导盲杖的设计与制作论文

1、摘要世界上视觉障碍者数量众多，他们只能用60的感觉来获取信息。盲人生活在黑暗的世界中，给工作、生活、社交活动带来了莫大的困难。如何安全行走，是盲人生活中最大的问题。为了解决这一问题，本文模仿蝙蝠的超声应用能力和原理，在研究现有的电子式超声波导盲系统的基础上，应用回声定位原理，通过发送超声波，然后获得并分析障碍物的回波信息，研制了一套超声波导盲系统(导盲杖)。超声波导盲杖是为视觉障碍者提供环境导引的辅助工具。它通过超声波传感器对周围环境进行探测，将探测的信息反馈给视觉障碍者，帮助他们视觉信息的缺失。因而设计一款实用的导盲杖来帮助视觉障碍者是十分重要的。本设计在分析了导盲辅助工具特点的基础上，确定

2、了超声波导盲杖的总体设计方案，重点阐述了系统的硬件设计和软件设计。系统采用AT89S51作为主控制器，利用超声测距的原理, 设计了一种超声波导盲装置，可以对盲人前面道路上的障碍物进行距离探测并把障碍物距离信息转换成声音提示, 盲人可以根据提示声音，以达到辅助盲人安全行走的目的。关键词：导盲系统，AT89S51，超声波目 录摘要I1 绪论11.1研究背景及意义11.2 导盲杖的整体设计思想22 导盲杖的整体设计及原理42.1超声波的概述4超声波简介4超声波的传播52.2超声波传感器7超声波传感器简介7超声波测距的应用82.3超声波测距原理及实现102.4测量精度的影响11声时的影响11超声波频率

3、影响122.5提高测量精度的措施133 导盲杖的硬件设计143.1单片机系统143.2超声波发射电路153.3超声波接收电路173.4语音模块电路184 导盲杖的软件设计204.1系统软件设计原理204.2单片机C语言204.3系统软件设计框图225 系统调试与优化236 总结24致谢25参考文献26附录281 绪论随着单片机技术的不断成熟和发展，人们对电子产品的需求转移到为人类的生活上来。依据超声波测距原理辅助盲人行走，而超声波导盲杖目前国内市场罕见，与盲人需求相差甚大。综合分析表明，解决好功能价格比与我国盲人购买力的矛盾，是开拓市场的关键。导盲仪器作为用于为盲人指路的电子产品的一种，要想单

4、片机使其控制方案更加优化、行进轨迹更加合理，自动控制应用在导盲仪器上是发展的必然趋势。该系统具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小等特点。1.1研究背景及意义我国曾在上世纪80年代进行过视力残疾状况调查，结果显示，我国有视力残疾患者近1300万，其中盲人约就有550万。从全国防盲技术指导组办公室得到的数据也显示，我国有500万盲人，占世界盲人总数的1/5。随着人民生活水平的不断进步，让生活变得越来越简单方便成为了人民普遍追求的生活理念。盲人既是我们普通人民中的一员，又是一个特殊群体，他们由于先天的生理缺陷在日常生活中比我们常人会遇到更多的不方便，不能准确及时的发现并躲避障碍物就是一个重要的弊端

5、。虽然在现实生活中大多数的盲人都是借由普通的拐杖来辅助行走的，但这种拐杖只是一根普通的长杆，存在着太多的不足，比如不能探测上方悬挂的障碍物，不能识别稍远一点的障碍物等等。导盲犬虽然是引导盲人行进的不错选择，然而训练的不易、耗时及成本高昂也使得导盲犬的使用率并不高。如果有一种既轻巧，又便宜，同时又能及时的识别周围障碍物并发出报警信号的智能拐杖在盲人的手中将会为盲人的生活提供极大地方便。同时随着计算机技术、自动化技术及工业机器人的不断出现，测距与识别技术在工业中已经得到了普遍的发展，如何把这种非接触式检测与识别技术应用于民用领域也变得十分重要。蝙蝠擅长在黑夜中飞行，在漆黑的环境里仍能够准确的判断物

6、体的方位及距离，并能有效的避开树、建筑物等障碍物，以极快的速度精确地飞翔，蝙蝠的这种功能是通过回声定位来实现的。所谓回声定位，就是某些动物能通过口腔或鼻腔把从喉部产生的超声波发射出去，利用折回的声音来定向。比如蝙蝠，它通过喉部发出频率大约100KHz的超声波脉冲，当遇到食物或障碍物时，脉冲波会反射回来，蝙蝠用两只耳朵接受物体的反射波，并据此确定该物体的位置，并可从两耳分别接受到回波间的差别，来辨别物体的远近、形状及性质，物体的大小则由回波中的波长区别出来。根据蝙蝠的这种仿生学原理，超声检测与识别技术得到了广泛的应用，特别是医用以及工业领域中，如医学超声检测，超声探伤等。超声波具有传播速度慢，指

7、向性强，能级消耗缓慢，对色彩、光照度不敏感的特点，同时超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制的特点。综合以上优点，如果采用超声检测的方法实现对障碍物的识别，同时将这一项技术应用于导盲产品中将有广阔的发展前景。1.2 导盲杖的整体设计思想本次设计是研发电子导盲杖，主要是利用超声波测距技术，在遇到障碍物时，获得障碍物的距离信息，通过单片机控制语音模块，从而发出不同的报警录音，达到导盲的作用。主要内容如下：1） 根据测距技术的特点，进行电子导盲杖的整体研究和设计。2） 针对电子导盲杖的整体功能来焊接各个模块的电路。3） 对超声波发射模块进行论

8、证和设计，产生用于测量的超声波。4） 对超声波接受模块进行论证和设计，接收反射回来的超声波。5） 研究和学习使用语音模块，学会如何往模块里面录音，和如何控制放音。6） 进行数据采样电路的设计与分析，对发射和接收波的时间进行测量，计算距离。7） 根据距离来驱动语音模块进行放音。超声波测距的原理是利用超声波的发射和接收，根据超声波的传播时间来计算出传播距离，根据距离是否超过预定距离（本次设定的距离为2m），如果超出需要播放不同的录音。实用的测距方法有两种，一种是在被测物体的两端，一端发射，一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是利用发射波被物体反射回来后接受到的反射波方式，适用于测距仪。此次设计

9、采用反射波方式。测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择高频率的传感器，而长距离测量时应选择频率低的传感器。由于信号在初始状态下很微弱，需要进行信号放大。系统整体设计的原理图如图1-1所示：障碍物超声波发射功率放大单片机控制系统声音控制按键控制信号放大超声波接收图1-1 系统原理图2 导盲杖的整体设计及原理2.1超声波的概述2.1.1超声波简介科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹(Hz)。我们人类耳朵能听到的

10、声波频率为20Hz20000Hz。当声波的振动频率小于20Hz或大于20KHz时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。通常用于医学诊断的超声波频率为1兆赫兹5兆赫兹。理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大.在中国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度，这就是超声波加湿器的原理。如咽喉炎、气管炎等疾病，很难利用血流使药物到达患病的部位，利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够提

11、高疗效。利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。超声波在医学方面应用非常广泛，像现在的彩超、B超、碎石（例如胆结石、肾结石祛眼袋 之类的）,还能破坏细菌结构，对物品进行杀菌消毒。声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的一般上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，

12、它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用的频率范围在 25兆Hz之间，常用为33.5兆Hz（每秒振动1次为1Hz，1兆Hz=106Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在1620000Hz之间）。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此

13、超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，该特性就越显著。功率特性当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。空化作用当超声波在介质的传播过程中，存在一个正负压强的交变周期，在正压相位时，超声波对介质分子挤压，改变介质原来的密度，使其增大；在负压相位时，使介质分子稀疏，进一步离散，介质的密度减小，当用只够大振幅的超声波作用于液体介质时，介质分子间的平均距离会超过使液体介质保持不变的临界分子距离，

14、液体介质就会发生断裂，形成微泡。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。2.1.2超声波的传播超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此，利用超声波的这种性质就可以制成超声波传感器。超声波是波的一种，它的传播完全符合波的传播特点。所以超声波在介质中传播的波形取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波

15、。通常超声波有如下三种波形：（1） 纵波。当媒质中各体元振动的方向与波传播的方向平行时，此超声波为纵波波形。任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。纵波可以在气体、液体、固体介质中传播。（2） 横波。当媒质中各体元振动的方向与波传播的方向垂直时，此种超声波为横波波形。由于媒质除了能承受体积变形外，还能承受切变变形，因此，当其有剪切应力交替作用与媒质时均能产生横波。横波只能在固体介质中传播。（3） 表面波。是沿着两种媒质的界面传播的具有纵波和横波的双重性的波。表面波可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于表面的横波合成，振动质点的轨迹为一椭圆，在距表面1/4波长深处振幅最强，随着深度的增加而

16、很快衰减，实际上离表面一个波长以上的地方，质点振动的振幅已经很微弱了。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十kHz，而在固体、液体中则频率可能较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰弱较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，配上不同的电路，制成各种超声波测量仪器及装置，并在通信、医疗、家电等各种方面得到广泛应用。声波的传输需要一种媒质，声波在媒质中的传播速度，称为声速。声波在空气中传播速度为340m/s，有声波产生的物理过程可知，声速与质点速度是完全不同的，声波的传播只是扰动形式和能量的传递，并不把各自平衡位置附近的振动媒质点带

17、走。某种媒质中的声速主要取决于该媒质的温度和密度。由于气体没有剪切弹性，只有体积弹性，因而气体中的传播形式只能是纵波。也就是说，在声的扰动下，气体媒质中的质点在各自平衡位置附近运动，形成稠密和稀疏依次交替的传播过程，而且，质点运动的方向与声波的传播方向一致。声速在相当大的频率范围内不随频率的变化而变化，也就是说超声波的传播速度与可听声波的传播速度是相同的，超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律与可听声波并无质的区别，与一般声波相比，超声波具有更好的定向性，并且可以穿透不透明物体。超声在一般流体媒质（气体、液体）中的传播理论已经成熟。在常温下空气近似为理想气体。超声波在理想气体中的传播

18、速度为：C= (2-1)式中：M:气体摩尔质量，空气为2.8×10-3kg/mol :气体的定压比热和定容比热的比值，空气为1.40 R气体普适常数，为8.314kg/mol·K-1 T：为热力学温度实际上，式（2-1）中只有R能当常量来对待，一般情况下M变化很微小，对声速的影响很小，我们常常也把它们当作常量来研究温度对声速的影响。设t为气体的摄氏温度，则：T=273.15+t (2-2)把式（2-2）代入式（2-1）可得：C(t)= (2-3)式（2-3）就是空气中温度与超声波传播速度的关系式。2.2超声波传感器2.2.1超声波传感器简介超声传感器是一种将其他形式的能转变

19、为所需频率的超声能或是把超声能转变同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有：1压电传感器；2磁致伸缩传感器；3静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于

20、晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。其具有下列的特性：把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感器。传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较

21、少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为f0交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的，超声波发内部结构如图2-1所示（图哪里去啦？，加的话，要把后面的

22、图的编号修改一下；若不加图，就把这句去掉“超声波。如图。所示”去掉），它有两个压电晶片和一个共振板，当它的两极外加信号，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，并共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为波传感器。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率f0。发射超声波时，在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器超声波传感器的内

23、部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响与接收超声波。2.2.2超声波测距的应用众所周知，关于超声波的研究起始于1876年，这是人类首次有效产生的高频声波，这些年来，随着超声波技术的不断深入，再加上其具有高精度，无损，非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及，多年来已在一些领域的要应用，而用于汽车防装却是近年的事情。这主要原因是传统的超声波传感器不能达到汽车行业的特殊要求。利用超声波作为定位技

24、术是蝙蝠等一些无目视的生物作为防御以及捕捉猎物的生存手段，也就是有生物体发出而不被人们所听到的超声波，借助空气媒质传播由被呆捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍物位置的方法。由于超声波的速度相对于光速要小得多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定位发射，方向性好，轻度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。超声学是近年来发展十分迅速的一门技术，人们采用仿真技能，利用超声波，已应用在很多方面。超声技术可分为检测超声和功率超声，作为检测用的超声波显然属于检测超声的范畴

25、。检测超声主要是利用超声的信息载体作用，即通过超声在媒质中的传播、吸收、散射、波形转换等，提取反映媒质本身特性或内部结构的信息，达到检测媒质性质、物体形状或几何尺寸、内部缺陷或结构的目的。利用超声对目标进行检测有其独特的优点：超声波在传播时，方向性强，能量易于集中，几乎沿直线传播；超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离；超声波对色彩、光照度不敏感，对外界光线和电磁干扰不敏感，可以用于黑暗、有烟雾或灰尘、电磁干扰强等恶劣的环境中；超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。正因为超声波有着这些独特的优点，在国民经济和国防中越来越被人们所重视。目前，超声

26、波已广泛应用在民用及国防工业中。例如，用超声波可以探测海洋潜艇的位置、鱼群以及确定海底暗礁等障碍物形状及位置；利用超声波传播的时间确定物体的长度以及超声波在固体里遇到障碍物的反射来确定物体内部损伤的位置，称之为无损探伤；利用超声波测距辅助机器人确定自身位置，从而准确避开障碍物，按照预先规划好的行进方向来完成预定任务。另外还有应用于矿井探测、液面探测、物位的测量、汽车报警等领域。超声波测距主要是利用超声波在介质中传播时表现出来良好的性质进行距离测量的，与军事、大型工业领域广泛采用的微波雷达测距、激光测距等技术相比，这种检测技术难度相对较小，成本比较低廉，不易受环境的限制，应用起来比较方便、迅速、

27、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能够达到工业实用的要求，因此超声波测距技术得以广泛的推广和应用。2.3超声波测距原理及实现超声波的指向性强,能量消耗缓慢,遇到障碍物后反射效率高,是测距的良好载体。测距时由安装在同一位置的超声波发射器和接收器完成超声波的发射与接收,由定时器计时。首先由发射器向特定方向发射超声波并同时启动定时器计时,超声波在介质传播途中一旦遇到障碍物后就被反射回来,当接收器收到反射波后立即停止计时。这样,定时器就记录下了超声波自发射点至障碍物之间往返传播经历的时间t(s)。由于常温下超声波在空气中的传播速度约为340m/s,所以发射点距障碍物之间的距离为: S=34

28、0 t/2=170 t (2-4)由于单片机内部定时器的计时实际上是对机器周期T机的计数,设计中时钟频率f取12MHz,设计数值N,则 T机=12/f=1s,t=N T机=N×10-6(s) S=170×N×T机=170×N/106(m) 或S=17×N/103(cm) (2-5)程序中按式(2-5)计算距离。可以看出主要部分有：(1)供应电能的脉冲发生器（发射电路）；(2)使接收和发射隔离的开关部分；(3)转换电能为声能，且将声能透射到介质中的发射传感器；(4)接收反射声能（回波）和转换声能为电信号的接收传感器；(5)接收放大器，可以使微弱的

29、回声放大到一定幅度，并使回声激发记录设备；(6)记录/控制设备，通常控制发射到传感器中的电能，并控制声能脉冲发射到记录回波的时间，存储所要求的数据，并将时间间隔转换成距离。在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多；频率取得太高，在传播的过程中衰减较大。故在超声波测量中，常使用40KHz的超声波。目前超声波测量的距离一般为几米到几十米，是一种适合室内测量的方式。由于超声波发射与接收器件具有固有的频率特性，具有很高的抗干扰性能。距离测量系统常用的频率范围为25KHz300KHz的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，或者两个是分开使用的。发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向

30、传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录。2.4测量精度的影响在测距公式 （2-6）中，声波在介质中的传播速度c是一个受多种因素影响的变量，声时t是由计时电路测量得到的，并随着被测距离的改变而变化的，对式(2-6)两边微分得到 （2-7）式(2-7)说明，超声波测距系统的测量精度是由声时和声速两个参数决定的。2.4

31、.1声时的影响在影响声时精度的诸多因素中，计时电路的计时频率和超声波的发射频率有是两个重要因素。(1) 计时电路的计时频率取为常数，则（2-7）为： (2-8)假设计时频率为，则(2-7)为 (2-9)(2-9)表明：计时电路的计时频率越大，测试精度越高。2.4.2超声波频率影响超声波传感器收到回波信号后转换为电信号输出，电信号（接收信号）的幅值随时间的变化规律如图2-1所示：图2-1 接收信号示意图如果将触发计时电路的阀值设为A点所在的水平电信号，那么，计时电路的计时时间比接收信号的开始时间滞后了2个周期，在测量距离时将产生1个波长的误差，即： （2-8）式中：T为超声波的周期，为测量距离内

32、将产生的误差所以，超声波频率越大，周期就越小，传感器的测量精度越高。并且超声波频率高，绕射能力弱，扩散角小，波束细，则盲区比较小。但在选用超声波换能器时，还应考虑到超声波换能器的频率越大，传播过程中的衰减系数越大，将影响它的有效测试距离。本系统属于近距离测量，因此选用频率较高的125KHz 超声波。式(2-4)明：超声波测距系统在测量距离时，必须知道超声波在介质中的传播速度，才能根据计时值中求出所测物体的距离。超声波的传播速度是一个变量，受多种因素影响，即使在传播介质确定的情况下，介质温度、压力、风力等因素的改变，也将影响超声波的传播速度。所以，在超声波测距系统的实际应用中，很难得到一个稳定不

33、变的超声波速度，因此必须对超声波的速度进行实时校正。对于在大气中传播的声波而言，引起声速变化的主要原因是温度的变化。温度传感器校正。如果传播介质比较稳定，而且温度是影响传播速度的最主要因素，那么就可以采用温度传感器对超声波速度进行实时校正。校正方法：通过试验确定在传播介质中超声波速度与温度之间的关系曲线，按照一定的温度间隔得到一个温度与速度的关系表格，最后将温度与速度的关系表存入超声波测距系统的软件系统。在实时测距时，系统通过温度传感器获得介质的实时温度，然后从速度与温度关系表格中取出对应速度，从而清除温度对超声波的影响，则求出实际测试距离，如表2-1所示：表2-1 超声波的传播速度与温度关系

34、温度/-30-20-100102030100声速m/s3133193253333383443503882.5提高测量精度的措施针对上述测量精度的影响因素，采取如下措施可以提高超声波测距传感器的测量精度。1） 提高计时电路的计时频率如果选择1 MHz脉冲频率，则计时频率周期可达到，如果，则测试精度为：。可见，如果提高计时电路的计时频率，则精度会提高。2）提高超声波换能器的固有频率如果超声波的固有频率为40 KHz，并假设接收信号滞后两个周期，则式(2.7)得测试误差为：。如果超声波的固有频率为125KHz，则测试误差将缩小3.125倍。3）超声波的传播速度与温度关系根据当时的温度情况，对照超声波

35、的传播速度与温度关系，采用适合的声速来进行计算。3 导盲杖的硬件设计硬件电路的设计主要包括单片机系统、超声波发射电路、超声波检测接收电路和语音电路四个部分。单片机采用AT89S51系列。采用12MHz高精度晶振，以获得较为稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用P3.3端口输出超声波换能器所需的40KHz的方波信号，利用外部中断0检测超声波接收电路的返回信号。语音电路采用的是TT07-12515语音模块。3.1单片机系统单片机在控制领域中，具有很多优点，它体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，它能方便的组成各种智能化的控制设备；面向控制，能针对性的解决从简单到复杂的各种控制任务，而能获得最佳的性

36、能价格比；它抗干扰能力强，适用范围宽，在各种恶劣的环境下都因能可靠的工作，这是其它类型计算机无法比拟的；此外，可以方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高，所以我们可以利用单片机与超声波技术的结合来实现测距。基于单片机的超声波测距系统易实现，成本低，精确度高，并且容易做到实时控制，具备较强的实用性。本系统中，单片机模块由AT89S51单片机及其外围电路组成，是整个超声波测距仪的核心电路。AT89S51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash 存储器，具有8K在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，

37、与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S51具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S51 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉

38、电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。图3-1 AT89S51单片机3.2超声波发射电路超声波发射电路由超声波换能器(或称超声波振头)和超声波发生器两部分组成,电路如图2所示。系统中,超声波换能器的型号为CSB40T,它将超声波发生器提供的电信号转换为机械振动并发射出去。40KHz的超声波信号是利用NE555时基电路振荡产生的振荡频率f 1.44/(R22+2×R23)×C21),通过R23调节信号频率,使之与换能器的40KHz固有频率一致。工作时,单片机用P3.3端口输出同步脉冲信号,超声波发生电路产生40KHz的

39、调制脉冲,经换能器转换为超声波信号向前方空间发射。系统启动后单片机触发多谐振荡器得到所需的输出为40KHz方波信号，经多谐振荡器的3脚输出，使超声波发射信号。NE555集成定时器组成的多谐振荡器如图3-2所示：图3-2 超声波发射电路Vcc为+5V，R1以用电位器，它可以调整振荡周期，开机上电时，电源通过R1和R2向C2充电，当C2上电压下降到Vcc的三分之二时，内部触发器被置位，输出翻转成低电平，7脚端内部导通，使C2通过R2放电；当C2上电压下降到Vcc的三分之一时，内部触发器被置位，输出又翻转成高电平，7脚端内部截止，一个周期结束。C2在充电、放电过程中，其电压在Vcc/32Vcc/3之

40、间，因此，充电周期可表示为： t1=-(R1+R2)×ln(Vcc-2Vcc/3)/(Vcc-Vcc/3)0.693×(R1+R2)×C （3-1）t2=0.693×R2×C （3-2）因此可发射脉冲周期：T= t1+t2=0.693×(R1+2R2)×C （3-3）发射脉冲波形的频率为：F=1/T=1.443/(R1+2R2)×C （3-4）输出脉冲占空比为：D=t×(R1+R2)/T×(R1+2R2) （3-5）其中t1是充电周期，t2为放电周期，F为振荡频率。因此，只有在R2>>

41、;R1条件下，占空比D才接近50%的理想方波。由于测量精度受温度影响较大，超声波速度V与环境温度（Tenv）的关系由经验公式可得：V=331.4× （3-6）因此温度没变化1，声波的速度变化0.6m/s。若渡越时间达到9ms（距离为3m），就会产生5mm的误差；若温度变化2，则产生1cm的误差。在超声波测距中，把声速作为一个标准量，为了获得较精确的声速可通过公式（3-6）进行脚校正。3.3超声波接收电路超声波接收电路由超声波传感器、两级放大电路和锁相环电路组成。超声波传感器接收到的反射波信号非常微弱，两级放大电路用于对传感器接收到的信号进行放大。锁相环电路接收到频率符合要求的信号后向

42、单片机发出中断请求。锁相环LM324内部压控振荡器的中心频率为)211.1/(10CRfP=，锁定带宽与C3有关。由于发送的超声波频率为40kHz，帮调整相关元件使锁相环的中心频率为40kHz，只响应该频率的信号，避免了其他频率信号的干扰。 当超声波传感器接收到超声波信号后，送入两级放大器放大，放大后的信号进入锁相环检波，如果频率为40kHz，则从8脚发出低电平中断请求信号送单片机P3.3端，单片机检测到低电平后停止定时器的工作。超声波接收电路如图3-3所示：图3-3 超声波接收电路3.4语音模块电路语音电路采用的是TT07-12515语音模块。该模块外具有价格低、稳定可靠、可重复录音、开关触

43、点控制、宽电源电压、体积小等特点。产品外形和接口图片如图3-4所示：图3-4 语音模块YT071）控放音方式有：7 组触点控制，可接入常开或常闭触点控制，也可组成4*4矩阵键盘。485 总线控制。适用于距离较远，或节点较多的情况。2) 接口介绍:左侧 8P 端子: 七路开关信号接线端子，信号从上到下为 1-8 路，第 8 路为开关信号公共脚。右侧 4P端子: VCC、GND 为模块供电接口，输入 9-24V 直流电源; 485-A、485-B 为 485 总线控制接口，可通过 485 接口进行录音和放音操作。音频输出: 可接 3.5 音频插头，用于音箱等设备放音。右侧 2P 蓝色端子: 可接喇

44、叭等接线式放音设备。3)放音应用:七路触电信号可控制播放 7 段语音信息，共有 6 种采样方式可供选择。第 1-5 种方式，每个触点对应一段语音，触发后可播放。触点 1 对应录音时的第一段语音。触点 2 对应第 2段，以此类推。闭合播放一次:单个控制触点与公共触点由断开跳变闭合时，只触发一次播放。如果始终保持闭合，不再触发播放。闭合循环播放:单个控制触点与公共触点保持闭合时，播放语音。播完一遍之后，检测触点如果仍然保持闭合，则继续播放。如果多个触点符合条件，只检测较靠前的触点。断开播放一次:单个控制触点与公共触点由闭合跳变断开时，只触发一次播放。如果始终保持断开，不再触发播放。断开循环播放:单

45、个控制触点与公共触点保持断开时，播放语音。播完一遍之后，检测触点如果仍然保持断开，则继续播放。如果多个触点符合条件，只检测较靠前的触点。触点变化播放:单个控制触点与公共触点由发生闭合或断开跳变时，只触发一次播放。如果始终保持状态，不再触发播放。矩阵键盘:触点 1、2、3、4 与 5、6、7、8（COM）组成 4 行 4 列的矩阵键盘。可控 16 段语音。4 导盲杖的软件设计在系统硬件构架了超声测距的基本功能之后，系统软件所实现的功能主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应用。4.1系统软件设计原理导盲杖的软件设计主要有主程序、超声波发生程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。我们知道C语言程

46、序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序需要有较复杂的计算（计算距离时），所以控制程序可采用C语言编程。4.2单片机C语言C语言是一种结构化的程序设计语言，它的特点就是可以尽量减少你对硬件进行操作，具有很强的结构性、功能性和可移植性，常常被用来作为单片机系统的编程语言。但是用于单片机的C语言和标准C语言区别很大。如何结合单片机的系统资源，用C语言开发符合实际工程需要的单片机系统，对编程者来说具有十分重要的意义。用C编写程序比汇编更符合人们的思考习惯，开发者可以摆脱与硬件无必要的接触，更专心的考虑功能和算法而不是考虑一些细节问题，这

47、样就减少了开发和调试的时间。C语言具有良好的程序结构，适用于模块化程序设计，因此采用C语言设计单片机应用系统程序时，首先要尽可能地采用结构化的程序设计方法，将功能模块化，由不同的模块完成不同的功能，这样可使整个应用系统程序结构清晰，易于调试和维护。不同的功能模块，分别指定相应的入口参数和出口参数，对于一些要重复调用的程序一般把其编成函数，这样可以减少程序代码的长度，又便于整个程序的管理，还可增强可读性和移植性。C语言的优越性：(1)不懂得单片机的指令集，也能够编写完美的单片机程序；(2)无须懂得单片机的具体硬件，也能够编出符合硬件实际的专业水平的程序；(3)不同函数的数据实行覆盖，有效利用片上

48、有限的RAM空间；(4)程序具有坚固性: 数据被破坏是导致程序运行异常的重要因素。C语言对数据进行了许多专业性的处理，避免了运行中间非异步的破坏；(5)C语言提供复杂的数据类型 (数组、结构、联合、枚举、指针等)，极大地增强了程序处理能力和灵活性；(6)中断服务程序的现场保护和恢复，中断向量表的填写，是直接与单片机相关的，都由C编译器代办；(7)提供常用的标准函数库，以供用户直接使用；(8)头文件中定义宏、说明复杂数据类型和函数原型，有利于程序的移植和支持单片机的系列化产品的开发；(9)有严格的句法检查，错误很少，可容易地在高级语言的水平上很快被排除。4.3系统软件设计框图主程序流程图如图4-

49、1所示：图4-1 主程序流程图上电后主程序将无限循环，初始化系统设置一系列的初始值，初设报警距离为2m，即2m距离内有障碍物就驱动语音模块报警。为了避免接收传感器直接接收到发出的超声波，在发射超声波之后加一段延时程序，延时后启动定时器和回波程序，等待接收回波，超时（即在设定距离内没有障碍物）即返回前面，若有回波则停止计时，读取时间差，利用公式S=vt/2计算出距离，然后驱动报警程序，知道远离障碍物。最后返回重新开始。5 系统调试与优化超声波导盲杖的制作和调试都比较简单，安装时探头时应保持两换能器中心轴线平行并相距48cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰

50、能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。系统调试完后对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的导盲要求。超声波从发射到接收的时间间隔是由控制器内部的定时器来完成的。由于发射器探头与接收器探头的距离不大，有部分波未经被测物就直接绕射到接收器上，造成发送部分与接受部分的直接串扰问题。这一干扰问题可通过软件编程，使控制器不能读取接收器在从发射开始到"虚假反射波"结束的时间段里的信号。这样,就有效的避免了干扰，但另一方面也形成了20cm的“盲区”。此“盲区”很小，对本系统没有影响。提高

51、计时精度，减少时间量化误差。如采用芯片计时器，计时器的计数频率越高，则时间量化误差造成的测距误差就越小。系统电路实物图如图5-1所示：加入实物图6 总结在即将毕业之际，做一个系统的设计可以对自己三年的所学做一个总结，也是给自己以后工作增添一份信心。 以上基于单片机的超声波的测距系统的设计包含了：电路分析、数字、模拟电路和单片机、传感器、C语言等方面的知识，另外还有选材购买、动手制作等方面，所以具有很高的参考价值；同时，该设计的方案也是来源于生活中广泛的应用领域，有很强的应用价值。 单片机的应用改变了传统的设计思路，以前构建一个系统需用很多的数字模拟器件或者电路单元来构建，系统可靠性差、缺乏灵活

52、性、维护不便、成本高、无法实现智能化等诸多缺点。单片机的应用解决了很多问题，现在只要写一个软件，通过单片机和一些简单的外接电路就可以实现具有很多功能的、而且具有智能化的系统，同时可方便升级维护。所以单片机的应用广泛，在日常生活和生产中占用重要位置。所以我们设计选择了单片机的系统其说明我们深深的意识到它的重要作用。设计中也“小试牛刀”的使用了我们传感器课程所学的超声波的知识；在做光电耦合电路部分的时候三极管的计算用到了电路分析；模拟电子技术的知识；单片机程序设计使用了C语言来编写程序，感受到了C语言的魅力所在。可以说该设计的过程是对我们三年所学的一次总结。 通过以上的设计过程，我们不但在知识上收

53、获了，而且发现了自己的一些不足之处；同时，我们也对自己的动手能力有所锻炼，而且一次成功的经历给我增添了不少的信心。我们相信，毕业后，把这种学习的兴趣和努力的精神发挥到工作中一定能有所作为。致谢本次设计得以顺利完成，首先要感谢赵新老师的指导和大力支持。赵新老师渊博的专业知识、严谨的态度、精益求精的工作作风、平易近人的人格魅力对我影响深远；赵新老师指导了我的设计的结构、思路，同时提供了一些专业知识的帮助。在专科三年的学习过程中，只要我有困难，赵新老师都会给予我耐心的指导。从论文开题，论文创作阶段，到论文完成，赵新老师都付出了大量的时间和精力，使我能顺利的完成毕业论文。感谢周维军和赵志能同学，在论文

54、研究过程中的大力支持。感谢实验室全体成员对我的帮助，良好的学术氛围和温馨的环境使我受益良多！感谢同班同学对我的帮助，三年与你们共处的美好时光将深刻留在我记忆中！感谢我的父母和亲人对我学习和生活的关心，对我学业的支持。最后感谢所有鼓励过我、帮助过我的老师和朋友们！同时也感谢三年来授我们以渔的老师们，是你们的教导使得我们获得了知识。表示衷心的感谢！参考文献1 杨加国. 单片机原理与应用及C51程序设计（第2版）. 北京：清华大学出版，2009.72 胡宴如. 模拟电子技术（第3版）.北京：高等教育出版社，2008.63 杨志忠. 数字电子技术（第3版）.北京：高等教育出版社，2008.64 段善荣，厉阳春. C语言程序设计教程. 武汉：科技大学出版社，2010.15 徐军. 传感器技术