导盲杖的设计与制作论文

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，A T89S51，超声波

目录

摘要............................................................................................................. I 1 绪论 (1)

1.1研究背景及意义 (1)

1.2 导盲杖的整体设计思想 (2)

2 导盲杖的整体设计及原理 (4)

2.1超声波的概述 (4)

2.1.1超声波简介 (4)

2.1.2超声波的传播 (5)

2.2超声波传感器 (7)

2.2.1超声波传感器简介 (7)

2.2.2超声波测距的应用 (8)

2.3超声波测距原理及实现 (10)

2.4测量精度的影响 (11)

2.4.1声时的影响 (11)

2.4.2超声波频率影响 (12)

2.5提高测量精度的措施 (13)

3 导盲杖的硬件设计 (14)

3.1单片机系统 (14)

3.2超声波发射电路 (15)

3.3超声波接收电路 (17)

3.4语音模块电路 (18)

4 导盲杖的软件设计 (20)

4.1系统软件设计原理 (20)

4.2单片机C语言 (20)

4.3系统软件设计框图 (22)

5 系统调试与优化 (23)

6 总结 (24)

致谢 (25)

参考文献 (26)

附录 (28)

1 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。

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。此次设计采用反射波方式。