【正文】 基于單片機電子導(dǎo)盲拐杖設(shè)計畢業(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 超聲測距的方案 4 53．智能導(dǎo)盲拐杖硬件系統(tǒng)設(shè)計 6 6 6 7 CPU模塊 7 10 15 16 18 穩(wěn)壓電源模塊的設(shè)計 19 204．智能導(dǎo)盲拐杖軟件設(shè)計 21 21 軟件設(shè)計心得 21 21 23 245系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果 24結(jié) 論 25參考文獻 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1．引言我國曾在上世紀(jì)90年代進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遇到更多的不方便，不能準(zhǔn)確及時的發(fā)現(xiàn)并躲避障礙物就是一個重要的弊端。如果有一種既輕巧，又便宜，同時又能及時的識別周圍障礙物并發(fā)出報警信號的智能拐杖在盲人的手中將會為盲人的生活提供極大地方便。由于超聲波的速度相對光速要小的多，其傳播時間更加容易被檢測，并且易于定向的發(fā)射，方向性較好，強度可以控制，因而人類采用仿真技能利用超聲波測距。同時隨著計算機技術(shù)、自動化技術(shù)及工業(yè)機器人的不斷出現(xiàn)，測距和識別技術(shù)在工業(yè)中已經(jīng)得到了普遍的運用與發(fā)展，如何把這種非接觸式檢測與識別技術(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遇到更多的不方便和安全隱患。本設(shè)計就是為了避免盲人在行走時與前方障礙相撞。盲人導(dǎo)盲預(yù)警系統(tǒng)的運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，同時它將對提高人體智能化設(shè)計起到重要的意義。對超聲波具有傳播速度慢，指向性強，能級消耗緩慢，對色彩、光照度不敏感的特點進行利用，同時因為超聲波傳感器結(jié)構(gòu)相對簡單、體積小、性價比高、信息處理簡單而且可靠，易于小型化和集成化，并且可以進行實時控制等特點。所以這一項技術(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單片機作為控制器, 利用超聲測距的原理, 設(shè)計了一種超聲波導(dǎo)盲裝置，該裝置可以對盲人前方道路上的障礙物進行距離探測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，避讓障礙同時達到導(dǎo)盲作用。該系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量誤差小等特點。又因為盲人不辨行人與車輛在路上行走，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。另有時鐘系統(tǒng)，可以控制并且語音播報時間，進行整點提醒。本章主要介紹了設(shè)計超聲波導(dǎo)盲拐杖的背景及意義。對設(shè)計研究的大致內(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，人們對聲音早有認(rèn)識，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，直到18世紀(jì)，人們才開始研究海豚、蝙蝠等動物時，才推測自然界存在超聲。聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機械波。根據(jù)聲波振動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之間的機械波，能為人耳所聞，稱為聲波；低于16KHz的機械波稱為次聲波；高于20KHz的機械波稱為超聲波；高于10MHz的機械波稱為特超聲波。聲波產(chǎn)生的條件是首先要有一個作機械振動的質(zhì)點來作波源，其次是要有傳播振動的彈性介質(zhì)。此外，當(dāng)振動傳播時，振動的質(zhì)點并不隨波而移動，只是在自己的平衡位置附近振動而已，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，其速度相對電磁波是非常緩慢的，對于相同頻率的情況下波長比較的短，因此可以提高測量的分辨率；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，波動的傳播方向與振動方向是一致的，作為縱向振動的彈性機械波，它是借助于傳播介質(zhì)的分子運動而傳播。在兩種介質(zhì)的交界面，聲波會發(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，同時又具有方向性好，加速快等特點，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，這一特性就會越顯著。功率特性──當(dāng)聲音在空氣中傳播時，推動空氣中的微粒往復(fù)振動而對微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在相同強度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就會越大。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方面的好處：（1）測量方式原理簡單，易于實現(xiàn)。（2）測量的精度高（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)量覆蓋較大的測量范圍。 用往返時間檢測法測量距離時，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，存在著距離測量的近限和遠(yuǎn)限。距離過遠(yuǎn)時，接收到的信號太弱，以致無法從噪聲信號中分辨出來，這是遠(yuǎn)限存在的原因。在距離過近時，接收信號將落進盲區(qū)中而無法分辨出來，這是近限所以存在的原因。所以，設(shè)計中要盡量減小盲區(qū)，同時提高檢測的距離精度。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脈沖，可使余震(拖尾)減少，此法常用于短距離測量距離。 (2)采用自動距離增益控制 采用具有自動增益控制功能的接收放大器，使近距離的增益很小，遠(yuǎn)距離時的增益較大，這樣一方面發(fā)射信號的余震幅度變小，相應(yīng)的延續(xù)時間縮短，可以分辨出近處的接受回波信號，故可使盲區(qū)減少。另一方面，可使遠(yuǎn)處的回波信號的幅度增大，以提高測量的精度。 (3)信噪比問題 超聲波測距都有確定的量程。量程主要決定于接收信號的幅值應(yīng)大于規(guī)定的闡值。這個閡值決定信噪比。這時要求對環(huán)境噪聲進行頻譜分析，盡量避免與噪聲頻率重疊。 超聲測距的方案超聲檢測與超聲測距所用的方法類似。超聲測距的方法分為相位檢測法、聲波幅值檢測法和往返時間檢測法等。其中相位檢測法精度高，但是監(jiān)測范圍有限，聲波幅值檢測法易受反射波的影響，采用最多的是往返時間檢測法。往返時間檢測法的基本原理在聲速已知的情況下通過測量發(fā)送信號與接收信號之間的時間差來計算障礙物的距離，原理圖如圖21所示。具體的說就是當(dāng)40KHz的電壓脈沖信號由導(dǎo)線輸入傳感器后，由壓電陶瓷晶片將此電信號轉(zhuǎn)換成機械振動，這種機械振動通過空氣向外發(fā)送出去，發(fā)送出的超聲信號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后再次將機械振動轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕牟▌印４藭r得到的電壓脈沖信號非常的微弱，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，測出超聲波從發(fā)射到接收所需的時間，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)物體阻擋時就會發(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目標(biāo)然后返回聲源的時間可以測量得到，從聲波到目標(biāo)的距離就可以精確地計算出來。這就是本系統(tǒng)的測量原理。這里聲波傳播的介質(zhì)為空氣，采用不可見的超聲波。，測量得到的聲波從聲源到達目標(biāo)然后返回聲源的時間是t秒，距離d可以由下列公式計算：d=33550(cm/s)*t(s)因為聲波經(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，測距表達式為： 式中：S為所測障礙物的距離，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)過的時間。從上式可看出，只要已知聲速c，就可以靠準(zhǔn)確測量時間t的方法來精確測量距離S。 本章對設(shè)計中用到的超聲波技術(shù)進行了一個系統(tǒng)性的說明。包括對超聲波的說明，超聲波傳感器的優(yōu)點，超聲波測量中盲區(qū)及近限和遠(yuǎn)限，以及本次設(shè)計所要用到的超聲波測距技術(shù)的原理。3．智能導(dǎo)盲拐杖硬件系統(tǒng)設(shè)計超聲測距部分是利用超聲波在空氣中傳播時遇到障礙物返回的特點來實現(xiàn)測量距離的目的。根據(jù)超聲波從發(fā)射到接收到回波的時間以及此時的聲速就可以計算出障礙物的距離。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到；同時由于發(fā)射超聲波對接收超探頭的影響，測量距離存在下限，低于下限距離的障礙物回波將無法與干擾信號區(qū)別開。系統(tǒng)測量的就是介于上限與下限距離范圍的障礙物信息。當(dāng)檢測到障礙物時，系統(tǒng)會通過語音模塊發(fā)出告警信號。語音播報部分是通過對接收到的超聲波信號進行檢測，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，處理完成后如為危險信號即發(fā)布聲音預(yù)警。通過控制開關(guān)，可控制語音模塊對實時的溫度和時間的進行播報。警示系統(tǒng)模塊通過AT89S52單片機控制語音模塊和控制開關(guān)，達到包括語音警示，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)計是一項系統(tǒng)的工程，它涉及到許多方面，包括單片機、超聲測距系統(tǒng)、開關(guān)控制系統(tǒng)、溫濕度采集系統(tǒng)、聲光報警系統(tǒng)、電源等的選擇，還包括單片機以及各模塊間的相互連接。在設(shè)計之前，必須要對整個智能導(dǎo)盲拐杖的各部分構(gòu)造有一個大致的了解。為了更好的實現(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單片機為核心的控制器，除此之外再細(xì)分模塊。整個系統(tǒng)根據(jù)“回波測距”的原理設(shè)計的，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、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。單片機在接收到傳感器的信息后，將傳感器的信號轉(zhuǎn)換為距離信息，通過語音播報或振動提示。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系統(tǒng)包括以下幾個模塊：（1）CPU模塊（2）超聲換能模塊超聲波發(fā)射包括產(chǎn)生超聲激勵脈沖的發(fā)射電路和超聲探頭，由單片機控制產(chǎn)生激勵脈沖激勵探頭發(fā)射超聲波。回波信號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盘柦?jīng)超聲波傳感器接收后轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)放大和濾波使信號的幅度和信噪比達到一定程度，滿足信號處理的要求。（3）電源模塊該模塊為整個系統(tǒng)供電，提供穩(wěn)定的電源。使整個系統(tǒng)能夠正常的運行。（4）語音播報模塊該模塊主要播報警示音，及對時間進行播報。（5）溫濕度檢測模塊 CPU模塊單片機一詞最初源于“SingleChip Microputer”，簡稱“SCM”。單片機 也叫做“微控制器”或者“嵌入式微控制器”。單片機在控制領(lǐng)域中，具有很多優(yōu)點，它體積小，成本低，運用靈活，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格比；它抗干擾能力強，適用范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境下都因能可靠的工作，這是其它類型計算機無法比擬的；內(nèi)存較大，功能強，抗干擾能力強、軟硬件資源都比較豐富等特點，其外圍接口電路簡單，具有很高的性價比，其價格僅為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，因而是一種功能強大的微控制器，它對很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個高度靈活有效的解決方案。此外，可以方便地實現(xiàn)多機和分布式控制，使整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高，所以我們可以利用單片機與超聲波技術(shù)的的結(jié)合來實現(xiàn)測距。基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)易實現(xiàn)，成本低，精確度高，并且容易做到實時控制，具備較強的實用性。這次設(shè)計所選用的AT89S52單片機如圖33所示，有40個引腳的芯片，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編程器對程序存儲器重復(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)