挑战杯(盲人避障)

摘要在日常生活中，盲人属于弱势群体，行动及其不方便，外出行走时需要用拐杖或类似的代替物，这样既不方便同时存在安全隐患。

本系统具有辅助盲人进行避障的功能，利用了HY-SRF05超声波模块进行超声波检测、采用ISD4004语音模块作为语音提示，结合单片机系统实现超声波测距语音报警的功能。

文中对超声波测距原理、硬件电路结构和单片机软件系统等进行了论述，还对系统性能进行了可行性分析。

本系统具有成本低，可靠性强，较好便携性，安装使用方便等优点，具有人机交互等智能化功能，为广大盲人朋友提供了一种新型的避障辅助器材，具有一定的市场推广空间。

关键词：HY-SRF05超声波模块、ISD4004语音模块、单片机系统、智能避障目录摘要I1. 引言12. 超声波测距基本原理13. 系统硬件设计23.1系统要求23.2系统结构23.3主要器件资料33.4 硬件电路84.单片机程序设计94.1程序及算法分析94.2程序流程图114.3程序代码125.Proteus仿真186.系统调试206.1实验测试206.2实验数据206.3误差分析与改进217.市场前景与开发价值228.参考文献23盲人智能避障系统1.引言对于正常人来说，也许避开前方的障碍物是很自然的，但是对于盲人来说,这就不是一件容易的事情了。

本作品设计了一种帮助盲人躲避障碍物的系统，让盲人的生活变得更加轻松。

2.超声波测距基本原理超声波是指频率高于20khz的机械波。

为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。

超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。

超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之。

本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。

它有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两极外加脉冲信号，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，并带动共振板振动，产生超声波。

反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。

在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。

超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

超声波测距的方法有多种：如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。

本设计采用往返时间检测法测距。

其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。

测试传输时间可以得出距离。

假定s(m)为被测物体到测距探头之间的距离，测得的时间为t （m/s ），超声波传播速度为(m/s)表示，则有关系式2.1。

2/vt s =(2.1)在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式2.2对超声波传播速度加以修正，以减小误差。

本设计不进行温度校正，取v=344m/s （C ︒20）。

T v v o 607.0+= （2.2）式中o v ——0C ︒下超声波在介质中的传播速度T ——实际温度，单位：C ︒3. 系统硬件设计 3.1 系统要求利用单片机、超声波测距模块、Proteus 和Keil C51工具设计出距离测量系统，测量结果精确到1cm ，制作实物并进行测试。

3.2 系统结构本系统由HY-SRF05超声波模块、ISD4004语音模块，显示模块和单片机等构成，整个系统由51单片机控制。

HY-SRF05超声波模块包含超声波发射电路、超声波接收电路，可通过单片机给其发送启动信号，HY-SRF05超声波模块接受到启动信号发送超声波，最后将测量信号返回给单片机。

单片机对测量信号进行处理，通过显示模块显示测量结果，并且一旦测量值小于设定值，语音芯片将播放事先录制好的预警声音信号。

显示模块由3位LED 共阴数码管及相关电路组成，显示模块主要用于系统调试，调试完成后可将其去掉。

系统结构框图如图3.1所示。

晶振电路显示模块复位电路AT89C51HY-SRF05超声波模块语音模块图3.1系统结构3.3主要器件资料3.3.1HY-SRF05超声波模块HY-SRF05超声波测距模块可提供2cm~450cm的非接触式距离感测功能，测距精度可高达3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。

实物及引脚说明如图3.2和图3.3所示。

有的模块并没有OUT口，本设计也没用到。

图 3.2超声波侧面图3.3超声波正面基本工作原理：（1）采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平；（2）模块自动发送8个40KHz的方波，自动检测是否有信号返回；（3）有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间（10us~18ms），如果没有检测到反向则输出36ms的高电平。

工作时序如图3.4所示。

图 3.4工作时序3.3.2显示模块主要用于试验阶段的数据显示和分析。

显示模块由3位一体的LED数码管、74HC373锁存器和S8550三极管驱动电路构成。

数码管结构如图3.5所示。

图3.5显示模块74HC373锁存器可以让数码管显示更稳定。

外部封装如图3.6所示，内部逻辑如图3.7所示，引脚说明见表3.1，真值表见表3.2。

图3.6 74HC373外部封装图3.7 内部逻辑表3.1 引脚说明引脚名说明D0 ~ D7 数据输入端Q0 ~ Q7 数据输出端OE三态允许控制端，低电平有效LE 锁存允许端，高电平有效VCC 电源，5VGND 接地表3.2真值表OE OE Dn Qn L H H HL H L LL L X Q0H X X Z H：高电平L：低电平Q0：输入端准备状态条件建立前已确定的Q端(输出端)电平Z：高阻态驱动电路可以防止单片机IO口驱动能力不足。

3.3.3单片机本设计采用的是宏晶公司生产的采用DIP40封装形式的STC516RD+芯片，属于51系列的单片机，具有8位数据宽度的CPU，能处理8位二进制数据或代码，32K Bytes Flash ROM，512Bytes 片内RAM。

晶振频率高达24M。

如图3.8所示。

图3.8 单片机引脚图3.3.4ISD4004语音芯片ISD4004系列工作电压3V，单片机录放时间8至16分钟，音质好，适用于移动电话及其他便携式电子产品中。

芯片采用CMOS技术，内含振荡器，防混淆滤波器，平滑滤波器，音频放大器，自动静噪及高密度多电平闪烁存储阵列。

芯片设计是基于所有操作的必须由微控制器控制，操作命令可通过串口通信协议（SPI或Microwire）送入，芯片采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存储在片内的闪存中，因此可以十分真实自然地再现音乐、语音和效果音，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。

采样频率可为 4.0HZ，5.3HZ，6.4HZ，8.0HZ，频率越低，录放音时间越长，而音质则有所下降，片内信息存于闪烁存储器中，可在断电的情况下保存100年，反复录音10万次。

3.4硬件电路图3.9 硬件电路由于Proteus中没有3位数码管器件，暂且用4位数码管代替。

PWRIN1是5V电源接口，HY-SRF05是超声超声波模块接口。

器件清单如表3.3。

表3.3 器件清单4.单片机软件系统设计4.1算法分析整个单片机程序分为主函数、超声波时间测量、距离计算和数码管显示4个部分。

主函数用来初始化系统和整体控制，其中包括给超声波测距模块发送启动测量信号。

超声波时间测量模块获取所测时间，然后距离计算模块利用获得的所测时间计算出距离，最后显示模块显示测量距离。

超声波时间测量模块是通过查询的方式来检测ECHO 引脚的电平变化的，通过定时器T0来测量时间。

显示模块通过定时器中断的方式实现数码管的扫描显示。

测量过程的原理如图 4.1所示。

初始化时将T0的寄存器TH0和TL0清零，使用12MHz 晶振时，则所测时间可通过式4.1.1算得。

TL0+256*TH0=time （4.1.1）式中time ——所测时间，单位：us由之前的式2.1，取v=344m/s ，可得所测距离为：)(10*10**172s 26cm time -= （4.1.2）化简得：)(1.58/s cm time = （4.1.3）如果采用11.0592MHz 的晶振，由于定时计数器计1个数的时间约为1.085us ，因此距离不能通过式4.1.3计算，不然会有较大的误差，这时可通过式 4.1.计算。

本设计的实物制作时使用的是11.0592MHz 的晶振。

其他晶振频率也可通过类似计算得到。

本设计的测量精度为1cm 。

)(6.53/s cm time =（4.1.4）图4.1测量原理图4.2程序流程图4.3子程序代码4.3.1超声波子程序oid ceju(){i=0;flag=0;Tx=0; //首先拉低脉冲输入引脚TMOD=0x10; //定时器0，定时器1，16位工作方式IT0=0; //由高电平变低电平，触发外部中断EX0=0; //关闭外部中断EA=1;while(shuju==0){uint distance_data;ET1=0;Tx=1;delay_20us();Tx=0; //产生一个20us的脉冲，在Tx引脚 while(Rx==0); //等待Rx回波引脚变高电平 succeed_flag=0; //清测量成功标志EX0=1; //打开外部中断TH1=0; //定时器1清零TL1=0; //定时器1清零TF1=0; //TR1=1; //启动定时器1ET1=1;while(TH1 <30);//等待测量的结果，周期65.535毫秒（可用中断实现）TR1=0; //关闭定时器1EX0=0; //关闭外部中断if(succeed_flag==1){distance_data=outcomeH; //测量结果的高8位 distance_data<<=8; //放入16位的高8位 distance_data=distance_data|outcomeL;//与低8位合并成为16位结果数据distance_data*=12; //因为定时器默认为12分频distance_data/=580; //微秒的单位除以58等于厘米}// X秒=（ 2*Y米）/344 ==》X秒=0.0058*Y米 ==》厘米=微秒/58if(succeed_flag==0){distance_data=0; //没有回波则清零}distance[i]=distance_data; //将测量结果的数据放入缓冲区i++;if(i==3){uint a,b;uchar CONT_1;distance_data=(distance[0]+distance[1]+distance[2]+dista nce[3])/4;pai_xu();distance_data=distance[1];a=distance_data;if(b==a) CONT_1=0;if(b!=a) CONT_1++;if(CONT_1>=3){CONT_1=0;b=a;shuju=a;conversion(b);}i=0;}}}4.3.2录音子程序void setkey_treat(void){set_key=1;//置IO口为1，准备读入数据DelayUs(1);if(set_key==0){DelayMs(5); //延5ms去抖if(set_key==0){if(flag3==0)//录音键和放音键互锁，录音好后，禁止再次录音。