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多功能导盲仪设计毕业论文

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摘要

本文介绍的是一款基于STC89C52RC单片机芯片的超声波导盲系统。

该系统利用HC-SR04超声波模块，通过单片机的控制收发超声波，实现对障碍物进行检测，然后利用收发时间差以及超声波在空气中的传播速度，完成对距离的计算，最后通过单片机的一系列处理，将结果反馈给盲人用户。

本文将从该系统设计的理论基础超声波测距原理开始，详细地阐述超声波测距理论基础、HC-SR04超声波模块的使用、DS1302时钟模块的使用、YF017语音模块的使用。

本文还通过利用DS1302时钟模块及YF017语音模块配合单片机的I/O口，为导盲系统添加了诸如按键语音日历、语音报时及语音报距等对于盲人比较友好的功能。

关键词：

单片机；超声波测距；导盲仪；DS1302；YF017；HC-SR04；STC89C52RC

Abstract

ThisarticledescribesanultrasonicblindingsystembasedontheSTC89C52RCmicrocontrollerchip.ThesystemusestheHC-SR04ultrasonicmoduletosendandreceiveultrasonicwavesthroughthecontrolofasingle-chipmicrocomputertodetectobstacles,andthenusesthetimedifferencebetweensendingandreceivingandthepropagationspeedofultrasonicwavesintheairtocompletethecalculationofthedistance.Finally,itisprocessedbyaseriesofsingle-chipmicrocomputers.Feedbackresultstoblindusers.

Thisarticlewillbeginwiththetheoreticalbasisofthedesignoftheultrasonicdistancemeasurementprinciple,detaileddescriptionofultrasonicrangingtheoreticalbasis,theuseofHC-SR04ultrasonicmodule,theuseofDS1302clockmodule,theuseofYF017voicemodule.

ThisarticlealsousestheDS1302clockmoduleandYF017voicemoduleinconjunctionwiththeI/Oportofthemicrocontrollertoaddfeaturessuchaskeypadvoicecalendar,voiceannouncement,andvoicepitchtotheblindingsystem.

Keywords:

MCU;Ultrasonicdistancemeasurement;Guidancesystem;DS1302;YF017;

HC-SR04;STC89C52RC

第一章绪论

1.1研究背景

根据最新的数据分析：

全世界已经拥有接近1亿的盲人群体，这是一个非常巨大的群体，并且盲人群体的数量每年的增长数量也十分惊人，据不完全统计这个数字大约在七八百万左右。

视觉受损的人群数量更是有两个多亿。

中国由于卫生、医疗、人口基数等多方面因素，盲人的数量高达2000多万，占世界总数的约1/5。

眼睛是我们日常生活中获取外界信息的最主要的媒介，人类感知的高达80%的信息是通过视觉获取的。

视觉受损给盲人群体带来了极大的不便，不仅体现在日常生活中有诸多不便，盲人群体在心理上也往往会处于消极状态。

盲人在生活中最大的困扰应该是安全出行问题。

根据研究，现今盲人群体出行的方式主要是由看护人陪伴出行、自带伸缩导盲杖出行以及携带导盲犬出行这三种最为常见的方式。

但是这些方式现如今都存在着不足，首先看护人陪伴当然是最为安全的出行方式，但是这种方式的人力成本较高，并且看护人不能24小时陪护也不现实。

伸缩导盲杖应该是现今最为普遍的导盲工具，是盲人生活的必备品，但是伸缩导盲杖这种比较原始的导盲设备势必存在空间受限，被测物体受限以及探测距离受限等一系列问题，这些问题对于伸缩导盲仪来说是难以改进的。

最后一种导盲犬导盲方式，这种方式在国内还是相当少见的，同时导盲犬的培训成本极高，训练一只合格的导盲犬需要很高的时间和金钱成本，这种方式的可靠性也备受质疑，在国内普及的可能性不高。

除了出行方式存在的问题，国内盲道的建设同样存在诸多问题，一个是城市中盲道常常被非法占用，另一个有些城市甚至用盲道来装饰路面，那盲人群体的生命安全开玩笑，更别说农村的盲人设施覆盖率几乎为零。

面对这么多盲人出行中存在的安全隐患，盲人迫切的需要一个更好的安全出行工具。

基于这个需求导盲仪应运而生，一款合格的导盲仪需要体积小巧、操作简单、价格低廉、续航充足、探测距离长、灵敏度高，能够满足盲人群体安全出行的需要。

1.2国内外研究现状

自上世纪五六十年代以来，随着科学技术的进步，人类提出了人工视觉的可能性。

科学家门开始了视觉假体技术的研究。

视觉假体技术是依靠在人类体内植入芯片直接刺激视觉通路的不同部位，以此来恢复人的部分视觉。

在这种思路的指导下科学家提出了很多方案，比较著名的是视皮质植入型、脉络膜植入型、视网膜植入型和视神经植入型这四中视觉假体技术[6]。

不过这类技术无论在实施技术上还是在伦理上都存在较大的问题[9][10]。

从21世纪开始，伴随着半导体行业的崛起和传感器的日益成熟，“感知替代”逐渐成为导盲仪设计的主流研究方向。

研究人员综合利用计算机图像处理技术、传感器件等日益成熟的技术设计、改进很多导盲仪设备[11][12]。

现如今国内的研究主要仍停留在对各类传感器的应用方面，不过研究的方向更偏向本地化和用户体验的方面，使得导盲仪真正能够获得普及与推广。

1.3本文内容介绍

本文主要分为四个章节，每个章节的内容安排如下：

第一章，主要阐述论文的研究背景以及国内外研究现状，从现今盲人群体的规模，盲人群体导盲方式的缺陷以及盲人群体安全出行的需求出发，表明导盲仪设计的必要性。

同时通过分析国内外导盲仪发展的历史以及现状确定导盲仪设计的具体方向。

最后为本文主要内容列一个大纲。

第二章，主要介绍超声波测距的理论依据，对超声波的参数、特性和影响超声波的因素等方面进行详细介绍。

第三章，主要介绍本设计的硬件设计部分，首先给出整个硬件电路的设计，然后分别对MCU，超声波模块[1]，时钟模块，语音模块进行详细的介绍。

第四章，主要介绍本设计的软件设计部分，给出整个软件的设计框图。

简要的讲述软件的设计思路及执行过程，详细代码将附于附录中。

第五章，对研究设计过程进行和对未来研究的展望。

第二章测距原理

2.1超声波

2.1.1超声波简述

人的耳朵能感知的声音在20Hz~20KHz频率段内。

如果声音的频率低于或者高于这个值，人的耳朵就听不出来。

国际上根据人类耳朵的分辨能力，将高于人耳分辨能力频率的声波定义为“超声波”[2]。

超声波的能量比较容易被集中起来，能够轻易的穿透很多物体，传输的距离也比较远，同时在传输过程中声波的方向也不容易发生偏移。

根据超声波的这一系列优点，超声波被设计人员开发利用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌等很多方面。

这些应用被广泛的利用在多个领域，如军事设施、农业机械、医学器械、工业机器、民用家具等领域。

比较典型的有医院的B超，彩超，家用超声波清洗机[3]、加湿器，智能手机上超声波指纹识别等。

2.1.2超声波的两个主要参数

频率：

F≥20KHz（在大多数场景下，由于要求不高且在高频段声波差距没有那么明显，只要频率能达到15KHz以上，我们就把其当成超声波[4]）。

功率密度：

（2-1）

其中，W为发射功率（w），S为发射面积（

）。

一般地：

（2-2）

2.1.3温度对超声波的影响

在超声波的应用中，温度是一个重要的影响因素，分析温度对超声波的影响能够有效的降低利用超声波技术时产生的外部误差。

下面就对温度对超声波的影响进行深入探讨。

声速的计算公式：

（2-3）

式中，

为气体的绝热体积系数（空气中为1.4）；

P为气体气压（海平面为1.013*106Pa）；

为气体密度（空气中为1.29kg/

）。

又对于1mol空气，质量为m，体积为V，则密度

为m/V，因此

（2-4）

对于理想气体有：

（2-5）

式中，R为摩尔气体常数；

T为绝对温度。

因此：

（2-6）

由于

、R、m均为已知常数，故声速c仅与温度T有关。

在0

的空气中，

=331.45m/s。

对于任意温度下有：

（2-7）

所以，超声波在理想气体条件下空气中的传播速度为：

（2-8）

式中，

为温度（

）。

2.2超声波测距原理

2.2.1超声波测距方法

目前主流超声波测距方法通过对声波的相位、幅值、传递时间三方面进行研究计算，可以分为以下三种方法：

相位法、幅值法和渡越时间法。

这三种方法各有有点，相位法又称相位检测法，该方法的检测精度相对比较高，但由于利用了声波的相位参数，所以计算时所用的公式比较复杂，导致处理时间比较长；幅值法及声波幅值检测法，该方法利用发射及接受的声波幅值计算，显然由于是利用声波的幅值，而探测时往往易受到空气中不相关的杂波的影响，这样一来精度就不能保障了；渡越时间法相较前面两种方法只需要计算声波发射到接收的时间差就能算出距离，简单可靠。

在本系统中只需要利用单片机的一个定时器进行计数就能完成距离计算，所以此方法被广泛的应用在超声波应用领域。

2.2.2超声波测距实现

本设计中采用HC-SR04超声波一体化模块，由单片机向HC-SR04模块的Trig引脚发送一个高电平控制超声波模块发射超声波，同时单片机的定时器开始计数，当超声波模块的Echo引脚检测到回波信号，定时器计数结束，获得一个时间参数T[7]。

因为声波在同一介质中的传播速度不便，常温下声速V=344m/s，通过简单的计算，可以算出超声波距离障碍物的距离S，具体计算公式如下：

（2-9）

在实际代码中，将速度V代入，可将公式简化为

（2-10）

第三章硬件设计

3.1硬件设计总览

本设计的硬件部分主要是由MCU及各外部功能模块组成（DS1302时钟模块、HC-SR04超声波模块、YF017语音模块）。

另外还搭了用来测试及调试用LCD1602显示模块。

本系统框架如图3-1所示。

时钟模块

LCD模块

超声波模块

语音模块

蜂鸣器报警

图3-1系统框图

下面将分别对各模块做适当介绍。

3.2STC89C52RC芯片介绍

STC89C52RC是由国内著名的STC公司推出的一款单片机芯片。

该芯片兼顾了能耗、性能及成本等多方面因素，成为一款相当流行的经典单片机芯片。

STC89C52兼容传统的8051指令集，同时在此基础上添加了很多新的功能。

STC89C52片内拥有一个强大的CPU，该CPU是8位指令集，拥有灵活的功能，在此基础上该芯片能够灵活有效的运用在很多控制领域。

STC89C52拥有一个8k字节的Flash，可以存储大量的代码，同时拥有512字节的RAM可供运行，拥有4组多达32个的I/O口，为外部拓展提供了充足的空间。

STC89C52同时具备看门狗电路和复位电路，为单片机的稳定工作提供了保障；该芯片内置了3个16位定时器和4个外部中断，为单片机处理复杂任务提供了便利；芯片的串口采用全双工的模式，为单片机与外围电路的高速通信提供了保障。

STC89C52的最高频率可达35MHz，利用外接晶振可以为单片机提供高速的处理能力。

下图3-2为此系统所用STC89C52RC的最小系统原理图。

图3-2STC89C52RC最小系统

3.3超声波模块

HC-SR04模块是一个远距离高精度的超声波测距模块，该模块可以准确的探测到前方从2cm到4m的障碍物；这个模块由一个超声波发射器用来发射超声波，同时有一个超声波接收器用来回收发出去的超声波，另外的部分为控制电路，用来控制超声波的接收以及结果信息的处理。

该模块工作的基本原理：

通过单片机I/O口想TRIG引脚发送信号来触发测距，触发信号要求保持不少于10us的高电平；

收到触发信号后，经过控制电路的处理，超声波发射器自动发送8个40KHz的方波，同时接收器开始检测是否有返回信号；

当接收器收到返回信号后，ECHO端开始输出高电平给单片机I/O口，这个高电平的持续时间就是超声波从发射器发射超声波到接收器接收到回波的时间[8]。

图3-3是此模块的具体原理图。

图3-3HC-SR04模块原理图

3.4时钟模块

时钟模块使用的是比较流行的DS1302涓流充电计时芯片。

DS1302模块利用串行接口与单片机进行通信，这使得该芯片的引脚数非常少，使用时只需在X1、X2脚之间接一个晶振，Vcc1脚接上备用电池，并把电源和地接上就能正常运作，另外三个管脚是用来与单片机进行通信的串口，通过这三个引脚，单片机可以读取年月日星期时分秒七个数据，为用户提供准确的时间信息。

DS1302在没有主电源供电的情况下，能够通过Vcc1脚所接的备用电源来进行运作，确保时间信息不丢失，并且在这个模式下，DS1302的能耗可以降的很低很低，这就为岂能长时间保存时间信息提供了保障。

DS1302内部自带有日历校准功能，能够自动识别大小月和闰年等信息，并进行自动校准，同时还提供了12小时制和24小时制的钟点选择。

芯片内部同时拥有一个专为手动设置的时间/日历预留的位，可以通过软件暂停秒，来进行时间/日历的设置。

DS1302使用一个外部32.768kHz晶体，振荡电路工作时不需要任何外接的电阻或者电容。

CE口在读写时必须保持高电平，SCLK口用来同步串行接口上的数据动作，简单来说是控制串口的收发和时序，而I/O口则是双向数据传输口。

该模块的原理图如图3-4所示。

图3-4DS1302模块原理图

3.5语音模块

语音芯片采用的是定制语音内容的YF017芯片，YF017是通过向单I/O口输入不同数量的脉冲来控制播放的语音段，该芯片的电路搭建相当简单，只需把1口接一个104的电容并接地，2、3口外接扬声器，4、5口接地处理，6、7、8口与单片机I/O口连接用来控制播放语音。

通过图3-5是该模块的原理图。

图3-5YF017模块原理图

该模块通过三个I/O口与单片机连接进行语音播放工作，该模块总共可以存放32段语音信息，可以利用专用烧录器对其语音进行定制，芯片内部对于32段语音信息进行了编号，想要播放那段语音，只要向DATA脚输入对应编号数量的脉冲就能播放，通过软件编程的简单循环就能对应输出想要的语音信息。

BUSY引脚在平常状态一直处于高电平状态，当DATA脚检测到信号输入后开始播放语音，此脚立刻置于低电平，当语音播放完毕，重新回到高电平状态待机；

DATA引脚属于主控引脚，该引脚在检测到有效信号后，会对应信号出现的有效高电平个数，进行对应的语音段播放；

REST引脚是一个复位引脚，当检测到高电平后，将重置其他两个管脚，在想连续播放多段语音时，在每段语音开始之前都应先将此脚复位，这样可以防止DATA引脚的混乱导致胡乱播放语音。

在具体应用中，想要播放第几段声音，先发送一个复位脉冲到REST脚，接着发送对应数量的脉冲到DATA脚即可。

BUSY脚可以接一个LED用来观测数据传输[5]。

图3-6为该语音芯片的定制语音。

图3-6YF017定制语音内容

3.6LCD1602模块（用于测试调试以及时间设置）

LCD1602模块在本系统中用于测试及调试日历/时间以及与显示与障碍物距离，这一模块可以用来让正常人帮助盲人校准时间以及检验导盲仪导盲功能是否正常。

该模块功能很简单，用单片机的P0口接LCD的8个数数据端，另选3个单片机I/O接LCD模块的控制端，其原理图如图3-7所示。

图3-7LCD1602模块原理图

第四章软件设计

4.1软件设计思路

此系统的软件设计采用了模块化软件设计的方法，模块化软件设计有助于提高软件的可读性，也方便软件的移植和维护更新。

本设计的软件主要分为如下几个子函数模块：

主程序、延时程序、超声波模块程序、时钟程序、语音程序、LCD显示程序、按键中断程序、定时器程序这几个模块。

程序的主要功能是通过单片机不断发送信号给超声波模块的TRIG端，让超声波模块发送超声波，同时打开定时器进行计数，再超声波模块的ECHO端接收到返回来的信号后关闭定时器，并获得超声波传输时间，再通过计算获得与障碍物的距离S。

再将S的值通过LCD显示出来。

同时利用单片机与DS1302时钟模块进行通信，再将年月日，时分秒，星期这这些数据实时显示在LCD上，并利用单片机的一个外部中断实现按键设置时间/日历信息。

语音芯片的功能是利用另一个外部中断和一个按键来实现，当按键被按下后给一个延时，如果按键没有持续按下则执行播报距离障碍物距离的语音，如果检测到按键被长按则播报当前的日历/时间信息。

4.2软件设计程序框图

本设计的软件设计逻辑简单易懂，主要用到了单片机的一个定时器和两个外部中断，下面对主要的软件工作流程做简单介绍。

4.2.1主程序设计流程图

下图4-1为本次设计的主程序流程图。

图4-1主程序设计流程图

4.2.2设置时间程序流程图

时间设置函数用到了两个按键，具体流程图如图4-2所示。

图4-2时间设置函数流程图

4.2.3中断程序流程图

本设计利用了两个按键K3、K4控制的外部中断实现语音播报和时间暂停两个功能，具体流程图如图4-3所示。

图4-3中断程序流程图

第五章系统测试与结果分析

5.1设计目标

本次设计的功能目标是：

1、利用超声波测距实现导盲功能；2、当距离小于50cm时蜂鸣器响；3、能够完成按键语音报时；4、按键语音报距；5、按键设置时间。

为了方便测试与调试，本设计用了一块LCD1602模块进行辅助设计，下面的系统测试都可以通过LCD来实时查看。

5.2系统测试

本次设计测试在室内进行，图5-1是本此设计的整体实物图。

图5-1整体实物图

通过LCD可以看到各功能运行正常，LCD第一左侧显示的是日历信息，第一行右侧显示的是周信息，第二行左侧显示的是时间信息，第二行右侧显示的是距离信息。

通过图5-1中下方的第三个按键可以暂停时间，然后通过第一、二个按键设置时间/日历信息，短按第四个按键播放距离信息，长按第四个按键播放时间/日历信息，这些功能经测试都能很好的工作。

然后测试的是超声波测距的测试，本次测试我用尺子量了15cm和1m两个距离，并用本次的成品进行了测试，最终结果显示测试距离十分精准，超声波收发模块工作稳定。

当距离小于50cm时蜂鸣器正常工作。

图5-2、5-3、5-4、5-5是超声波模块测试图。

图5-2超声波模块测试图5-3超声波模块测试

图5-4超声波模块测试图5-5超声波模块测试

5.3结果分析

本次设计的测试结果基本都符合设计目标，各功能运作正常。

不过这次测试主要是在实验室中进行的，对于现实生活中的复杂场景没有做过多的分析。

由于超声波在打到复杂障碍物时，反射的角度容易偏移，可能导致接收端接收的误差，进而距离计算误差。

同时不同材料对超声波的吸收也不同，这些都是会导致测试误差的，在以后的开发中还有改良的余地。

第六章总结与展望

6.1设计总结

此次研究通过对盲人群体的数量，盲人群体的需求等方面的研究，分析了市面上现存的导盲解决方案的不足，并通过研究国内外导盲解决方案的研究发展历史与现状，确定了采用超声波技术实现导盲仪的功能。

在准备阶段，深度学习理解了超声波的相关知识以及超声波测距的相关原理，选择了较为方便可靠的超声波测距方法，并据此挑选了适合本次设计的超声波测距模块。

为了给本次设计添加更多人性化的功能，本人从盲人群体的基本需求出发，决定为该本次设计添加了语音日历/时间，语音报据等功能，在综合考虑到成本和可靠性之后，选则了相对廉价的DS1302时钟芯片和YF017语音芯片。

为了设计调试的方便以及日常使用维护的方便，本设计又添加了LCD1602模块，以便正常人帮助盲人校准时间和测试导盲仪工作是否正常。

在选择主控芯片时，处于对成本以及技术力的考量，采用了比较通用且价格低廉的STC89C52作为本次实验的主控MCU。

因其技术成熟所以开发相对简单，成本也很低廉。

设计主要研究内容：

（1）了解盲人群体需求及导盲仪发展现状；

（2）选定超声波测距为本次设计主要内容，了解超声波测距的相关知识。

（3）综合考量选定各功能模块的使用的芯片；

（4）选定主控MCU，并学习STC89C52RC单片机芯片资料，完成主控芯片与各功能模块的硬件连接电路；

（5）在了解各芯片的基础上，完成软件的编写；

（6）对实物进行布局并焊接完成品；

（7）对成品各功能模块进行测试，确保最终成品的功能完整。

6.2展望

经过数月的研究，本次设计的导盲仪各功能模块都能正常运作，达到了本次设计的要求。

但本次设计仍然拥有几个值得改进的地方，首先本次设计的最终仍由手工焊接完成，在体积稳定性方面相较画PCB仍有较大差距；其次本次设计的超声波导盲仪还有很多没有考虑到的场景，可以通过考虑更多的场景来优化代码增强导盲仪的泛用性；最后，本次设计的导盲仪电源部分只是简单的用3节7号干电池组成，在环保方面还未考虑周全，在以后的研究中可以采用可充电锂电池来实现，既节省使用成本也节能环保。

盲人群体的需求多种多样，只有不断改进系统完善功能才能真正帮助盲人群体更好的生活。

参考文献

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