智能导盲系统设计

1、本科毕业设计说明书 （论文） 第 页 共 46 页南京理工大学泰州科技学院作者：黄建军绪论我国曾在上世纪 90 年代进行过视力残疾状况的调查，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的数 据也显示 1 ，我国有 550 万盲人，占世界盲人总数的 1/5。随着人民生活水平的不断 的进步，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，他们由于先天或后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。如果有一种既轻巧，

2、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。由于超声波的速度相对光速要小的多，其传播时间更加容易被检测，并且易于定 向的发射，方向性较好，强度可以控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。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，测距和识别技术在工业中 已经得到了普遍的运用与发展， 如何把这种非接触式检测与识别技术应用到民用领域 已变得十分重要了。课题背景及意义盲人既是我们普通人民中的一员，又是一个特殊群体，他们由于先天或后天的生 理缺陷在日常生活中比我们常人会遇到更多的不方便和安全隐患。 本设计就是为了避 免盲人在行

3、走时与前方障碍相撞。盲人导盲预警系统的运用可极大地减轻盲人的行走不便与安全隐患， 降低且避免 因盲人不辨障碍而导致的事故的发生， 同时它将对提高人体智能化设计起到重要的意 义。对超声波具有传播速度慢，指向性强，能级消耗缓慢，对色彩、光照度不敏感的 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，并且可以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广阔的发展前景。设计研究的内容本设计中超声波测距的设计是根据蝙蝠依靠超声波进行夜间飞行捕食的能力和 原理，并且利用现在的单片机控制式超声测距系统，运用超声波一来一回确定目标位 置

4、的原理，主要是通过超声波传感器发送和接受超声波，然后通过对比分析发射的波 与遇到障碍物后的回波信息，这样就完成了超声波导盲仪的数据采集部分。本设计系本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 46 页 统的单片机是使用 AT89S52 芯片，主要运用的原理也是超声波测距方面的。 通过组装 和协调各个硬件完成该装置的硬件部分， 该装置可以把盲人前方道路上遇到的一定范 围内的障碍物进行距离探测并且可以将障碍物距离盲人多少米转换成实时语音提示 , 通过语音提示盲人可以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 他产品所不具备的特点比如：电路结构简单，元器件价格便宜。电路的抗干扰性强。 因

5、为盲人在夜晚行走时，行人和车辆不容易发现，可能对盲人的生命构成危险，所以 本设计还需要增加夜间灯光的设计。选择运用光敏电阻，通过检测周围环境的亮度就 相当于电阻灯光电路的通断开关, 并把提示灯的亮度转化为相对逻辑的红色警示闪光灯。用来提醒来往行人和车辆避让。另外还有快闪提示，当有快速物体靠近时，有相 应的语音提示。论文结构第 1 章本章主要介绍了设计超声波导盲拐杖的背景及意义。 对设计研究的大致内 容做了概述。第 2 章首先是超声波的概论以及测距原理的注意点， 并提出了本设计的测距方案。第 3 章只要是系统的硬件部分首先提出设计思路然后画出硬件电路设计框架， 然 后详细的给出了硬件电路中使用了

6、的各个模块关键元器件的说明。第 4 章智能语音导盲仪的软件设计，首先是说明软件是设计环境，然后给出软件 的编程流程图，然后准备编程进行程序的仿真。第 5 章是对系统调试的分析，通过理论数据与实际所得结果的对比得出误差，然 后就可以改正原来的系统从而进行改进。第 6 章结束语主要是介绍本次毕业设计中所遇到的困难， 以及对自己所学专业的 深刻认识。本科毕业设计说明书 （论文） 第 页 共 46 页超声波测距的工作原理及方案论证超声波概述声音是自然界生物之间沟通交流的工具，声音在人类发展的初期就已经产生了， 在我们所存在的大千世界中存在着各种各样丰富多彩的声音。在科学的发展道路上， 声学早就是一个古

7、老而又充满活力的学科。但是人的耳朵是听不到超声波信号的，大 概到了十八世纪，人们发现海豚、蝙蝠等生物的别具一格然后开始了研究，才发现自 然界存在一种波叫超声波。声波是一种机械波并且在液体、气体、固体中都是可以传 播的 。按照声波的振动频率来划分，声波可以分为四种不同高低频率的波：频率范围 处于 16kHz 20kHz 之间的机械振动波 2 ，定义为声波，人的耳朵可以听见；频率小 于 16kHz 的机械振动声波被称为次声波； 频率高于 20kHz 的机械震动声波被称为超声 波；高于 10MHz 的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的质点，第二要有传播声波的介质， 声

8、波在某些条件下是不好传播的。另外单单具备以上两个条件也是不行的，质点振动 时还不能随波的移动而移动，而且质点只是在平衡点的上下进行机械波的振动，这就 和我们大学物理所学的电磁波的原理有点类似，但是区别也很大，比如电磁波也是一 种机械波，但是不需要要有固液气三种形态的物质进行传播，还有就是光波与声波也 是不一样的，光波既是粒子的又是机械的也是不需要传播介质的；电磁波的传播速度 和光的传播速度一样都是 3108m/s，然而超声波的传播速度只有 340m/s ，从速度上来 看超声波的速度比电磁波的速度慢很多，根据波的理论原理两个相同频率的波，波长 短的可以提高超声波测距的分辨能力；超声波在同一种介质

9、中的传播速度是一样的， 就是你只要传播的介质是相同的频率的不同是不会改变超声波的传播速度， 波的波动 方向是和质源振动的方向是相同的，所以说超声波是一种上下振动的弹性机械波，它 的传播必须要借助于介质分子的运动。折射、反射、散射、衍射等物理现象一般发生在声波穿过两个不同介质的临界面。 超声波也是一种声波所也具备也具备人耳能听到的可听波的性质。 但是毕竟频率有所 不同所以超声波总是有她的特别之处，与平常人耳所听到的波应该有不同的性质，比 如方向性很好不会随意的因为外因而改变方向，波的加速时间快，最显著的特点就是 其波长比较的短，最短的只有毫米的千分之一，足见与可听波相比，超声波确实有很多特别的性

10、质。超声波传播特性超声波的频率高所以波长就比较短，当超声波穿过障碍物时， 障碍的大小尺寸应该比超声波的波长大很多， 由此我们得出超声波穿过障碍物时衍射 的将几乎不可能发生，超声波的传播也是定向直线传播除非传播的介质不是均匀的， 根据现在波学的理论，当波长越短时，波是很难发生衍射的，所以超声波在这方面拥 有其独特的一面。超声波功率特性当声音在空气中传播时， 必然将带动空气中的分子或者微粒做 着振源的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的物理量。科 学验证表明在同一频率下，声波的频率越高所产生的功率就越大。超声波的频率都是 大于 20kHz ，所以和普通的声波相比超声波的频率是很

11、大的。超声波传感器超声波传感器是根据超声波的特性研制而成的传感器，可用于发射和接受超声 波，其既可以把超声波转换成其他形式的能量，也可以将其他形式的状态转换成超波 的存在形式。运用超声波传感器的电路具备以下几方面的优点：（1）测量的原理和方法简单，在电路中容易实现。（2）测量的精确度高，能够准确的测出物体的距离。（3）超声波传感器发出的超声波具有一定的范围，覆盖性广，因此测量时并不需 要使用许多的传感器，因为每个传感器都是覆盖一定的范围，节约了成本。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的距离既不能太远也不 能太近，存在着距离测量的近限和远限。距离过远

12、时，接收到的信号太弱，以致无法 从噪声信号中分辨出来，这是远限存在的原因 3 。在距离过近时，接收信号将落进盲区中而无法分辨出来，这是近限所以存在的原因。所以，设计中要尽量减小盲区，同 时提高检测的距离精度。减小盲区措施 ：（1）压缩脉冲宽度传输端采取降低振荡脉冲或单个脉冲的幅值的措施，降低了 余震（拖尾），这种方法通常用于短距离的测量使用。2）采用自动距离增益控制使用接受放大器必须具备自动增益控制的功能，这 样近距离所产生的增益将会变小，距离远时的增益又比较大，这样就可以使发射信号的余震幅值变得小了，也可以分辨并接受近处的返回信号，当然就可以减少盲区了。 另外，也可以时测量远处障碍物时返回信

13、号的幅值变大从而提高了距离测量的精度。（3）信噪比问题超声波测量的距离总是有上限的。接收信号的幅值决定了量程，返回信号的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 的噪声就行频谱分析，尽量是使超声波的频率与周围噪声的频率不相同。超声波测距的方案超声波测距和超声波检测所使用的方法是相同的。 超声波测距大体上可以分为三 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的 精确度是最高的，但这种方法的检测范围并不是很大，声波幅法的弊端在于容易被反 射波所影响，目前超声波测距这一快使用最多的方法是往返时间法。往返时间法的基 本原理就是在晓的声波的在某种介质

14、中的传播速度， 然后通过计算发射和接受信号分 别遇到障碍物的时间差来求的障碍物的距离，原理图如图2.1所示。详细的来讲只要激励电路产生一个40kHz 的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，机械振动然后通过空气分子的振动而传送出去，发射 的超声波信号在空气中时沿一条直线传播的， 一旦超声波的信号遇到物体就会发生反 射 4 。传感器在接收到返回信号后再通过压电原理把声波转换成电压电流等电量信号。 传感器此时得到的电压信号还是比较微弱的， 需要经过一个放大器方法后才可以被传 感器的识别芯片所采集。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，当超声波遇到障碍物

15、时超声波就会返回，本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 46 页 然后用超声波接受头来接受超声波反射信号， 因为超声波在均匀介质中的传播速度是 固定的，所以只要知道传播的时间就可以简单的算出障碍物的距离，因此本设计采用 双探头的方式。声波是以纵波的形式在空气中传播的。 当尺寸大于对目标物体的声波的波长将阻 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的传播速 度，并且我们可以通过测量知道超声波发射和接受所知道的时间，然后算出时间差就 得到了超声波传播的时间了，然后就可以算出障碍物的距离 5 。这就是本设计超声波测距的原理。本设计的传输介质是空气，采用超声波来测距。在

16、室温下声波的传播速度为 339m/s ，传播介质是空气，超声波从发射开始到超声 波遇到障碍物返回并被接受的时间为 t, 那么振源距离障碍物的距离可以由式（2.1）求得：d 3 3 5 5（cm0 / s） t（ s）式（ 2.1）因为超声波所经过的路径是声源和障碍物之间的两倍， 所以发射器距离障碍物的 距离应该是 d/2。单探头方式就是超声波探头发射超声波，然后遇到障碍物后返回，接受返回信号 使用原来的发射探头。假设超声波探头与障碍物之间的距离为S，则测距如式（ 2.2）：1S ct式（ 2.2）2式（ 2.2 ）中： S 是所测障碍物的距离， c 是超声波在均匀介质中的传播速度， t 是超声

17、波从发射到被接受所使用的时间。从式（2.2 ）中可以看出，只要声音的传播速度已知，在测量出超声波的传播时间 t 后就可以准备的计算出障碍物距离S。本章小结本章对设计中用到的超声波技术进行了一个系统性的说明。包括对超声波的说 明，超声波传感器的优点，超声波测量中盲区及近限和远限，以及本次设计所要用到 的超声波测距技术的原理。本科毕业设计说明书 （论文） 第 页 共 46 页智能导盲仪硬件系统设计设计实现的功能超声波测距是根据超声波在空气的传播速度恒定通过记录传播时间来求出距离的。根据从发射超声波到接收到回波的时间和声音的速度在这个时候的传播速度，它可以被用来计算该障碍物的距离。因为空气中的衰减，

18、噪音和环境以及电路本身的超声波传播具有一定的限制，测量的距离，障碍物限制距离的回波将不检测；在同一时 间，在接收用探头发射的超声波的效果，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的差值。 系统所测量的障碍物的距离必须要在上下限范围 之内。当系统检测到一定范围的障碍物时，会发生警报和相应的语音提示。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，然后通过 给单片脉冲，通过单片来实现语音播报的控制，从而实现危险提醒，也可以通过语音 播报模块的按键来实现实时的报距。AT89S52 单片机在预警系统模快的作用就是作为开关来控制语音输出模块， 还包 括语音警报提示，

19、夜间 LED 闪烁灯光，让使用者在灯光比较暗的情况下也能确保行 路的安全。稳压电源也是电路设计比较关键的部分， 一个稳定的稳压电源电路可以使电路各 部分的运行都比较稳定，另外电源的稳定性也会使电路的安全和寿命得到保障。设计思路智能导盲拐杖硬件电路设计是一项系统的工程， 它涉及到许多方面， 包括单片机、 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、电源等的选择。在 开始设计之前，需要对这个设计模块之间的关系进行了解。更具实物要实现的功能， 需要把模块进行细节化，分析单个模块内部的引脚功能，本设计主要是以 AT89S52 单片机作为系统的控制系统，然后以此来控制各个模块运转，整个系统

20、运用的是回波 法的测距原理，其结构框图如图 3.1 所示。图 3.1 智能导盲预警系统结构框图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，控制核心芯片。 单片机在接收到传感器的信号后产生对应低电平使语音芯片开始工本设计系统主要有以下几个模块：（1）单片机控制模块 也就是单片机，是整个系统最智能的地方，也是整个系统的中央处理器，处理数 据的传输和分析（2）超声换能模块 超声波的发射模块主要是由包括超声波的激励脉冲产生电路和超声波探头组成， 由单片机通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，分别是前置比例放大电路、程序控

21、制的放大电路以及超声波的信号过滤 电路。一般还需要将超声波的回波信号转换成电量信号的电压，还需经过放大器对信 号进行放大处理然后通过滤波器的滤波后才能得到幅值和信噪比符合要求信号， 只有 这种经过处理后的信号才能被处理。3）电源模块电源模块是为整个系统提供稳定的供电电源， 使系统不会出现电源不稳定影响运 行的现象。（4）语音播报模块主要是实时距离语音播报，快闪躲避的语音提醒。（5）快闪检测模块 该模块是当一个物体快速接近超声波探头是，系统能够有躲避危险的语音提示。单片机主控模块AT89S52 是一个高性能 CMOS 的 8 位存储单片机，拥有 8K 字节的可编程闪存， 并具有低功耗的特点，使用

22、的是 Atmel 国际公司高密度非丢失性存储器的制造技术， 引脚与采用同样技术的 8031 和 80C51 是完全兼容的，主要得益于所采用的制造工艺 的相同 6 。片上的 Flash 不仅可以把程序存储也可也对程序进行修改，并且他的程序 与我们平时所使用的编程器也是兼容的。在单一芯片上，具有8 位 CPU 的系统内可编程 Flash 与多变的 AT89S52 提高了生产产品的灵活度，并超有效的解决了嵌入式控 制方案在电路中的应用。其具有以下标准功能：8 K 字节的闪存、 256 字节的 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、

23、1 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， AT89S52 单片机可在 0Hz 的时候进行静态的逻辑运算， 并且还可以支持两 个软件可选性节约用电的模式。在空闲模式下， CPU 是停止工作的但是 RAM 还是允 许被访问的，像定时器、串口、中断脉冲等还是可以继续工作的。当单片机突然失去 电之后，单片机会才去保护措施，自动保存 RAM 的内容，并且停止振荡器的工作， 单片机的所有运转在没有电能的情况下将被停止， 知道单片机接受到下一个中断脉冲 信号或者是按了复位电路，不然单片机就会保持现有的状态。 AT89S52 引脚如图 3.3 所示。图 3.3 AT89

24、S52 引脚图引脚说明（1）P0 口： P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 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储器时， P0 口也可以被用作低 8 位地址 /数据的复用。在这种模式下， P0 不具有内部上拉电阻的特性。在使用 Flash 编程时， P0 口也被用来接收指令字节；并 且能在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻的帮助。（2）P1 口： P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向 I/O 口， P1 的输出缓冲器能同时驱动 4 个TTL 逻辑电平。 P1 口，写

25、“ 1 ” 时，内部上拉电阻拉端口，它可 以被用作输入。作为输入时，引脚被外部拉低的原因是由于内部电阻或者输出电流。此外， P1.0 和P1.1 还可以分别作定时器 /计数器 2 的外部计数输入 （ P1.0/T2 ）和 定时器 /计数器 2 的触发输入（ P1.1/T2EX ）。 在编程和校验的时候，端口接收低8 位地址字节。引脚号第二功能：P1.0 T2 （定时器 /计数器 T2 的外部计数输入），时钟输出。P1.1 T2EX （定时器 /计数器 T2 的捕捉 /重载触发信号和方向控制） 。P1.5 MOSI （在系统编程用）。P1.6 MISO （在系统编程用）。P1.7 SCK （在系

26、统编程用）。（3）P2 口： P2 口也是一个具有内部上拉电阻的8 位双向 I/O 口，P2 口的输出缓冲器能驱动 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 可以使用作为输入端口。当被作为输入时，外部向下引线由于内部电阻和输出电流。 当访问外部程序存储器或读取外部数据存储器（如执行）与位地址，端口发送高八地 址。在这种应用中， P2 口必须使用很强的内部上拉电阻来发送1。在使用 8 位地址（如 MOVX RI ）访问外部数据存储器时， P2 口输出 P2 锁存器的内容。在 Flash 编 程和校验时， P2 口也能够接收高 8 位地址字节和一些控制信号的程

27、序。（4）P3 口：是一个具有内部上拉电阻的位双向口，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，那么你可以使用作为输入端口。当作 为输入，外部向下引线由于内部电阻和输出电流。P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用。 Flash 编程和验证， P3 还接收一些控制信号。端口引脚第二功能： P3.0 RXD（串行输入口）、 P3.1 TXD（串行输出口）、 P3.2 INTO （外中断 0）、P3.3 INT1 （外中断 1）、P3.4 TO（定时 /计数器 0）、P3.5 T1（定时 /计数 器 1）、P3.6 WR （外部数据存储器写选通） 、P

28、3.7 RD （外部数据存储器读选通） 。另外， P3 还接收一些控制信号的 Flash 编程和验证。（5）RST ：复位输入。当振荡器工作时，RST 的引脚会发出至少两个周期以上的高电平来使单片发生复位。（6）ALE/PROG ：当访问外部存储器时， ALE （地址锁存使能）引脚输出脉冲的 低 8 位字节锁存地址。一般情况下， ALE 将会以时钟振荡频率的 1/6 来输出固定的脉 冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存 储器时将跳过一个 ALE 脉冲。存储器编程的时候，该引脚还用于输入编程脉冲 （PROG ）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR ）区

29、中的 8EH 单元的 D0 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。此外，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 ）输出是外部程序存储器的读选通信号，当本科毕业设计说明书 （论文） 第 13 页 共 46 页 AT89S52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，两个 PSEN 每个机器周期，即输出 两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 PSEN 信号。（ 8 ） EA/VPP ：外部访问允许，欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000H-

30、FFFFH ）， EA 端必须保持低电平（接地） 。需注意的是：如果加密位 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，这必须是一个的编程电压的装置。（9）XTAL1 ：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。（10） XTAL2 ：振荡器反相放大器的输出端。本次设计是以 AT89S52 作为控制模块加上其他的一些外部电路所组成， 其最小系 统如图 3.4 所示，是这个导盲仪的核心控制部分。 AT89S52 是一个高性能 CMOS 的 8 位存储单片机，拥有 8K 字节的可编程闪存，并

31、具有低功耗的特点 7 。采用 Atmel 的 高密度非易失性存储器技术制造，与工业产品订单和引脚完全兼容。片上的 Flash 不 仅可以把程序存储也可也对程序进行修改， 并且他的程序与我们平时所使用的编程器 也是兼容的。 在单一芯片上， 具有 8 位 CPU 的系统内可编程 Flash 与多变的 AT89S52提高了生产产品的灵活度，并超有效的解决了嵌入式控制方案在电路中的应用P1VCCP10P11P12P14K1 C110uP15P16P17rstP30R3P3110kP32P33P34P35P36P37C219Y11 XTP10VCCP11P00P12P01P13P02P14P03P15P

32、04P16P05P17P06P07RE STP30EA/VPPP31AL E/PROGP32PSENP33P27P34P26P35P25P36P24P37P23XT AL2P22XT AL1P21GNDP20U13678910311130121314151617184524 P2336 P0321 P2027 P2626 P2539 P0038 P0137 P0235 P0434 P0533 P0632 P072928 P27图 3.4 单片机电路结构40VCC1VCCHeader 9C3AT89S52 单片机的 RST 引脚需要接两个周期的高电平并且这些高点必须是持续 不断的，此时单片内部就

33、执行着复位的指令。如果发现单片机的这个引脚一直是处于 高电平的状态，则表示单片机一直处于复位不断循环的状态。在实际的使用中，单片机的复位操作有两种形式：第一种是上电复位，第二种就RST是按键与上电组个的复位指令，在外部请求打开电源就执行复位的指令。此时 的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 本科毕业设计说明书 （论文） 第 14 页 共 46 页 慢慢的 RST 引脚上的电压将会一点点的下降直到平衡。RST 引脚的高电平是有一定的保持时间的，一般最长为 2 个机器周期，在高电平 消失后单片机就可以进行复位操作了。 复位电路的目的就是在需要电路复位时能够

34、及 时的复位，从而修正之前的错误，确保电路的正常循环，如图 3.5 所示。图 3.5 复位电路超声波换能模块就目前世界上对测距这一领域主要运用的手段有激光、毫米波雷达、摄像系统、 红外线、超声波等一些测距技术，使用不同的测距技术所涉及的原理和方法也是不相 同的，但是又有一点是相同的都必须要有一个发射和接受回波的过程。下面是各个测 距技术性能之间的比较如表 3.1 所示。表 3.1 各传感器性能比较超声波红外线摄像系统毫米波雷达激光最大探测距10m10m大于 100m大于 150m可达到离150m响应时间较快约为慢 1 10 3 ms取决于处理时快可达到 1ms较快约15ms间10ms探头磨损，

35、 污大，直接影响很大，使探染等因素的几乎没有影响影响不大分辨能力较小测距离减影响小 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，可以在恶差，但在能见差，可见性不较好，不受能差，受恶劣环境适应性劣环中工作度低时比其他好条件下无法见度影响环境影响光学系统好工作本科毕业设计说明书 （论文） 第 页 共 46 页通过表 3.1 的数据我们可以对各种测距技术进行比较，可以看出本设计使用超声 波设计方案是最简单实用的，并且我们还需要在超声波技术上进行系统的简化和改 正。根据发射和接收超声换能器是否同体

36、， 可以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的发射和接受都是同一个传感器完成的，探 头能发射超声波，亦也能接受超声波；收发分体是指超声波的发射和超声波的接受使 用的不是同一个探头。为了是电路设计简单化，考虑到电路设计的成本本次设计采用 的超声波模块是 HY-SRF05 ，图 3.6 所示为超声波的超声波测距模块的实物图。图 3.6 HY-SRF05 超声波测距模块实物图HY-SRF05 超声波测距模块可以非接触式的测量距离在2cm450cm 以内的物体，精度可达到 3mm ，模块包括一个超声波接收和一个发送控制电路。几个引脚的功能各自是 VCC 接 5V 电源

37、， GND 是接地的， TEING 是通过触发来控制信号的输入， ECHO 的功能是回想信号的输出 8 。基本工作原理（1）采用 I/O 端口 TRIG 触发方式，最少要给予10us 的高电平信号。（2）发射探头能都自动的发射8 个的 40kHz 的方波信号，并通过接受探头自动检测是否返回。（3）有信号发射或接受时，通过I/O 口的 ECHO 端口输出高电平，超声波从发射到返回所使用的时间就是高电平连续工作的时间 9 。下面介绍的是一种压电陶瓷式收发同体超声波传感器。 其中心频率为 40kHz ，10V 的发射电压，在大气压是 0dB=0.02m/Pa 的条件下是 95dB ；40kHz 中心

38、频率是在接本科毕业设计说明书 （论文） 第 16 页 共 46 页 收灵敏度之内的， 在大气压是 0dB=10V/pa 的条件下是 -65dB ；静电容量为 1260pF 2340pF ；探测距离为 0.2m 3m；-6dB 下的指向角为 60。这种压电收发同体的声压 方位发射特性图如图 3.7 所示。图 3.7 发射声压方位特性图HY-SRF05 型超声波集成模块的工作电压为 5V ，而且此模块的静态工作电流是小 于 2mA 的，工作时候相对稳定。 测量角度为 15 ，减少了可能存在的角度干扰问题。 这个超声波模块能够进行 2 cm5 m 的测距，基本上符合本设计的要求，并且测量精 度也比较

39、的高可用达到 0.3cm ，盲区仅为 2cm，完全可以能够满足本设计的测距要求， 测距的时候数据的波动也比较小，很稳定 10 。在 I/O 触发位置，需要给至少给我们一个 10us 高电平信号。 HY-SRF05 电气参数如表 3.2 所示 。表 3.2 HY-SR05 电气参数电气参数HY-SRF05工作的电压DC 5V工作电流15mA工作频率最远射程40Hz4.5m最近射程2cm测量角度 输入触发信号 输出回响信号1510us 的 TTL 脉冲输出 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。超声波的发射器也需要一定的脉冲信号，

40、采用激励就可以解决脉冲的问题。根据本设计的设计需要发射电路需要满足一 定的要求1）振荡电路振荡频率可调本科毕业设计说明书 （论文） 第 17 页 共 46 页 40kHz 的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。 当加载频率相同的超声波传感器信号频率以共振频率，效率高，电能转化为机 械能的机械声波。（2）驱动能力较高 超声波发射器需要功率足够大的脉冲信号，这个脉冲由驱动电路产生。当脉冲信 号产生后，我们还需要注意的是脉冲的宽度、功率以及它的频率都是固定的否则很有 可能不能去动发射器，再由发射器将所受到的脉冲电量转换成机械波，能量的转换是 成了机械能。（3）I/O 口控制 超声波

41、换能器的驱动主要是靠功率驱动电路来对进行功率驱动的， 驱动放大电路 经过足够大功率放大之后，才能推动超声波换能器发射超声波。在空气中传播是超声波的能量会随着距离的变远而出现衰落， 经过目标反射回来 的超声波的回波信号弱，如果物体的距离比较的远那么波的衰减可能只有毫伏级了， 有的甚至只有微伏级。因此，为了提高超声波测距系统的范围，需要的驱动电路。所 以目前需要解决接受信号微弱问题， 接受电路需要把能量微弱的信号经过放大后然后 整形滤波。此超声波测距模块可以非接触式的测量距离在2cm 450cm 以内的物体，精度可达到 3mm 。模基本工作原理：（ 1）采用由 I/O 口 TRIG 的触发方式来测

42、距，至少给 I/O 提供 10us 的高电触发 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）当超声波探头接受到回波信号时， 通过 I/O 口 ECH0 输出一个高电平， 高电 平脉冲持续的时间就与超声波发出后到接受到的时间是相等的。 根据已知的数据超声 波发出地到障碍物距离 =（高电平时间 声速） / 2。语音播报模块设计由于导盲仪的使用者主要是盲人， 所以我们比必须采取语音提示的形式来帮助盲 人行走。盲人可以通过按按钮来使导盲仪实时报距，当有快速问题接近时也有对应的 语音提示躲避本科毕业设计说明书 （论文） 第 18 页 共 46 页

43、如图 3.8 所示语音芯片采用 ISD4004 中文录播语音芯片。该芯片继承 ISD4004 语 音芯片的一些优点：比如采用最小 SSOP28L 贴片封装、 I/O 接口比较简单、功耗非常 的低、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、较长的字符串。正是因为其合成语音清晰和文 字的识别率高的特点也算代表语音芯片智能化的新起点， 是一种值得广泛应用的中文 语音芯片，尤其在国内中高端市场是值得开发的。 所以 ISD4004 语音芯片的研制成功， 将会推动整个 TTS 语音合成技术行业的发展和更广的行业应用。图 3.8 ISD4

44、004 中文语音芯片引脚图引脚定义1，3 引脚接在总线模块 0 的电源负极； 2 引脚接在总线模块 0 的电源正极；低电 平时芯片将不被使用，表明芯片忙时可以通过主机接收命令和数据发送高电平，表示 正在进行的语音合成和广播； Res引脚接 5 引脚； 6 引脚接在总线模块 1 的电源正极； 7 引脚接在总线模块 1 的电源负极；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。其功能特点（1）支持 GB2312 、 GBK 、 BIG5 和 UNICODE 内码格式的文本；（2）清楚、流利、准确地把中文进行语音合成；任意的中文文

45、本也可合成语音， 支持多个英文字母的合成；（3）文本分析处理算法才用的是智能化，能够准确的读进数字，手机号码，日 期和时间，简单的一些度量衡也是可以识别的；4）对于中文中的多音字和一些姓氏的处理能力是非常强的；本科毕业设计说明书 （论文） 第 19 页 共 46 页 （5）支持多种类型的文本控制标识，提升文本中文字的处理正确率；（ 6）每次文本量的合成最多能够达到200 字节；（7）支持多种控制命令，主要包括：暂停合成、合成、继续合成、停止、改变 波特率大小等；（8）支持休眠功能，当芯片不需要完成任务是可以休眠从而降低功耗；支持芯 片工作状态可以用多种方式查询到；（9）支持串行数据通信接口，支

46、持三种通讯形式的波特率：9600bps，19200bps ，38400bps ；（10）支持 16 级音量调整；对于背景音乐的音量和文本前景的音量都是可以调 节的，并且二者是可以独立控制的；（11）支持 6 级词语语速调整，可使用发送控制指令调节词语的播报速度；（12）芯片内部储存了一些音乐资料，比如和弦音乐、一些简单的提示语和运用 到某些特定行业的常见语音表达句；（13）内部存储 19 首声音提示音， 15 首比较经典的背景音乐， 23 首和弦提示音 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 S

47、SOP 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的应用； 根据本设计方案要求和语音芯片的各项特性，语音模块电路连接如图 3.9 所示。SSMOSIMISOVCCCON5SCLKINTRAC9口图 3.9 语音模块电路连接灯光示警模块设计示警方式一般是用灯光示警，用闪动的指示灯来警告人们有一定的危险；然后使用声音示警，发出语音提示或警告提醒路人也提醒自己；在选择警示电路时，本着使本科毕业设计说明书 （论文） 第 页 共 46 页共 46 页本科毕业设计说明书 （论文） 第 20 页 硬件电路结构简单，编程方便的思想。本次设计除了语音警示外还加入了使用光作为 开

48、关控制 LED 灯示警系统，体现了以人为本的思想，主要是为了在晚上是提醒过路 的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的开关，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 所示V CC1 0 0kU 4C SV CCC H0C LKC H1D 0G NDD 1P1 408 3 2P1P1 5V CC数据 口连接。RS=H，图 3.10 光控制电路原理图LCD 显示模块设计LCD1602 最佳工作电压是在 5V 左右，有数据位 8 个：接电源端、接地端、读写端、数据命令选择端。在本次设计中，数据端D0 D7 是和单

49、片机的 P2基本操作时序是 1。在读数据状态时输入 RS=L ，RW=H ， E=H ，写数据时输入 RW=L 。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 液晶显示电路本章小结本章主要介绍硬件的模块化。 对设计实现的功能进行了总的概述阐述了硬件设计 的思路和构想， 并根据要求，说明了各个模块所实现的功能。 对系统的整体设计理念、 方案做大致的介绍，并详细讲解核心部件主要器件的参数，以及硬件设计原理框图。智能语音导盲仪的软件设计本设计的软件设计主要是程序的编写， 我们需要的是把导盲仪的功能写成计算所 能识别的代码，这样才可以通过计算机实现各

50、个芯片的功能，在写程序的时候要注意 整个系统之间的协调性，这样才可以通过程序来实现本设计所提出的功能。软件的编 写是相当重要的组成部分，软件的质量直接影响着整个系统实现功能的效果，当然也 必须遵照系统功能来确定应用程序的设计。系统软件设计语言采用 C 语言作为本设计的软件设计语言， 其优点是可以最大限度的减少我们对硬 件的机械操作， 良好的程序结构是 C 语言是一大特点， 所以其更加实用电路模块化的 软件设计，因此通常情况下我们实用 C 语言作为单片机编程的首选语言，首先对于 C 语言编程我们需要将程序设计方法结构化，其次不硬件的功能进行模块化，不同的功 能由不同的模块来完成，这会使整个应用系

51、统程序结构更加清晰，也便于进行调试和 维护工作。功能模块不相同的，分别对应固定的入口参数和出口参数，重复调用的一 些程序我们需要将其转换成函数，可以简化我们编程减少了一些重复使用的程序，又 方便了整个程序的管理，还可以增强程序的移植性和可读型。设计的软件环境简介对于 AT89S52 的控制设计，用 Keil C 语言软件编程环境，使用 Proteus 软件设计 环境进行电路仿真 11 。只有把这两个软件结合在一起才能完成电子系统的设计。Keilc 软件界面， 如图 4.1 所示。 Keil C 是一款比较强大的软件， 可以把软件编程和软件仿 真合于一体，还支持多种语言的编程，比如汇编、 C 语

52、言甚至汇编和 C 语言的混合体 都可以识别。软件一般都是系统比较核心的部分，想做好一个设计必须有好的思想和 清晰的逻辑。该系统采用模块化设计，该程序被分成几个独立的子程序，这样使程序 的读出变得方便简单， 同时又对程序的移植和修改提供了很大的帮助 12 。本设计的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，具有良好的可 续性和扩展性。图 4.1 Keil c 软件界面Proteus ISIS 是一款电路分析与实物仿真软件由英国Labcenter 公司开发的。软件的运行环境是在 Windows 操作系统中，最主要的是可以对芯片进行仿真运行， 还可以 分析各种模拟元器

53、件和集成电路的组成和结构。该软件的特点是：（1）基本上满足了本次设计的本次设计的仿真标准，与其他的单片机仿真软件 相比较是非常方便的。（2）能够进行多种多样的仿真比如：数字电路仿真，模拟电路仿真，单片和各 个外围模块之间的仿真， 还有 RS-232 动态仿真， SPI 调节器仿真等； 仿真还必须要有 显示部分，这款软件有多种虚拟仪器 , 例如示波器、信号发生器等 13 。（3）目前支持的单片机类型有： ARM7 系列， 68000 系列， 8052 系列， AVR 系 列， PIC12 系列， PIC16 系列， PIC18 系列， Z80 系列， HC11 系列以及各种其它的外 围芯片。（4

54、）与大量的存储器和外围芯片兼容性很好。综上所述，此软件是一款具有 SPICE 分析功能且可以仿真单片机的仿真软件 ， 软件功能十分的丰富，可以仿真ARM 、52、 AVR 、PIC 各种芯片。Proteus ISIS 的工作和 Windows 界面的操作界面有点类似， 如图 4.2 所示，在屏幕的上方我们可以看到很多菜单例如：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，仿真过程中的控制按钮，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的熟悉软件并绘制电路图。图 4.2 仿真界面双击图标就可以运行 Proteus 程序，然后会进入软件的主界

55、面。通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的关键词，然后通过鼠标把元器件放置在合适的位子，在放置之前先调整好方向并且设置好各元器件的参数，最 后再把各个元器件通过线连接起来 14 。4.3 主要模块软件设计流程图呼叫系统软件设计的流程如图 4.3 和图 4.4 所示主程序初始化图 4.3 程序的设计流程图YN40 个单 元扫描完？标志位是N否为 1？定时是否达到 1s ？N键标志为 0?图 4.4 显示模块软件设计流程图初始化调显示子程序返回INC FLAG调 BCD 调整子程序存储单元加 1调显示子程序(COUNTER)+1计算键值子程这部分主要接受的是现实部分的程

56、序设计， 显示部分的程序大体上根据主程序而言，这部分涉及到按键程序的调用，所以编写这部分程序需要有主次的概念，只要这 部分的程序调试成功在配合超声波模块的程序，软件部分难点就迎刃而解 15本章小结本章主要介绍了软件设计的整个过程 , 包括对所使用的软件做出了简单的介绍， 并使用模块化的设计思想进行软件设计 , 设计思路清晰 , 这样方便调试过程中的程序 修改。同时开发一个良好的设计思维与良好的设计习惯系统的调试结果一个系统的开发过程需要用系统调试来验证各个硬件的协调性， 一个完整的调试 系统应该包含很多部分， 但是必须离不开控制系统的硬件联调、 软件联调、系统仿真、 仿真烧录和现场安装调试等几

57、个环节。 当系统的硬件系统组装完毕后需要进行硬件电 路的调试，只有硬件电路调试真确后才能进行软件部分的检查，这样就可以分部排查 错误。当所有的调试都没问题时，为了确保其稳定性还需要让设计长时间运行一些时 间，这样以后才可以验收合格，整个设计系统才算完成了任务 。通过实验表明，本次设计的导盲仪的采集速率和精度都很高，当前面一定的范围 内有物体时，导盲仪会自动地发才语音提示来提醒盲人该怎样行走。硬件系统的正确 性必须通过实验才能得到验证。然而由于空气中存在湿度和温度，超声波测距所得的 数值与理论值之间总是存在着误差。其余的子功能都良好运行。理论测距与实际测距如图 5.1 和 5.2 。从图中可以看

58、出超声波测距的误差在2mm 之内图 5.1 理论测距结果本科毕业设计说明书 页 共 46 页的垂直距离，引起测量误差。（2）声速虽然在同一介质中不容易改变速度，但是温度的变化会影响测量的精确度，所以测量的结果也会有一定的误差本科毕业设计说明书 （论文） 第 页 共 46 页结束语导盲仪的主要原理就是超声波测距， 通过本次设计也是我对超声波的原理有了更 加深入的了解。系统是基于 AT89S52 单片机的超声波测距系统 , 它根据超声波在空气 中传播的反射原理 , 以超声波传感器为检测部件 , 应用超声波在空气中传播的时间差 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

59、间 播报功能。主要由测距系统（包括超声波发射模块、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，五个主要模块构成。导盲预警系统的运用可帮助盲人的行走较少他们的不方便， 减少盲人因为看不见 路面状况发生的交通事故， 同时它将对提高人类智能化的设计有着非常重要的意义在 做设计的时候我们需要不断的查阅资料，了解前人的研究成果，才能取其精华去其糟 粕，才能在巨人的肩膀上进行创新。在本设计的开始之初，我对超声波模块方面的了 解还是比较少的， 通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 的的绘制。在设计过程中比较难的还有软件的设计， C 语言的编程可是

60、我的薄弱环节， 编程不仅要能实现设计的基本功能，还必须考虑到硬件的 I/O 端口的功能。在指导老 师的帮助也算完成导盲仪软件编程模块。本次设计其实还有几个问题没有解决，如果想要提高测量的精确度必须要考虑。（1）因为超声波探头的精密度限制，装置在温度不同的环境下测量误差也不一 样，本设计中并没有温度补偿模块，主要是本设计做为盲人障碍导盲预警的使用，对 精确的距离要求不高主要是起到警报的作用，如果在设计中考虑到温度补偿这个模 块，并添加到设计中去，那么整个系统将会更完善。（2）为了抑制外部干扰，接收装置可以采用过零检测装置，保证接收到得超声 波为物体反射回来的超声波，从而有效地抑制超声波发射电路的