智能盲人路面导航系统报告.docx

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智能盲人路面导航系统报告

计算机学院

单片机设计与开发技术报告

题目：

盲人智能导航路面系统设计与开发

姓名：

学号

姓名：

学号

姓名：

学号

指导老师：

起止时间：

2016年9月至2016年12月

西安电子科技大学计算机工程系

2012年5月制

摘要

此系统目的在于提供一种方便盲人独自安全出行的导航系统，旨在解决现有的盲人导航系统不能够准确、安全的为盲人导航的问题。

系统采用RFID射频识别技术进行导航，将道路存储在电子标签，再转换成相应的语音提示信息，从而实现为盲人提供精确、安全的导航，解决盲人的出行问题。

现阶段已完成预定功能，实现RFID盲人导航、语音提示、盲人输入法、GPS导航、语音读取短信、GSM相关功能等。

系统能准确的帮助盲人到达目的地，让盲人实现自由地出行。

关键词：

盲人出行；盲人导航；RFID

第一章绪论

当今社会科技发展迅速，带给人们生活的便利也越来越多，从物联网到大数据，从互联网到人工智能，所有的一切都是为了让人们体会到更加便捷。

然而这些技术中却很少有为盲人服务的。

中国是世界盲人最多的国家之一，目前约有500万盲人占世界盲人总数的10%以上，低视力者600多万，盲人的出行成了一个不可忽视的社会问题。

目前盲人出行主要依靠盲道、手杖。

已经面世的盲人导航系统大多基于超声波识别系统，现有的超声波盲产品往往只能够辨别出前方是否有障碍物以及障碍物的距离，无法知道障碍物到底是什么。

而这些在实际使用过程中，都存在一些不足之处，存在安全隐患和导盲的精确性问题。

利用RFID新兴技术进行盲人导航有着可靠性高、定位精确的特点，通过语音的方式对盲人出行进行引导，为成千上万的盲人出行带来方便。

第二章系统需求分析

近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。

当今世界盲人众多，且他们的出行问题成了影响他们正常生活最主要的因素之一。

目前盲人出行主要依靠盲道、手杖。

已经面世的盲人导航系统大多基于超声波识别系统，现有的超声波盲产品往往只能够辨别出前方是否有障碍物以及障碍物的距离，无法知道障碍物到底是什么。

而这些在实际使用过程中，都存在一些不足之处，存在安全隐患和导盲的精确性问题。

本系统是一个基于RFID的盲人导航系统，旨在解决盲人独立出行不方便的问题。

系统主要由RFID感应读取IC卡内容和RFID重写IC卡内内容两部分构成。

现目前的成果基本能够实现这两个功能：

1、读取IC卡内内容：

主要实现的现实意义是能够感应IC卡并语音播报出当前IC卡内的信息，以达到能够让盲人知道目前的位置信息。

在试验阶段我们还加入了电子屏幕显示卡内信息的功能，以方便在改变卡内信息以后能够确定卡内信息是否被正确地改变了。

2、改写IC卡内内容：

该功能主要是为IC卡安放以及设计人员提供，其主要的功能是利用上位机实现IC卡和PC端的连接，并利用上位机改写IC卡固定扇区的内容，以此来实现不同的位置安放的IC卡内的信息也有所不同。

3、重置功能：

该功能主要是为了清空单片机内读入的IC卡的数据，以达到更换卡片时，重新读入的数据是当前IC卡的数据而不是上一次缓存的数据。

第三章系统软硬件设计与实现

3.1系统结构

如图3-1

图3-1系统结构

3.2系统所使用的的硬件

（1）、STC89C52作为主控芯片

1）STC89C52单片机的主要特性如下

Stc89c52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，stc的stc89c52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，stc89c52芯片引脚图如图3-2所示。

图3-2stc89c52芯片引脚图

主要特性：

·与MCS-51兼容

·8K字节可编程闪烁存储器

·寿命：

1000写/擦循环

·数据保留时间：

10年

·全静态工作：

0Hz-24Hz

·三级程序存储器锁定

·128*8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·6个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

2）STC89C52RC引脚功能说明：

1、主电源引脚VSS和VSS

STC89C52芯片引脚图

VSS——（40脚）接+5V电压；

VSS——（20脚）接地。

2、外接晶体引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。

在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。

当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对SHMOS单片机，此引脚作为驱动端。

XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。

在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。

采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对XHMOS，此引脚应悬浮。

3、控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP

①RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。

推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VSS引脚之间连接一个约10μF的电容，以保证可靠地复位。

VSS掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。

当VSS主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围（5±0.5V）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。

②ALE/PROG（30脚）：

当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。

即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。

然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。

对于EPROM单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。

③PSEN（29脚）：

此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。

在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。

但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。

PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。

④EA/VPP（引脚）：

当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PS（程序计数器）值超过0FFFH（对851/8751/80S51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。

当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。

对于常用的8031来说，无内部程序存储器，所以EA脚须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。

对于EPROM型的单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21V的编程电源（VPP）。

4．控制或与其它电源复用引脚RST/Vpd，ALE/PROG，PSEN和EA/Vpp。

RST/Vpd当振荡器运行时。

在此引脚上出现两个机器同期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位。

在VSS掉电期间，此引脚可接上备用电源，由Vpd向内部RAM提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。

ALE/PROG正常操作时为ALE功能（允许地址钱存），提供把地址的低字节锁存到外部锁存器。

ALE引脚以不变的频率（振荡周期的1/6）周期性地发出正脉冲信号。

因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。

但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

ALE端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。

对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲（PROG功能）。

PSEN外部程序存储器读选通信号输出端。

在从外部程序存储器取指令（或数据）期间；PSEN在每个机器周期内两次有效。

PSEN同样可以驱动八个LSTTL输入。

EA／VppEA为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。

当EA为高电平时，访问内部程序存储器（PS值小于4K）。

当EA为低电平时，则访问外部程序存储器。

对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚上加21VEPROM编程电源（Vpp）。

5、输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）

①P0口（39脚至32脚）：

是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。

②P1口（1脚至8脚）：

是准双向8位I/O口。

由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。

P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。

对8052、8032，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2外部控制端。

对EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。

③P2口（21脚至28脚）：

是准双向8位I/O口。

在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。

在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。

P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。

④P3口（10脚至17脚）：

是准双向8位I/O口，在MSS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。

P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。

作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。

作为第二功能使用时，各引脚的定义如表所示。

值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。

如表3-1。

表3-1P3口管脚备选功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/INT0（外部中断0）

P3.3

/INT1（外部中断1）

P3.4

T0（记时器0外部输入）

P3.5

T1（记时器1外部输入）

P3.6

/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

/RD（外部数据存储器读选通）

本设计中采用的单片机是宏晶科技的STC89C52，指令代码完全兼容8051系列单片机，并且可通过串口直接下载用户程序，不需要专用的编程器和仿真器，片上集成有高容量的程序存储空间和数据RAM，无需拓展存储器件就可满足设计需要，如下图3-3

图3-3

（2）、LCD1602显示屏

显示电路设计采用1602液晶显示屏，该液晶显示屏的显示功能强大，内置192种字符，可显示符号、数字，清晰可见，而且功率消耗小寿命长抗干扰能力强。

所以在此设计中采用1602液晶显示屏。

LCD1602有16个引脚，各引脚与单片机及外部其他接口的连接如下图，VCC是电源，VL是液晶显示偏压，RS引脚控制寄存器选择1：

数据寄存器0：

指令寄存器。

R/W引脚控制读写信号1读0写。

EN/E是显示器模块使能信号输入端，高电平有效。

B_VCC和B_GND是背光板工作电压的输入端。

DB0~DB7是八位双向数据总线与单片机上P0.0~P0.7引脚相连，用于并口传送数据，如图3-4

图3-4

（3）、RFID模块MF-RC522射频芯片电路

PHILIPS公司的MF-RC522是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成读卡IC系列中的一员。

其利用先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。

MF-RC522支持IS014443A的多层应用。

为了驱动天线，MF-RC522通过TXl和TX2提供13.56MHz的能量载波。

根据寄存器的设定对发送数据进行调制得到发送的信号。

智能卡采用RF场的负载调制进行响应。

天线拾取的信号经过天线匹配电路送到RX脚，RC522内部接收器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理，然后将数据发送到串行接口由微控制器进行读取。

在每次上电或硬件复位后，MF-RC522也复位其接口模式并检测当前微处理器的接口类型。

MF-RC522在复位阶段后根据控制脚的逻辑电平识别微处理器接口。

这是由固定管脚连接的组合和一个专门的初始化程序实现的。

首先,无线载波信号通过MF-RC522射频卡读写模块（下面简称读写模块）由天线向射频卡（非接触卡）发送,它们经由射频卡的天线耦合接收后,首先进行波形变换,继而对其整流滤波,由电压调节模块对电压进行例如稳压等的进一步的处理,最后在射频卡上的各级电路上显示输出。

此时,载波信号被非接触卡接收后，就经过该卡片上的调制/解调电路对载波信号进行调制/解调,被处理过的信号就传到卡片的控制器上用来控制及处理。

数据被非接触卡处理好以后,再次经过非接触卡本身的天线把载波信号向MF-RC522返回,同时MF-RC522由自身的调制/解调电路来对这些信号进行处理。

这些返回的载波信号的频率与MF-RC522发出的载波信号的频率是一致的。

通过这样一个通讯回路,MF-RC522就可以对非接触卡的内容进行读写操作。

这里需要说明的是:

非接触型IC卡本身是无源体,当读写器对卡进行读写操作时,读写模块发出的信号由两部分叠加组成:

一部分是电源信号,该信号由卡接收后,与其本身的L/C产生谐振,产生一个瞬间能量来供给芯片工作。

另一部分则是结合数据信号,指挥芯片完成数据、修改、存储等,并返回给读写模块，如图3-5

图3-5

（4）、NV065A系类语音芯片电路

1）功能特点

OTP存储格式，生产周期快，最快仅需一天，下单无最小量限制；

灵活的多种按键操作模式以及电平输出方式供选择（边沿按键触发、电平触发、随机按键播放、顺序按键播放）；

简单方便的一线MCU串口控制方式，用户主控MCU可控制任意段语音的触发播放及停止；

语音时长10秒、35秒、65秒、112秒；

内置一组PWM输出器可直推0.5W喇叭；

灵活的放音操作，通过组合可节省语音空间，最多可播放64个语音组合（8脚的32个地址）；

音质优美，性能稳定，物美价廉；

内置LVR自复位电路，保证芯片正常工作；

DIP8，DIP14,SOP8，SOP14，以及COB五种封装可供选择，使用方便，应用灵活；

外围电路简单，仅需一调节电容；

工作电压范围：

1.8V～5.5V；

静态电流：

2uA；

2）、芯片管脚图，如图3-6为8-pinDIP,SOP，图3-7为14-pinDIP,SOP

表一为DIP8，SOP8管脚对应表，表二为DIP14，SOP14管脚对应表

图3-6

图3-7

3）、控制模式

音芯片具有丰富的控制方式。

它分为按键控制模组和MCU一线串口控制模式。

其中按键控制模组分为ON/OFF控制、脉冲可重复触发、脉冲不可重复触发、电平保持触发、电平非持触发、DOWN下一首、随机段触发。

当IO口被分配为MCU一线触发时，不能同时作为按键来触发

4）、数据与语音的对应关系，如表三

表三：

芯片数据与语音对应关系

（5）、晶体振荡器

晶体振荡器，简称晶振，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。

以声卡为例，要实现对模拟信号44.1kHz或48kHz的采样，频率发生器就必须提供一个44.1kHz或48kHz的时钟频率。

如果需要对这两种音频同时支持的话，声卡就需要有两颗晶振。

但是现在的娱乐级声卡为了降低成本，通常都采用SCR将输出的采样频率固定在48kHz，但是SRC会对音质带来损害，而且现在的娱乐级声卡都没有很好地解决这个问题。

现在应用最广泛的是石英晶体振荡器。

石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，石英晶体振荡器也称石英晶体谐振器，它用来稳定频率和选择频率，是一种可以取代LC谐振回路的晶体谐振元件。

石英晶体振荡器广泛地应用在电视机、影碟机、录像机、无线通讯设备、电子钟表、单片机、数字仪器仪表等电子设备中。

为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。

在单片机中为其提供时钟频率。

石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：

从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。

其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

只要在晶体振子板极上施加交变电压，就会使晶片产生机械变形振动，此现象即所谓逆压电效应。

当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时，就会发生压电谐振，从而导致机械变形的振幅突然增大。

时钟信号用来提供单片机片内的各种微操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到:

内部振荡和外部振荡。

MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用内部方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式，外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。

外接晶体以及电容C2和C3构成并联谐振电路，它们起稳定振荡频率、快速起振的作用，其值为30pF左右，晶振频率选11.0592MHz，电路如图3-8

图3-8

（6）、复位电路

STC89C52的复位输入引脚RESET为STC89C52提供了初始化的手段，可以使程序从指定处开始执行，在STC89C52的时钟电路工作后，只要RESET引脚上出现超过两个机器周期以上的高电平时，即可产生复位的操作，只要RESET保持高电平，则STC89C52循环复位，只有当RESET由高电平变成低电平以后，STC89C52才开始执行程序，本系统采用按键复位方式的复位电路。

电路如图3-9

图3-9

3.2系统主要的软件程序

（1）、STC89C52主控程序

（2）、NV065A语音芯片程序

（3）、上位机程序

3.3RFID读写卡程序流程

图3-10为RFID读卡程序流程，图3-11为RFID写卡程序流程

图3-10

RFID读卡程序说明：

上图所示为IC入磁场后，自动循环发送的数据流码型。

其中前9位为l，是卡的头数据，第10-63位为数据及校验位，可能为0或1，第64位为结束位0，之后循环。

由此可知，要想正确地读卡，首先就要正确的找到数据1（9位“1”的同步头），根据曼码规则下跳为1，故可以检测高电平并等其变低，连续检测9个1以获得同步。

图3-11

写卡程序：

非接触式IC卡基本都是通过振幅调制的方式实现写入操作的。

读写器通过控制磁场的开启与关闭实现信息的传送。

了使得卡芯片就绪，必须首先开启磁场，为卡片提供上电复位的电源，T[S]为卡片所需的复位时间；读写器关闭磁场产生停振间隙（gap），待发送信息就是通过两个相邻间隙间磁场开启时间长度T[O]和T[l]来表征的；数据发送完毕后，必须发送结束信息，1个gap后启动磁场T[E]时间。

程序开始时，先修改串口，若不成功说明端口1被占用，需要重新分配，然后寻卡，找到范围内的卡建立连接。

成功后进行防冲突，并选择需要读写的扇区，并对选择扇区进行读写修改。

3.5系统总程序流程

如图3-12

图3-12

3.6功能实现流程

3.6.1识别并读出卡内信息

在接收到按键所给出的信号后，读卡器将IC卡内的信息读出，并将信息传递给语音模块，由语音模块通过喇叭播报IC卡内信息。

同时将信息传递到显示频上显示。

3.6.2利用上位机程序改变卡内信息

IC卡放置读卡器，并将串口连接电脑，在接通电源的情况下，通过上位机建立与IC卡的联系，通过上位机程序改变IC卡内信息。

第四章系统调试与测试

4.1硬件测试

4.1.1断电测试

为了保证焊接正确，防止硬件损坏。

在调试时，先对焊点进行检查，防止有虚焊、漏焊情况发生。

用万用表检查系统各部分电路是否存在短路情况。

经检测，未出现短路的现象以及各个硬件电路的电平电压都在正常工作值范围内。

4.1.2按键测试

依次按压读取键、复位键，用万用表测试，检测结果正常。

4.1.3显示屏测试

用keil下载显示屏测试程序，亮度正常，可以显示字符，检测结果正常。

4.1.4喇叭测试

为单片机下载喇叭测试程序，喇叭正常工作，检测结果正常。

4.1.5射频模块测试

接上电源后，模块灯亮，检测结果正常。

4.2功能测试

4.2.1读写卡信息功能测试

用上位机程序更改经纬、方向，正确显示更改后值，检测结果正常。

4.2.2语音播报功能测试

能正确播报经纬方向信息，检测结果正常

4.2.3复位功能测试

屏已有显示时，按下复位键，只保留经纬方向提示名，具体信息消失，检测结果正常。

综上，通过对本硬件的软硬件测试，排除了硬件制作中的问题，检测结果正常。

第五章总结

对盲人弱势群体的关心，我们思考了很多如何使盲人生活更加便捷的方法，偶然间看到关于使用RFID技术设计盲人导航系统的相对论文，仔细研读并考察后决心实现论文中盲人导航系统的部分功能，也就是设计一个能够读取预设芯片经纬信息并能语音播报的硬件设备，硬件的系统结构等如上所述。

刚刚接触这个内容的时候，我们都是一头雾水，毕竟之前对硬件的了解大多停留在理论知识和上机实验。

真到了实际动手操作的时候，用什么单片机，keil程序怎么烧进去，语音播报功能怎么实现，射频模块及RFID卡怎么制作，这些问题接踵而至，但是我们硬着头皮，一点一点的啃，遇到不会的就上网查找资料，与同学们讨论，终于克服了一个个难关，完成了这件的作品，获得了无与伦比的成就感。

通过本次硬件课设，我们通过上网查阅资料并共同讨论确定了课题，在实验过程中明确了分工，每个人都掌握了一部分内容，将整体的内容切分成三块，射频模块的设计，语音芯片语音播报功能的实现，1002显示屏及其相关功能的实现，均分给三个人，每个人都有参与，每个人也都有收获，我们都从中学到了之前没有接触过的新知识，共同完成课设报告，这些经历让我们在学习到专业知识的同时，也产生了对硬件设计的兴趣，并且认识到团队合作的重要性。

附件：

电路原理图和PCB图

1、PCB图

2、原理图