挑战杯论文(盲人避障)

摘 要在日常生活中，盲人属于弱势群体，行动及其不方便，外出行走时需要用拐杖或类似的代替物，这样既不方便同时存在安全隐患。本系统具有辅助盲人进行避障的功能，利用了HY-SRF05超声波模块进行超声波检测、采用ISD4004语音模块作为语音提示，结合单片机系统实现超声波测距语音报警的功能。文中对超声波测距原理、硬件电路结构和单片机软件系统等进行了论述，还对系统性能进行了可行性分析。本系统具有成本低，可靠性强，较好便携性，安装使用方便等优点，具有人机交互等智能化功能，为广大盲人朋友提供了一种新型的避障辅助器材，具有一定的市场推广空间。关键词：HY-SRF05超声波模块、ISD4004语音模块、单片机系统、智能避障目录摘 要11. 引言22. 超声波测距基本原理23. 系统硬件设计33.1系统要求33.2系统结构33.3主要器件资料43.4 硬件电路84.单片机程序设计94.1程序及算法分析94.2程序流程图114.3程序代码125.Proteus仿真186.系统调试206.1实验测试206.2实验数据206.3误差分析与改进217.市场前景与开发价值228.参考文献23盲人智能避障系统1. 引言对于正常人来说，也许避开前方的障碍物是很自然的，但是对于盲人来说,这就不是一件容易的事情了。本作品设计了一种帮助盲人躲避障碍物的系统，让盲人的生活变得更加轻松。2. 超声波测距基本原理超声波是指频率高于20khz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之。本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。超声波测距的方法有多种：如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。本设计采用往返时间检测法测距。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。测试传输时间可以得出距离。假定s(m)为被测物体到测距探头之间的距离，测得的时间为t（m/s），超声波传播速度为(m/s)表示，则有关系式2.1。 (2.1)在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式2.2对超声波传播速度加以修正，以减小误差。本设计不进行温度校正，取v=344m/s（）。 （2.2）式中0下超声波在介质中的传播速度 实际温度，单位：3. 系统硬件设计3.1 系统要求利用单片机、超声波测距模块、Proteus和Keil C51工具设计出距离测量系统，测量结果精确到1cm，制作实物并进行测试。3.2 系统结构本系统由HY-SRF05超声波模块、ISD4004语音模块，显示模块和单片机等构成，整个系统由51单片机控制。HY-SRF05超声波模块包含超声波发射电路、超声波接收电路，可通过单片机给其发送启动信号，HY-SRF05超声波模块接受到启动信号发送超声波，最后将测量信号返回给单片机。单片机对测量信号进行处理，通过显示模块显示测量结果，并且一旦测量值小于设定值，语音芯片将播放事先录制好的预警声音信号。显示模块由3位LED共阴数码管及相关电路组成，显示模块主要用于系统调试，调试完成后可将其去掉。系统结构框图如图3.1所示。显示模块复位电路AT89C51晶振电路HY-SRF05超声波模块语音模块图3.1系统结构3.3 主要器件资料3.3.1 HY-SRF05超声波模块HY-SRF05超声波测距模块可提供2cm450cm的非接触式距离感测功能，测距精度可高达3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。实物及引脚说明如图3.2和图3.3所示。有的模块并没有OUT口，本设计也没用到。图 3.2 超声波侧面图3.3超声波正面基本工作原理：（1）采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平；（2）模块自动发送8个40KHz的方波，自动检测是否有信号返回；（3）有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间（10us18ms），如果没有检测到反向则输出36ms的高电平。工作时序如图3.4所示。图 3.4 工作时序3.3.2 显示模块 主要用于试验阶段的数据显示和分析。显示模块由3位一体的LED数码管、74HC373锁存器和S8550三极管驱动电路构成。数码管结构如图3.5所示。图3.5显示模块74HC373锁存器可以让数码管显示更稳定。外部封装如图3.6所示，内部逻辑如图3.7所示，引脚说明见表3.1，真值表见表3.2。图3.6 74HC373外部封装图3.7 内部逻辑表3.1 引脚说明引脚名说明D0 D7数据输入端Q0 Q7数据输出端三态允许控制端，低电平有效LE锁存允许端，高电平有效VCC电源，5VGND接地表3.2真值表OEDnQnLHHHLHLLLLXQ0HXXZH：高电平L：低电平Q0：输入端准备状态条件建立前已确定的Q端(输出端)电平Z：高阻态驱动电路可以防止单片机IO口驱动能力不足。3.3.3 单片机本设计采用的是宏晶公司生产的采用DIP40封装形式的STC516RD+芯片，属于51系列的单片机，具有8位数据宽度的CPU，能处理8位二进制数据或代码，32K Bytes Flash ROM，512Bytes 片内RAM。晶振频率高达24M。如图3.8所示。图3.8 单片机引脚图3.3.4 ISD4004语音芯片ISD4004系列工作电压3V，单片机录放时间8至16分钟，音质好，适用于移动电话及其他便携式电子产品中。芯片采用CMOS技术，内含振荡器，防混淆滤波器，平滑滤波器，音频放大器，自动静噪及高密度多电平闪烁存储阵列。芯片设计是基于所有操作的必须由微控制器控制，操作命令可通过串口通信协议（SPI或Microwire）送入，芯片采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存储在片内的闪存中，因此可以十分真实自然地再现音乐、语音和效果音，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。采样频率可为4.0HZ，5.3HZ，6.4HZ，8.0HZ，频率越低，录放音时间越长，而音质则有所下降，片内信息存于闪烁存储器中，可在断电的情况下保存100年，反复录音10万次。3.4 硬件电路图3.9 硬件电路由于Proteus中没有3位数码管器件，暂且用4位数码管代替。PWRIN1是5V电源接口，HY-SRF05是超声超声波模块接口。器件清单如表3.3。表3.3 器件清单器件类型器件标号数量值电阻R1，R2，R3，R5410kR41220电容C1，C2230pFC3110uFIC芯片U11W78E058B40DLU2174HC373晶体管Q1，Q2，Q33S8550数码管DSPLED13位一体数码管按键开关K11排阻RP11晶振X1111.0592MHz电源接口PWRIN115V直流电源超声波模块接口HY-SRF0514脚排针4.单片机软件系统设计4.1算法分析整个单片机程序分为主函数、超声波时间测量、距离计算和数码管显示4个部分。主函数用来初始化系统和整体控制，其中包括给超声波测距模块发送启动测量信号。超声波时间测量模块获取所测时间，然后距离计算模块利用获得的所测时间计算出距离，最后显示模块显示测量距离。超声波时间测量模块是通过查询的方式来检测ECHO引脚的电平变化的，通过定时器T0来测量时间。显示模块通过定时器中断的方式实现数码管的扫描显示。测量过程的原理如图4.1所示。初始化时将T0的寄存器TH0和TL0清零，使用12MHz晶振时，则所测时间可通过式4.1.1算得。 （4.1.1）式中所测时间，单位：us由之前的式2.1，取v=344m/s，可得所测距离为： （4.1.2）化简得： （4.1.3）如果采用11.0592MHz的晶振，由于定时计数器计1个数的时间约为1.085us，因此距离不能通过式4.1.3计算，不然会有较大的误差，这时可通过式4.1.计算。本设计的实物制作时使用的是11.0592MHz的晶振。其他晶振频率也可通过类似计算得到。本设计的测量精度为1cm。 （4.1.4）图4.1测量原理图4.2程序流程图显示结果结束距离是否小于预警值报警停止计时，并打开T1中断进行显示计算距离令溢出标志flag=1，变量echo=0T0是否溢出出？echo=0？发射超声波开始关闭T1中断，启动超声波模块定时器T0、T1初始化，打开T0和总中断是否发射完毕（ECHO为高电平）？停止发射启动计时模块 Y N YY4.3子程序代码4.3.1超声波子程序oid ceju() i=0; flag=0;Tx=0; /首先拉低脉冲输入引脚TMOD=0x10; /定时器0，定时器1，16位工作方式 IT0=0; /由高电平变低电平，触发外部中断EX0=0; /关闭外部中断EA=1; while(shuju=0)uint distance_data;ET1=0; Tx=1; delay_20us(); Tx=0; /产生一个20us的脉冲，在Tx引脚 while(Rx=0); /等待Rx回波引脚变高电平 succeed_flag=0; /清测量成功标志 EX0=1; /打开外部中断 TH1=0; /定时器1清零 TL1=0; /定时器1清零 TF1=0; / TR1=1; /启动定时器1 ET1=1; while(TH1 30);/等待测量的结果，周期65.535毫秒（可用中断实现） TR1=0; /关闭定时器1 EX0=0; /关闭外部中断 if(succeed_flag=1) distance_data=outcomeH; /测量结果的高8位 distance_data=3) CONT_1=0; b=a;shuju=a; conversion(b); i=0; 4.3.2录音子程序void setkey_treat(void) set_key=1;/置IO口为1，准备读入数据 DelayUs(1); if(set_key=0) DelayMs(5);/延5ms去抖 if(set_key=0) if(flag3=0)/录音键和放音键互锁，录音好后，禁止再次录音。如果要再次录音，那就要复位单片机，重新开始录音 if(count=0)/判断是否为上电或复位以来第一次按录音键 st_add=170; else st_add=end_add+3; /每段语言间隔3个地址 addscount=st_add;/每段语音的起始地址暂时 if(count=25)/判断语音段数时候超过25段，因为单片机内存的关系? /本程序只录音25段，如果要录更多的语音，改为不可查询的即可 /如果超过25段，则覆盖之前的语音，从新开始录音 count=0; st_add=170; time_total=340; isd_powerup(); /AN键按下，ISD上电并延迟50msisd_stopwrdn();isd_powerup(); LED1=1;/录音指示灯亮，表示录音模式 isd_setrec(st_add&0x00ff,st_add8); /从指定的地址 if(INT=1)/ 判定芯片有没有溢出 isd_rec(); /发送录音指令 time_total=st_add*2;/计时初始值计算 TR0=1;/开计时器 while(set_key=0);/等待本次录音结束 TR0=0;/录音结束后停止计时 isd_stop(); /发送4004停止命令 end_add=time_total/2+2;/计算语音的结束地址 addecount=end_add;/本段语音结束地址暂存 LED1=0; /录音完毕，LED熄灭 count+;/录音段数自加 count_flag=count;/录音段数寄存 flag2=1; flag4=1;/解锁放音键 4.3.3放音子程序void upkey_treat(void)/ uchar ovflog; AN=1;/准备读入数据 DelayUs(1); if(AN=0)/判断放音键是否动作 DelayMs(5);/延5ms去抖 if(AN=0) if(flag4=1)/互锁录音键 if(flag2=1)/判断是否为录音好后的第一次放音 count=0;/从第0段开始播放 isd_powerup(); /AN键按下，ISD上电并延迟50msisd_stopwrdn();isd_powerup(); st_add=addscount;/送当前语音的起始地址 isd_setplay(st_add&0x00ff,st_add8); /发送setplay指令，从指定地址开始放音isd_play(); /发送放音指令DelayUs(20);while(INT=1); /等待放音完毕的EOM中断信号isd_stop(); /放音完毕，发送stop指令while(AN=0); / isd_stop(); count+;/语音段数自加 flag2=0; flag3=1; if(count=count_flag)/如果播放到最后一段后还按加键，则从第一段重新播放 count=0; 5.Proteus仿真Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件，它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。其中Proteus ISIS用于原理图输入和电路仿真，Proteus ARES用于PCB设计。由于Proteus ISIS中没有HY-SRF05超声波模块器件，并不能做完整的仿真，但也可以初步验证一下系统的功能是否正确，对设计的正确性做出分析，及早发现错误。在Proteus中可以验证单片机发送的启动HY-SRF05超声波模块的信号是正确，和测量时序是否正确。由于电源接口PWRIN1和HY-SRF05超声波接口HY-SRF05是自定义的元件，Proteus中并没有对应的仿真模型，因此并不能对电路进行仿真。这里将它们都变成子系统，分别在这两元件上点击右键，并选择“Edit Component”，进入“Edit Component”界面（或用快捷键Ctrl+E），在底下的复选项的“Attach hierarchy module”前打勾，这样就将元件转换为子系统了。仿真结果如图5.1所示。图5.2是TRIG引脚和ECHO引脚的电压波形。ECHO持续1ms高电平，理论计算的距离为17.2cm，精确到1cm则是17cm，仿真结果正确，由TRIG引脚和ECHO引脚的电压波形可知，测量时序是正确的，可见系统的功能是正常的。图5.1硬件原理图图5.2 波形图6.系统调试6.1实验测试完成软件开发，系统仿真和硬件电路设计之后，成品图如图6.1所示。图 6.16.2实验数据在室内测试所获得的一些实验数据如表6.1所示，预警值为50cm，。表6.1 实验数据系统测量值（cm）实测值（cm）报警2019否3031否4041否6060是7072是8083是6.3误差分析与改进由实验数据可知，在100cm的测量范围以内，误差在7%以内，测量的距离越大，误差也越大。误差的来源主要有以下各个方面：（1）声速引起的误差。声波传输速度与媒介的弹性模量和密度相关，因此，利用声速测量距离，就要考虑这些因素对声速影响。在气体中，压强、温度、湿度等因素会引起密度变化，气体中声速主要受密度影响，液体的深度、温度等因素会引起密度变化，固体中弹性模量对声速影响较密度影响更大，一般超声波在固体中传播速度最快，液体次之，在气体中的传播速度最慢。气体中声速受温度的影响最大。要减少这类误差可以增加相应的补偿电路，或进行软件补偿。（2）反射问题。如果被探测物体始终在合适的角度，那超声波传感器将会获得正确的角度。但是不幸的是，在实际使用中，很少被探测物体是能被正确的检测的。如图6.2所示。图6.2 a情况叫三角误差，当被测物体与传感器成一定角度的时候，所探测的距离和实际距离有个三角误差。图6.2 b叫镜面反射在特定的角度下，发出的声波被光滑的物体镜面反射出去，因此无法产生回波，也就无法产生距离读数，这时超声波传感器会忽视这个物体的存在。图6.2 c中的情况叫做多次反射。这种现象在探测墙角或者类似结构的物体时比较常见。声波经过多次反弹才被传感器接收到，因此实际的探测值并不是真实的距离值。这类误差通过多点测量能进行一定程度的改善，对测量探头的方向性要求较高。图6.2（3）噪声影响。虽然多数超声波传感器的工作频率为40-45Khz，远远高于人类能够听到的频率。但是周围环境也会产生类似频率的噪音。比如，电机在转动过程会产生一定的高频，轮子在比较硬的地面上的摩擦所产生的高频噪音。这个问题可以通过对发射的超声波进行编码来解决，比如发射一组长短不同的音波，只有当探测头检测到相同组合的音波的时候，才进行距离计算。这样可以有效的避免由于环境噪音所引起的误读。（4）单片机时间分辨率的影响。不管是查询发射波与回波，还是由其触发单片机中断再通过软件启停定时器，都需要一定的时候，中断的方式误差相对要小一些。相对而言，单片机的时间分辨率还是不太高，如晶振频率为12MHz时，时间分辨率为1s。由于测量过程中的随机误差是按统计规律变化的，为了减少其影响，可在同一位置处多次重复测量，然后取平均值。（5）单片机计算误差。以本次设计为例，存放结果的变量是无符号整型，势必存在截短误差。这类误差地通过改用精度更大的数据类型改善。7.市场前景与开发价值由于使用本产品便携性好，成本低，可靠性强，同时可以节省较多的能源及较多的时间，具有广阔的市场空间。据统计,目前我国的盲人为300万个。假如有三分之一的人使用本产品，约有100万可能使用本产品。产品按照推广价格每套300元计算，利润按毛利(含税)20%计算，销售额约为3亿元,毛利约为6000万元。8.参考文献1 杨素行主编. 模拟电子技术基础简明教程. 3版. 北京：高等教育出版，2006.52 陈忠平编著. 基于Proteus的51系列单片机设计与仿真. 2版. 北京：电子工业出版社，2012.53 赵建领等编著. 51系列单片机开发宝典. 2版. 北京：电子工业出版社，2012.24 周润景等编著. 基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真. 北京：北京航空航天大学出版社，2006.55 苏炜,龚壁建,潘笑.超声波测距误差分析.传感器技术.2004,23(6):8-11附件：程序#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int/录音和放音键IO口定义：sbit AN=P34;/放音键控制接口sbit set_key=P35;/录音键控制口/录音和放音键IO口定义：sbit Tx = P33; /产生脉冲引脚sbit Rx = P32; /回波引脚/ ISD4004控制口定义：sbit SS =P10; /4004片选sbit MOSI=P11; /4004数据输入sbit MISO=P12; /4004数据输出sbit SCLK=P13; /ISD4004时钟sbit INT =P14; /4004中断sbit LED1 =P16;/录音指示灯#define LCM_Data P0 /LCD1602数据接口sbit LCM_RW = P21; /读写控制输入端，LCD1602的第五脚sbit LCM_RS = P20; /寄存器选择输入端，LCD1602的第四脚sbit LCM_E = P22; /使能信号输入端,LCD1602的第6脚void DelayUs(uint us); /微妙延时程序void DelayMs(uint Ms);/毫秒延时程序void init_t0();/定时器0初始化函数void setkey_treat(void);/录音键处理程序void upkey_treat(void);/播放键处理程序void display();/显示处理程序void isd_setrec(uchar adl,uchar adh);/发送setrec指令void isd_rec();/发送rec指令void isd_stop();/stop指令（停止当前操作）void isd_powerup();/发送上电指令void isd_stopwrdn();/发送掉电指令void isd_send(uchar isdx);/spi串行发送子程序，8位数据void isd_setplay(uchar adl,uchar adh);void isd_play();void fayin();/程序中的一些常量定义uint time_total,st_add,end_add=0;uint adds5;/5段语音的起始地址暂存uint adde5;/5段语音的结束地址暂时uchar t0_crycle,count,count_flag,flag2,flag3,flag4;uchar second_count=170,msecond_count=0;/uint distance4; /测距接收缓冲区uchar ge,shi,bai,temp,flag,outcomeH,outcomeL,i,shuju; /自定义寄存器bit succeed_flag; /测量成功标志void delay_20us()uchar bt ; for(bt=0;btdistance1) t=distance0;distance0=distance1;distance1=t; if(distance0distance2) t=distance2;distance2=distance0;distance0=t; if(distance1distance2) t=distance1;distance1=distance2;distance2=t; void ceju() i=0; flag=0;Tx=0; /首先拉低脉冲输入引脚TMOD=0x10; /定时器0，定时器1，16位工作方式 IT0=0; /由高电平变低电平，触发外部中断EX0=0; /关闭外部中断EA=1; while(shuju=0)uint distance_data;ET1=0; Tx=1; delay_20us(); Tx=0; /产生一个20us的脉冲，在Tx引脚 while(Rx=0); /等待Rx回波引脚变高电平 succeed_flag=0; /清测量成功标志 EX0=1; /打开外部中断 TH1=0; /定时器1清零 TL1=0; /定时器1清零 TF1=0; / TR1=1; /启动定时器1 ET1=1; while(TH1 30);/等待测量的结果，周期65.535毫秒（可用中断实现） TR1=0; /关闭定时器1 EX0=0; /关闭外部中断 if(succeed_flag=1) distance_data=outcomeH; /测量结果的高8位 distance_data=3) CONT_1=0; b=a;shuju=a; conversion(b); i=0; /*= 主程序=*/void main(void) LED1=0;/灭录音指示灯 flag3=0; flag4=0; time_total=340;/录音地址从170开始，对应的单片机开始计时的时间就是340*0.1秒 adds0=170; count=0;/ LCMInit(); /1602初始化 init_t0();/定时器初始化 EA=1; while(set_key=1); setkey_treat();/录音键处理 while(1) upkey_treat();/放音键处理 ceju(); while(shuju=25)/判断语音段数时候超过25段，因为单片机内存的关系? /本程序只录音25段，如果要录更多的语音，改为不可查询的即可 /如果超过25段，则覆盖之前的语音，从新开始录音 count=0; st_add=170; time_total=340; isd_powerup(); /AN键按下，ISD上电并延迟50msisd_stopwrdn();isd_powerup(); LED1=1;/录音指示灯亮，表示录音模式 isd_setrec(st_add&0x00ff,st_add8); /从指定的地址 if(INT=1)/ 判定芯片有没有溢出 isd_rec(); /发送录音指令 time_total=st_add*2;/计时初始值计算 TR0=1;/开计时器 while(set_key=0);/等待本次录音结束 TR0=0;/录音结束后停止计时 isd_stop(); /发送4004停止命令 end_add=time_total/2+2;/计算