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。

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：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声波频率为20Hz～20000Hz。

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，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2∽5兆Hz之间，常用为3∽3.5兆Hz（每秒振动1次为1Hz，1兆Hz=10^6Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在16－20000Hz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，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。

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。