智能导盲拐杖的设计毕业论文

智能导盲拐杖的设计毕
业论文
YUKI was compiled on the morning of December 16, 2020
天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education 毕业论文
专业：
班级学号：
学生姓名：
指导教师：
二〇一三年六月
天津职业技术师范大学本科生毕业设计
基于单片机电子导盲拐杖设计
Electron blind-guide crutch design based on MCU 专业班级：
学生姓名
指导教师：
学院：电子工程学院
2013年06月
摘要
随着社会的发展，在社会生活中应用超声波测距技术已很广泛，如汽车倒车雷达、测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声测距技术的研究和开发具有实际意义。

本设计研究为盲人提供行走时，遇到前方障碍物提前躲避的预警系统。

以AT89S52作为核心处理器，采用超声波回波时间差测量人与物体之间的安全距离，实现了提前预警使用者避让障碍物，起到避免安全隐患的作用。

该系统是基于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，时间播报系统，警示灯控制系统，稳压电源，五个主要模块构成。

该设计利用AT89S52单片机系统的I/O口，控制超声波传感器发出40KHz的超声波，利用反射回来的超声波信号，经过放大、整形、滤波等电路回到单片机，比较调试后确定与障碍物之间的距离，完成测距。

该装置将单片机的实时控制及数据处理功能，与超声波的测距技术、传感器技术相结合。

语音系统发出警示音，提醒使用者前方障碍物需躲避。

使盲人在看不见的情况下，能够识别前方的障碍物正常的行走，从而起到保护盲人安全的作用。

关键词：智能避障；超声波测距；AT89S52单片机
ABSTRACT
With the development of society，It is applied widely by
ultrasonic to measure distance, such as cars reversing radar，range finder and level measurement and so on. Because of the strong point of ultrasonic, low energy consumption, long distance transporting in media, thus it is practical and significant to measure distance by ultrasonic.
This design study for the blind to walk, meet obstacles ahead of early warning system. AT89S52 as the core processor, USES the ultrasonic echo time difference measuring safety distance between people and objects, implement the early warning users avoid obstacles, avoid safe hidden trouble.
Is the system of ultrasonic ranging system based on AT89S52 microcontroller, it is based on the reflection principle of ultrasonic wave in air and in ultrasonic sensors for detection components, application of ultrasonic wave in air time difference to measure distance. Night when using photosensitive sensor warning light switch control, avoidance of traffic warning. Otherwise time function. Mainly by the ranging system (including ultrasonic transmitting module, ultrasonic receiver module) and voice alarm system, time to broadcast system, warning lights, control system, regulated power supply, the five major modules.
The design USES AT89S52 single chip microcomputer system I/O mouth, control issue of 40 KHZ ultrasonic ultrasonic sensor, using the reflected ultrasonic wave signal, after amplification, plastic, such as filter circuit back to the single-chip microcomputer, is after the
debugging and the distance between the obstacles, to complete the range.
The device will single-chip microcomputer real-time control and data processing capabilities, combined with ultrasonic ranging technology, sensor technology. Issued a warning sound, voice system remind users in front of the obstacles to avoid. Under the condition
of the invisible for the blind and can identify the obstacles in front of the normal walking, which play a role to protect the safety of the blind.
Key Words：Intelligent obstacle avoidance ；Ultrasonic ranging；
Single chip microcomputer
目录
1．引言...............................................................
设计研究的背景及意义..............................................
设计研究的内容....................................................
本章小结.......................................................... 2．超声波系统的工作原理及方案.........................................
超声的概述.......................................................
超声波传感器......................................................
超声波测量中盲区及近限和远限......................................
超声测距的方案..................................................
本章小结.......................................................... 3．智能导盲拐杖硬件系统设计...........................................
设计实现的功能....................................................
设计思路..........................................................
硬件电路设计......................................................
CPU模块 .....................................................
超声波换能模块................................................
语音播报模块设计..............................................
温度检测模块和时钟模块的设计..................................
灯光示警模块设计..............................................
稳压电源模块的设计...........................................
本章小结.......................................................... 4．智能导盲拐杖软件设计...............................................
系统软件设计语言..................................................
软件设计心得....................................................
设计的软件环境简介................................................
主要模块软件设计流程图............................................
本章小结.......................................................... 5系统的调试结果 ...................................................... 结论.............................................................. 参考文献.............................................................. 致谢.............................................................. 附录1：部分主电路原理图 .............................................. 附录2：部分主程序 ....................................................
1．引言
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，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，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。

设计研究的背景及意义
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测距系
统的基础上，应用回声定位的原理，通过传感器发送超声波，然后获得并分析障
碍物的回波信息，研制一套超声波导盲系统。

系统采用AT89S52单片机作为控制
器, 利用超声测距的原理, 设计了一种超声波导盲装置，该装置可以对盲人前方
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语音提示, 盲人可以根
据提示音，避让障碍同时达到导盲作用。

该系统具有硬件结构简单、工作可靠、
测量误差小等特点。

又因为盲人不辨行人与车辆在路上行走，又因夜晚能见度
低，为了车辆和行人更容易避让盲人。

另采用光敏电阻检测周围环境的亮度,并
将该亮度转化为相反逻辑的红色警示光。

用来提醒来往行人和车辆避让。

另有时
钟系统，可以控制并且语音播报时间，进行整点提醒。

本章小结
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。

2．超声波系统的工作原理及方案
超声的概述
声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象，人们对声音早有认识，在人们的日常
生活中存在着各式各样的声音。

在科学史上，声学是发展最早的学科之一。

然而，由于超声是人耳听不到的信号，直到18世纪，人们才开始研究海豚、蝙蝠等动物时，才推测自然界存在超声。

声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。

根据声波振动频率的范围来分类的，声波可分为高低不同的四种类型：频率在16KHz～20KHz之间的机械波，能为人耳所闻，称为声波；低于16KHz的机械波称为次声波；高于20KHz 的机械波称为超声波；高于10MHz的机械波称为特超声波。

声波产生的条件是首先要有一个作机械振动的质点来作波源，其次是要有传播振动的弹性介质。

此外，当振动传播时，振动的质点并不随波而移动，只是在自己的平衡位置附近振动而已，这与电磁波（交变电磁场以光速在空间的传播）是完全不相同的，与光波也不同。

因此超声作为一种高于人的听觉范围的声波，与光波和电磁波是不同的，是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播；电磁波的传播速度为3×108m/s，而超声波的传播速度为340m/s，其速度相对电磁波是非常缓慢的，对于相同频率的情况下波长比较的短，因此可以提高测量的分辨率；超声波在相同的传播媒体里传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向是一致的，作为纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播。

在两种介质的交界面，声波会发生反射、折射、衍射、散射等现象。

超声波也具有这些传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。

但超声波作为一种特殊的声波，同时又具有方向性好，加速快等特点，而且波长很短，只有几厘米，有的甚至千分之几毫米，因此与可听声波比较，超声波具有许多奇异的特性：
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，这一特性就会越显着。

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，它所具有的功率就会越大。

由于超声波频率比较高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。

超声波传感器
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的用于产生和接收超声波的器件，它既能够把其他形式的能转化为所需频率的超声能又能够把超声能转化为其他形式的能。

采用超声波传感器有以下几个方面的好处：
（1）测量方式原理简单，易于实现。

（2）测量的精度高
（3）超声波传感器有一定的覆盖性，可以用较少的传感器数量覆盖较大的测量范围。

超声波测量中盲区及近限和远限
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。

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)压缩发射脉冲宽度发射端采用减幅振荡脉冲或单个脉冲，可使余震(拖尾)减少，此法常用于短距离测量距离。

(2)采用自动距离增益控制采用具有自动增益控制功能的接收放大器，使近距离的增益很小，远距离时的增益较大，这样一方面发射信号的余震幅度变小，相应的延续时间缩短，可以分辨出近处的接受回波信号，故可使盲区减少。

另一方面，可使远处的回波信号的幅度增大，以提高测量的精度。

(3)信噪比问题超声波测距都有确定的量程。

量程主要决定于接收信号的幅值应大于规定的阐值。

这个阂值决定信噪比。

这时要求对环境噪声进行频谱分析，尽量避免与噪声频率重叠。

超声测距的方案
超声检测与超声测距所用的方法类似。

超声测距的方法分为相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。

其中相位检测法精度高，但是监测范围有限，声波幅值检测法易受反射波的影响，采用最多的是往返时间检测法。

往返时间检测法的基本
原理在声速已知的情况下通过测量发送信号与接收信号之间的时间差来计算障碍物的距离，原理图如图2-1所示。

具体的说就是当40KHz的电压脉冲信号由导线输入传感器后，由压电陶瓷晶片将此电信号转换成机械振动，这种机械振动通过空气向外发送出去，发送出的超声信号向空中各方向沿直线传播，遇到障碍物反射回来。

传感器在接收到反射回来的回波信号后再次将机械振动转变为电压信号的波动。

此时得到的电压脉冲信号非常的微弱，经过后极的放大电路等的处理后被采集处理。

图2-1超声波测距原理图
超声波传感器发出超声波，在介质中传播遇到障碍物反射后再通过介质返回到接收探头，测出超声波从发射到接收所需的时间，然后根据介质中的声速，就能算得从探头到障碍物的距离。

本设计采用双探头方式。

声波在其传播介质中被定义为纵波。

当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射；反射波称为回声。

假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。

这就是本系统的测量原理。

这里声波传播的介质为空气，采用不可见的超声波。

假设室温下声波在空气中的传播速度是s，测量得到的声波从声源到达目标然后返回声源的时间是t秒，距离d可以由下列公式计算：
d=33550(cm/s)*t(s)
因为声波经过的距离是声源与目标之间距离的两倍，声源与目标之间的距离应该是d/2
单探头方式就是探头发出的超声波在介质中传播，遇到障碍物反射后返回至同一探头而被接收。

如图3-3所示，探头到障碍物的距离为S，测距表达式为：
式中：S为所测障碍物的距离，c为超声波在介质中的传播速度，t为超声波从发送到接收所经过的时间。

从上式可看出，只要已知声速c，就可以靠准确测量时间t的方法来精确测量距离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。

3．智能导盲拐杖硬件系统设计
设计实现的功能
超声测距部分是利用超声波在空气中传播时遇到障碍物返回的特点来实现测量距离的目的。

根据超声波从发射到接收到回波的时间以及此时的声速就可以计算出障碍物的距离。

由于超声在空气中传播有衰减，加上环境以及电路本身的噪声干扰，测量距离有一定的上限，超过上限距离的障碍物的回波将无法检测到；同时由于发射超声波对接收超探头的影响，测量距离存在下限，低于下限距离的障碍物回波将无法与干扰信号区别开。

系统测量的就是介于上限与下限距离范围的障碍物信息。

当检测到障碍物时，系统会通过语音模块发出告警信号。

语音播报部分是通过对接收到的超声波信号进行检测，数据经过处理后，处理完成后如为危险信号即发布声音预警。

通过控制开关，可控制语音模块对实时的温度和时间的进行播报。

警示系统模块通过AT89S52单片机控制语音模块和控制开关，达到包括语音警示，LED灯警示效果，提醒使用者和过往车辆行人避让，达到保障使用者安全的目的
稳压电源模块可以最大程度保持输入电压的稳定，保持电源输出的电压是恒定的。

是为了给电路提供稳定电源，从而使整个模块正常工作，延长使用寿命。

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，还包括单片机以及各模块间的相互连接。

在设计之前，必须要对整个智能导盲拐杖的各部分构造有一个大致的了解。

为了更好的实现预期的效果，根据整体配置，来细化各模块配置。

以AT89S52单片机为核心的控制器，除此之外再细分模块。

整个系统根据“回波测距”的原理设计的，其结构框图如图3-1所示。

图3-1 智能导盲预警系统结构原理图
硬件电路设计
该系统由单片机、超声波发射接收电路、液晶显示电路、语音模块及光警提示模块等组成，控制核心为单片机。

单片机在接收到传感器的信息后，将传感器的信号转换为距离信息，通过语音播报或振动提示。

系统工作原理方框示意图如图3-2所示。

图3-2系统工作原理方框示意图
整个系统包括以下几个模块：
（1）CPU模块
（2）超声换能模块
超声波发射包括产生超声激励脉冲的发射电路和超声探头，由单片机控制产生激励脉冲激励探头发射超声波。

回波信号的接收由前置比例放大电路、程控放大电路和滤波电路四部分构成。

回波信号经超声波传感器接收后转换成电信号，再经放大和滤波使信号的幅度和信噪比达到一定程度，满足信号处理的要求。

（3）电源模块
该模块为整个系统供电，提供稳定的电源。

使整个系统能够正常的运行。

（4）语音播报模块
该模块主要播报警示音，及对时间进行播报。

（5）温湿度检测模块
CPU模块
单片机一词最初源于“Single-Chip Microcomputer”，简称“SCM”。

单片机也叫做“微控制器”或者“嵌入式微控制器”。

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；内存较大，功能强，抗干扰能力强、软硬件资源都比
较丰富等特点，其外围接口电路简单，具有很高的性价比，其价格仅为DSP的五分之一，而且它经过多年的发展，技术也相当的成熟。

它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵
活有效的解决方案。

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。

这次设计所选用的AT89S52单片机如图3-3所示，有40个引脚的芯片，引脚配置，是一种低功耗、高性能的含有8K字节快闪可编程/擦除只读存储器(FPEROM-- Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与AT89S52指令系统和引脚完全兼容。

芯片上的FPEROM允许在线或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。

AT89S52的主要性能包括：
(1)与MCS-52微控制器产品系列兼容。

(2)片内有8K字节的可在线重复编程快闪擦写存储器(Flash Memory )。

(3)编程所需的所有时序和电压，均不需外部电路供给。

(4)存储器可循环写入/擦除1000次。

(5)存储数据保存时间为10年。

(6)宽工作电压范围，Vcc可由到6V。

(7)全静态工作，可由OHz到16MHz。

(8)程序存储器具有3级锁存保护。

(9)128X8位内部RAM。

(10)32条可编程I/O线。

(11)三个16位定时器/计数器。

(12)中断结构具有5个中断源和2个优先级。

(13)可编程全双工串行通道。

(14)空闲状态维持低功耗和掉电状态保护存储内容。

AT89C52芯片的40个引脚功能为：
VCC：电源电压。

GND：接地。

RST：复位输入。

当RST变为高电平并保持2个机器周期时，所有I/O引脚复位至“1”。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡放大器的输出。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

P0口：8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：8位双向I/O口。

引脚～提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。

和需要外部上拉，可用作片内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1口输出缓冲器能接收20mA电流，并能直接驱动LED显示器；P1口引脚写入“1”后，可用作输入。

在闪速编程与编程校验期间，P1口也可接收编码数据。

P2口：带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写
时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：引脚～为带内部上拉的双向I/0引脚。

P3口的输出缓冲器能接收20mA的灌电流；P3口写入“1”后，内部上拉，可用输入。

P3口也可用作特殊功能口，其功能见表1。

P3口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。

本次设计的单片机模块由AT89S52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。

AT89S52功耗低、性能高其具有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，与工业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AT89S52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。

图3-3单片机电路结构
在89S52单片机的引脚RST接持续两个周期的高电平时，单片机内部就执行复位操作。

若是引脚保持保持高电平，则单片机处于循环复位状态。

实际应用中，复位操作有两种基本形式：一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的，请求在打开电源、单片机自动复位操作。

RST引脚上电瞬间获得高电平，随着电容C1的充电，RST引脚的电压将逐渐下降。

RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。

单位电路的目：在需要的时候，单片机复位，保证正常的工作循环，如图3-4所示。

图 3-4复位电路
目前被大家熟知的避障测距技术主要有激光、毫米波雷达、摄像系统、红外线、超声波等一些测距技术，不同的目标探测方式其工作过程和原理有不同之处，但它们的主要目的都是通过前方返回的探测信息来判断距离。