【正文】 基于單片機(jī)電子導(dǎo)盲拐杖設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目 錄1．引言 1 1 1 22．超聲波系統(tǒng)的工作原理及方案 3 超聲的概述 3 3 4 超聲測(cè)距的方案 4 53．智能導(dǎo)盲拐杖硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 6 6 7 CPU模塊 7 10 15 16 18 穩(wěn)壓電源模塊的設(shè)計(jì) 19 204．智能導(dǎo)盲拐杖軟件設(shè)計(jì) 21 21 軟件設(shè)計(jì)心得 21 21 23 245系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果 24結(jié) 論 25參考文獻(xiàn) 27致 謝 27附錄1：部分主電路原理圖 29附錄2：部分主程序 3051天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)2013屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)1．引言我國曾在上世紀(jì)90年代進(jìn)行過視力殘疾狀況的調(diào)查，結(jié)果顯示，我國有視力殘疾患者近1400萬，其中盲人約就有620萬。從全國防盲技術(shù)指導(dǎo)組辦公室得到的數(shù)據(jù)也顯示，我國有550萬盲人，占世界盲人總數(shù)的1/5。隨著人民生活水平的不斷的進(jìn)步，讓生活變得越來越簡單方便成為了人民普遍追求的生活理念。盲人既是我們普通人民中的一員，又是一個(gè)特殊群體，他們由于先天或后天的生理缺陷在日常生活中比我們常人會(huì)遇到更多的不方便，不能準(zhǔn)確及時(shí)的發(fā)現(xiàn)并躲避障礙物就是一個(gè)重要的弊端。如果有一種既輕巧，又便宜，同時(shí)又能及時(shí)的識(shí)別周圍障礙物并發(fā)出報(bào)警信號(hào)的智能拐杖在盲人的手中將會(huì)為盲人的生活提供極大地方便。由于超聲波的速度相對(duì)光速要小的多，其傳播時(shí)間更加容易被檢測(cè)，并且易于定向的發(fā)射，方向性較好，強(qiáng)度可以控制，因而人類采用仿真技能利用超聲波測(cè)距。同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)及工業(yè)機(jī)器人的不斷出現(xiàn)，測(cè)距和識(shí)別技術(shù)在工業(yè)中已經(jīng)得到了普遍的運(yùn)用與發(fā)展，如何把這種非接觸式檢測(cè)與識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到民用領(lǐng)域已變得十分重要了。盲人既是我們普通人民中的一員，又是一個(gè)特殊群體，他們由于先天或后天的生理缺陷在日常生活中比我們常人會(huì)遇到更多的不方便和安全隱患。本設(shè)計(jì)就是為了避免盲人在行走時(shí)與前方障礙相撞。盲人導(dǎo)盲預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)用可極大地減輕盲人的行走不便與安全隱患，降低且避免因盲人不辨障礙而導(dǎo)致的事故的發(fā)生，同時(shí)它將對(duì)提高人體智能化設(shè)計(jì)起到重要的意義。對(duì)超聲波具有傳播速度慢，指向性強(qiáng)，能級(jí)消耗緩慢，對(duì)色彩、光照度不敏感的特點(diǎn)進(jìn)行利用，同時(shí)因?yàn)槌暡▊鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、體積小、性價(jià)比高、信息處理簡單而且可靠，易于小型化和集成化，并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制等特點(diǎn)。所以這一項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)盲產(chǎn)品中將有廣闊的發(fā)展前景。本設(shè)計(jì)模仿蝙蝠的超聲應(yīng)用能力和原理，在研究現(xiàn)有的電子式超聲波測(cè)距系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用回聲定位的原理，通過傳感器發(fā)送超聲波，然后獲得并分析障礙物的回波信息，研制一套超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)。系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)作為控制器, 利用超聲測(cè)距的原理, 設(shè)計(jì)了一種超聲波導(dǎo)盲裝置，該裝置可以對(duì)盲人前方道路上的障礙物進(jìn)行距離探測(cè)并把障礙物距離信息轉(zhuǎn)換成語音提示, 盲人可以根據(jù)提示音，避讓障礙同時(shí)達(dá)到導(dǎo)盲作用。該系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測(cè)量誤差小等特點(diǎn)。又因?yàn)槊と瞬槐嫘腥伺c車輛在路上行走，又因夜晚能見度低，為了車輛和行人更容易避讓盲人。另采用光敏電阻檢測(cè)周圍環(huán)境的亮度,并將該亮度轉(zhuǎn)化為相反邏輯的紅色警示光。用來提醒來往行人和車輛避讓。另有時(shí)鐘系統(tǒng)，可以控制并且語音播報(bào)時(shí)間，進(jìn)行整點(diǎn)提醒。本章主要介紹了設(shè)計(jì)超聲波導(dǎo)盲拐杖的背景及意義。對(duì)設(shè)計(jì)研究的大致內(nèi)容做了概述。2．超聲波系統(tǒng)的工作原理及方案 超聲的概述聲音是與人類生活緊密相聯(lián)的一種自然現(xiàn)象，人們對(duì)聲音早有認(rèn)識(shí)，在人們的日常生活中存在著各式各樣的聲音。在科學(xué)史上，聲學(xué)是發(fā)展最早的學(xué)科之一。然而，由于超聲是人耳聽不到的信號(hào)，直到18世紀(jì)，人們才開始研究海豚、蝙蝠等動(dòng)物時(shí)，才推測(cè)自然界存在超聲。聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機(jī)械波。根據(jù)聲波振動(dòng)頻率的范圍來分類的，聲波可分為高低不同的四種類型：頻率在16KHz～20KHz之間的機(jī)械波，能為人耳所聞，稱為聲波；低于16KHz的機(jī)械波稱為次聲波；高于20KHz的機(jī)械波稱為超聲波；高于10MHz的機(jī)械波稱為特超聲波。聲波產(chǎn)生的條件是首先要有一個(gè)作機(jī)械振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)來作波源，其次是要有傳播振動(dòng)的彈性介質(zhì)。此外，當(dāng)振動(dòng)傳播時(shí)，振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)并不隨波而移動(dòng)，只是在自己的平衡位置附近振動(dòng)而已，這與電磁波（交變電磁場以光速在空間的傳播）是完全不相同的，與光波也不同。因此超聲作為一種高于人的聽覺范圍的聲波，與光波和電磁波是不同的，是一種彈性機(jī)械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播；電磁波的傳播速度為3108m/s，而超聲波的傳播速度為340m/s，其速度相對(duì)電磁波是非常緩慢的，對(duì)于相同頻率的情況下波長比較的短，因此可以提高測(cè)量的分辨率；超聲波在相同的傳播媒體里傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，波動(dòng)的傳播方向與振動(dòng)方向是一致的，作為縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波，它是借助于傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)而傳播。在兩種介質(zhì)的交界面，聲波會(huì)發(fā)生反射、折射、衍射、散射等現(xiàn)象。超聲波也具有這些傳播規(guī)律，與可聽聲波的規(guī)律并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。但超聲波作為一種特殊的聲波，同時(shí)又具有方向性好，加速快等特點(diǎn)，而且波長很短，只有幾厘米，有的甚至千分之幾毫米，因此與可聽聲波比較，超聲波具有許多奇異的特性：傳播特性──超聲波的波長很短，通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長大好多倍，因此超聲波的衍射本領(lǐng)很差，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播，超聲波的波長越短，這一特性就會(huì)越顯著。功率特性──當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí)，推動(dòng)空氣中的微粒往復(fù)振動(dòng)而對(duì)微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在相同強(qiáng)度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就會(huì)越大。由于超聲波頻率比較高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的用于產(chǎn)生和接收超聲波的器件，它既能夠把其他形式的能轉(zhuǎn)化為所需頻率的超聲能又能夠把超聲能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。采用超聲波傳感器有以下幾個(gè)方面的好處：（1）測(cè)量方式原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)。（2）測(cè)量的精度高（3）超聲波傳感器有一定的覆蓋性，可以用較少的傳感器數(shù)量覆蓋較大的測(cè)量范圍。 用往返時(shí)間檢測(cè)法測(cè)量距離時(shí)，障礙物與超聲波傳感器間的距離既不能太遠(yuǎn)也不能太近，存在著距離測(cè)量的近限和遠(yuǎn)限。距離過遠(yuǎn)時(shí)，接收到的信號(hào)太弱，以致無法從噪聲信號(hào)中分辨出來，這是遠(yuǎn)限存在的原因。在距離過近時(shí)，接收信號(hào)將落進(jìn)盲區(qū)中而無法分辨出來，這是近限所以存在的原因。所以，設(shè)計(jì)中要盡量減小盲區(qū)，同時(shí)提高檢測(cè)的距離精度。減小盲區(qū)措施 ：(1)壓縮發(fā)射脈沖寬度 發(fā)射端采用減幅振蕩脈沖或單個(gè)脈沖，可使余震(拖尾)減少，此法常用于短距離測(cè)量距離。 (2)采用自動(dòng)距離增益控制 采用具有自動(dòng)增益控制功能的接收放大器，使近距離的增益很小，遠(yuǎn)距離時(shí)的增益較大，這樣一方面發(fā)射信號(hào)的余震幅度變小，相應(yīng)的延續(xù)時(shí)間縮短，可以分辨出近處的接受回波信號(hào)，故可使盲區(qū)減少。另一方面，可使遠(yuǎn)處的回波信號(hào)的幅度增大，以提高測(cè)量的精度。 (3)信噪比問題 超聲波測(cè)距都有確定的量程。量程主要決定于接收信號(hào)的幅值應(yīng)大于規(guī)定的闡值。這個(gè)閡值決定信噪比。這時(shí)要求對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行頻譜分析，盡量避免與噪聲頻率重疊。 超聲測(cè)距的方案超聲檢測(cè)與超聲測(cè)距所用的方法類似。超聲測(cè)距的方法分為相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和往返時(shí)間檢測(cè)法等。其中相位檢測(cè)法精度高，但是監(jiān)測(cè)范圍有限，聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響，采用最多的是往返時(shí)間檢測(cè)法。往返時(shí)間檢測(cè)法的基本原理在聲速已知的情況下通過測(cè)量發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)之間的時(shí)間差來計(jì)算障礙物的距離，原理圖如圖21所示。具體的說就是當(dāng)40KHz的電壓脈沖信號(hào)由導(dǎo)線輸入傳感器后，由壓電陶瓷晶片將此電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)通過空氣向外發(fā)送出去，發(fā)送出的超聲信號(hào)向空中各方向沿直線傳播，遇到障礙物反射回來。傳感器在接收到反射回來的回波信號(hào)后再次將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)的波動(dòng)。此時(shí)得到的電壓脈沖信號(hào)非常的微弱，經(jīng)過后極的放大電路等的處理后被采集處理。 圖21超聲波測(cè)距原理圖超聲波傳感器發(fā)出超聲波，在介質(zhì)中傳播遇到障礙物反射后再通過介質(zhì)返回到接收探頭，測(cè)出超聲波從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，然后根據(jù)介質(zhì)中的聲速，就能算得從探頭到障礙物的距離。本設(shè)計(jì)采用雙探頭方式。聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長的目標(biāo)物體阻擋時(shí)就會(huì)發(fā)生反射；反射波稱為回聲。假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的，而且聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間可以測(cè)量得到，從聲波到目標(biāo)的距離就可以精確地計(jì)算出來。這就是本系統(tǒng)的測(cè)量原理。這里聲波傳播的介質(zhì)為空氣，采用不可見的超聲波。，測(cè)量得到的聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間是t秒，距離d可以由下列公式計(jì)算：d=33550(cm/s)*t(s)因?yàn)槁暡ń?jīng)過的距離是聲源與目標(biāo)之間距離的兩倍，聲源與目標(biāo)之間的距離應(yīng)該是d/2單探頭方式就是探頭發(fā)出的超聲波在介質(zhì)中傳播，遇到障礙物反射后返回至同一探頭而被接收。如圖33所示，探頭到障礙物的距離為S，測(cè)距表達(dá)式為： 式中：S為所測(cè)障礙物的距離，c為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，t為超聲波從發(fā)送到接收所經(jīng)過的時(shí)間。從上式可看出，只要已知聲速c，就可以靠準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)間t的方法來精確測(cè)量距離S。 本章對(duì)設(shè)計(jì)中用到的超聲波技術(shù)進(jìn)行了一個(gè)系統(tǒng)性的說明。包括對(duì)超聲波的說明，超聲波傳感器的優(yōu)點(diǎn)，超聲波測(cè)量中盲區(qū)及近限和遠(yuǎn)限，以及本次設(shè)計(jì)所要用到的超聲波測(cè)距技術(shù)的原理。3．智能導(dǎo)盲拐杖硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)超聲測(cè)距部分是利用超聲波在空氣中傳播時(shí)遇到障礙物返回的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)測(cè)量距離的目的。根據(jù)超聲波從發(fā)射到接收到回波的時(shí)間以及此時(shí)的聲速就可以計(jì)算出障礙物的距離。由于超聲在空氣中傳播有衰減，加上環(huán)境以及電路本身的噪聲干擾，測(cè)量距離有一定的上限，超過上限距離的障礙物的回波將無法檢測(cè)到；同時(shí)由于發(fā)射超聲波對(duì)接收超探頭的影響，測(cè)量距離存在下限，低于下限距離的障礙物回波將無法與干擾信號(hào)區(qū)別開。系統(tǒng)測(cè)量的就是介于上限與下限距離范圍的障礙物信息。當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過語音模塊發(fā)出告警信號(hào)。語音播報(bào)部分是通過對(duì)接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，處理完成后如為危險(xiǎn)信號(hào)即發(fā)布聲音預(yù)警。通過控制開關(guān)，可控制語音模塊對(duì)實(shí)時(shí)的溫度和時(shí)間的進(jìn)行播報(bào)。警示系統(tǒng)模塊通過AT89S52單片機(jī)控制語音模塊和控制開關(guān)，達(dá)到包括語音警示，LED燈警示效果，提醒使用者和過往車輛行人避讓，達(dá)到保障使用者安全的目的穩(wěn)壓電源模塊可以最大程度保持輸入電壓的穩(wěn)定，保持電源輸出的電壓是恒定的。是為了給電路提供穩(wěn)定電源，從而使整個(gè)模塊正常工作，延長使用壽命。智能導(dǎo)盲拐杖硬件電路設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)的工程，它涉及到許多方面，包括單片機(jī)、超聲測(cè)距系統(tǒng)、開關(guān)控制系統(tǒng)、溫濕度采集系統(tǒng)、聲光報(bào)警系統(tǒng)、電源等的選擇，還包括單片機(jī)以及各模塊間的相互連接。在設(shè)計(jì)之前，必須要對(duì)整個(gè)智能導(dǎo)盲拐杖的各部分構(gòu)造有一個(gè)大致的了解。為了更好的實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果，根據(jù)整體配置，來細(xì)化各模塊配置。以AT89S52單片機(jī)為核心的控制器，除此之外再細(xì)分模塊。整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)“回波測(cè)距”的原理設(shè)計(jì)的，其結(jié)構(gòu)框圖如圖31所示。圖31 智能導(dǎo)盲預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖該系統(tǒng)由單片機(jī)、超聲波發(fā)射接收電路、液晶顯示電路、語音模塊及光警提示模塊等組成，控制核心為單片機(jī)。單片機(jī)在接收到傳感器的信息后，將傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為距離信息，通過語音播報(bào)或振動(dòng)提示。系統(tǒng)工作原理方框示意圖如圖32所示。圖32系統(tǒng)工作原理方框示意圖整個(gè)系統(tǒng)包括以下幾個(gè)模塊：（1）CPU模塊（2）超聲換能模塊超聲波發(fā)射包括產(chǎn)生超聲激勵(lì)脈沖的發(fā)射電路和超聲探頭，由單片機(jī)控制產(chǎn)生激勵(lì)脈沖激勵(lì)探頭發(fā)射超聲波?；夭ㄐ盘?hào)的接收由前置比例放大電路、程控放大電路和濾波電路四部分構(gòu)成?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)超聲波傳感器接收后轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)放大和濾波使信號(hào)的幅度和信噪比達(dá)到一定程度，滿足信號(hào)處理的要求。（3）電源模塊該模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電，提供穩(wěn)定的電源。使整個(gè)系統(tǒng)能夠正常的運(yùn)行。（4）語音播報(bào)模塊該模塊主要播報(bào)警示音，及對(duì)時(shí)間進(jìn)行播報(bào)。（5）溫濕度檢測(cè)模塊 CPU模塊單片機(jī)一詞最初源于“SingleChip Microputer”，簡稱“SCM”。單片機(jī) 也叫做“微控制器”或者“嵌入式微控制器”。單片機(jī)在控制領(lǐng)域中，具有很多優(yōu)點(diǎn)，它體積小，成本低，運(yùn)用靈活，易于產(chǎn)品化，它能方便的組成各種智能化的控制設(shè)備；面向控制，能針對(duì)性的解決從簡單到復(fù)雜的各種控制任務(wù)，而能獲得最佳的性能價(jià)格比；它抗干擾能力強(qiáng)，適用范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境下都因能可靠的工作，這是其它類型計(jì)算機(jī)無法比擬的；內(nèi)存較大，功能強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)、軟硬件資源都比較豐富等特點(diǎn)，其外圍接口電路簡單，具有很高的性價(jià)比，其價(jià)格僅為DSP的五分之一，而且它經(jīng)過多年的發(fā)展，技術(shù)也相當(dāng)?shù)某墒?。它與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS51的指令和引腳兼容，因而是一種功能強(qiáng)大的微控制器，它對(duì)很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個(gè)高度靈活有效的解決方案。此外，可以方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制，使整個(gè)控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高，所以我們可以利用單片機(jī)與超聲波技術(shù)的的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)測(cè)距?；趩纹瑱C(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)易實(shí)現(xiàn)，成本低，精確度高，并且容易做到實(shí)時(shí)控制，具備較強(qiáng)的實(shí)用性。這次設(shè)計(jì)所選用的AT89S52單片機(jī)如圖33所示，有40個(gè)引腳的芯片，引腳配置，是一種低功耗、高性能的含有8K字節(jié)快閃可編程/擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造，并且與AT89S52指令系統(tǒng)和引腳完全兼容。芯片上的 FPEROM允許在線或采用通用的非易失存儲(chǔ)編程器對(duì)程序存儲(chǔ)器重復(fù)編程。AT89S52的主要性能包括：(1)與MCS52微控制器產(chǎn)品系列兼容。(2)片內(nèi)有8K字節(jié)