疝・；

片

v

l*>

iosD

一

f：

生

Z

45000♦2000th

图4.2仿真界面

双击图标就能够运行Proteus程序，然后会进入软件主界面。经过工具栏左侧从

一个库中选择元件，然后在左侧窗口中输入所需要元件关键词，然后经过鼠标把元器

件放置在适宜位子，在放置之前先调整好方向而且设置好各元器件参数，最终再把各

个元器件经过线连接起来

4.3主要模块软件设计流程图

呼叫系统软件设计流程如图4.3和图4.4所表示。

去除1s定时标志

Y

图4.3程序设计流程图

图4.4显示模块软件设计流程图

这部分主要接收是现实部分程序设计，显示部分程序大致上依照主程序而言，这

部分包括到按键程序凋用，所以编写这部分程序需要有主次概念，只要这部分程序调

试成功在配合超声波模块程序，软件部分难点就迎刃而解"。

4.4本章小结

本章主要介绍了软件设计整个过程，包含对所使用软件做出了简单介绍，并使用

模块化设计思想进行软件设计,设计思绪清楚，这么方便调试过程中程序修改。同时开

发一个良好设计思维与良好设计习惯。

5系统调试结果

一个系统开发过程需要用系统调试来验证各个硬件协调性，一个完整调试系统应

该包含很多部分，不过必须离不开控制系统硬件联调、软件联调、系统仿真、仿真烧

录和现场安装调试等几个步骤。当系统硬件系统组装完成后需要进行硬件电路调试，

只有硬件电路调试真确后才能进行软件部分检验，这么就能够分部排查错误。当全部

调试都没问题时，为了确保其稳定性还需要让设计长时间运行一些时间，这么以后才

能够验收合格，整个设计系统才算完成了任务。

经过试验表明，此次设计导盲仪采集速率和精度都很高，当前面一定范围内有物

体时，导盲仪会自动地发才语音提醒来提醒盲人该怎样行走。硬件系统正确性必须经

过试验才能得到验证。然而因为空气中存在湿度和温度，超声波测距所得数值与理论

值之间总是存在着误差。其余子功效都良好运行，理论测距与实际测距如图5.1和5.2。

从图中能够看出超声波测距误差在2mm之内。

图5.1理论测距结果

图5.2实际测距结果

总结误差原因共有两个方面：

(1)因为超声波被测面或被测面旁其它物体漫反射，因而所测距离不是真实垂

直距离，引发测量误差。

(2)声速即使在同一介质中不轻易改变速度，不过温度改变会影响测量精准度,

所以测量结果也会有一定误差。

结束语

导盲仪主要原理就是超声波测距，经过此次设计也是我对超声波原理有了愈加深

入了解。系统是基于AT89S52单片机超声波测距系统,它依照超声波在空气中传输反

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输时间差来测量距离。

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。另有时间播报功效。主

要由测距系统（包含超声波发射模块、超声波接收模块）和语音报警系统，快闪播报

系统，警示灯控制系统，LCD显示模块，五个主要模块组成。

导盲预警系统利用可帮助盲人行走较少他们不方便，降低盲人因为看不见路面情

况发生交通事故，同时它将对提升人类智能化设计有着非常主要意义在做设计时候我

们需要不停查阅资料，了解前人研究结果，才能取其精华去其糟粕，才能在巨人肩膀

上进行创新。在本设计开始之初，我对超声波模块方面了解还是比较少，经过查阅书

籍和上网搜资料对超声波模块有了了解然后才开始原理绘制。在设计过程中比较难还

有软件设计，C语言编程可是我微弱步骤，编程不但要能实现设计基本功效，还必须

考虑到硬件I/O端口功效。在指导老师帮助也算完成导盲仪软件编程模块。