基于超声波测距的导盲仪设计概述.docx

基于超声波测距的导盲仪设计概述.docx

《基于超声波测距的导盲仪设计概述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于超声波测距的导盲仪设计概述.docx（75页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于超声波测距的导盲仪设计概述

本科毕业设计（论文）

基于超声波测距的导盲仪设计

2014年6月

本科毕业设计（论文）

基于超声波测距的导盲仪设计

学院：

专业：

学生姓名：

指导教师：

答辩日期：

摘要

盲人由于先天或后天的生理缺陷丧失了视觉功能，因而在日常生活和安全行走方面受到了很大的制约。

所以，为了协助盲人安全行进，提高他们的生活能力与人身安全，世界各国一直在进行着电子导盲系统的研制。

在此背景下，本文设计了一种基于超声波测距的导盲系统。

大体上可分为两部分进行设计：

测距系统与电源管理系统。

测距系统通过超声波的发送和接收来检测盲人周围各个方向上一段距离内的障碍物信息，并将其转化为声音信号，使盲人从中获知其周围的情况。

本文是在基于STC89C52单片机控制的超声波测距原理的基础上，来确定目标范围内障碍物的存在，同时利用US-100超声波模块自带的温度补偿功能来提高系统的精确度。

本设计采用的是US-100的串口触发模式，在软件设计中主要包括：

串行口初始化函数、超声波发射函数、写字符函数、数码管扫描函数、数码管显示函数。

电子导盲仪作为一种便携式电子设备，电源的地位在其研究中占有十分重要的位置。

电源管理系统会对电源电压进行实时监控，为系统提供稳定的电源以及根据电量的状态作出相应的反应，这是导盲仪整个系统稳定可靠的重要一环。

关键词　单片机；超声波；US-100；温度补偿；电源管理系统；

Abstract

Duetocongenitaloracquiredphysicaldefects,theblindlosetheirabilityofvisualability,andtheirlifeindailyandthesafetyoftravelisrestrictedseriously.So,inordertohelptheblindwalksafely,improvetheirqualityoflifeandsafety,thewholeworldhasbeencommittedtotheresearchoftheelectronicguidesystem.Inthisbackground,thispaperdesignsaguidesystembasedontheultrasonicranging.Thissystemcanbedividedintotwoparts:

thedistancemeasurementsystemandthepowermanagementsystem.

Distancemeasurementsystemdetectsinformationalldirectionsofanobstructionwithinadistancearoundtheblindbysendingandreceivingofultrasonic,andconvertsitintosoundsignal,makestheblindmantolearnfromitssurroundings.Thisarticleisonthebasisofprincipleofultrasonicdistancemeasurementbasedonsinglechipmicrocomputer（STC89C52）control,todeterminethepresenceofobstaclesinthescopeofthetargets,atthesamet-imeuseUS-100ultrasonicmodulewithtemperaturecompensationfunctiontoimprovetheaccuracyofthesystem.Thisdesignusesthemodeoftriggeringbytheserialport.thedesigninsoftwaremainlyincludes:

serialportinitializationfunction,ultrasoniclaunchfunction,writingcharactersfunction,digitaltubescanningfunction,digitaltubedisplayfunction.

Electronicguideinstrumentasakindofportableelectronicdevices,thestatusofmobilepowersupplyoccupiesveryimportantpositionintheresearch.Powermanagementsystemprovidesreal-timemonitoringonthepowersupplyvoltage,providesastablepowersupplyforthesystem,andmakecorrespondingreactionaccordingtothestateofthepower,thisisanimportantpartofthestableandreliableofthewholesystem.

Keywords　single-chip;ultrasonic;US-100;Temperaturecompensation;Powermanagementsystem

2.1超声波的特性……………………………………………….................5

5.4本章小结………………………………………………………...........36

结论………………………………………………………………………..........37

附录2中期报告……………………………………………………………….45

附录3英文文献翻译……………………………………………….................51

附录4英文文献原文…………………………………………….....................61

第1章绪论

1.1课题背景及意义

视觉能力是我们沟通外部世界、获得认知和信息的主要来源，可以说是人类感觉功能中最重要的一项功能。

然而双目失明的盲人由于各种各样先天的生理缺陷和后天的伤害丧失了这一能力，因而在日常生活和安全行走方面受到了很大的制约与限制。

我国是世界上盲人最多的国家，目前我国约有近2000万的盲人，这一数量正在以在每年约45万人的速度增长[1]。

随着科学技术和现代制造技术的快速发展，现代生活的节奏逐渐加快，普通的盲人拐杖已经无法满足现代生活里盲人的现实需要，导盲犬由于训练难度大，训练费用高也难以发挥高效的作用。

盲人事故的屡屡发生，也对电子导盲辅具提出了更高的、更迫切的要求[2]。

为了协助失明群体可以安全行走，提高他们的生活能力，确保他们的人身安全，世界上许多国家一直在进行着电子导盲装置的设计和研发。

例如，盲人电子导盲眼镜；盲人语音协助系统；红外线无线电导盲系统等[3]。

导盲仪的存在将会极大地扩展盲人朋友的生活范围，丰富他们的日常生活，同时，也能减轻社会以及家庭的负担。

所以电子导盲仪的开发和应用会带来巨大的社会效益。

导盲仪各种各样，基于的工作原理也各不相同，基于超声波测距的导盲仪是其中一种。

超声波由于其种种的传播特性和优势，在工业和社会生活的各个领域中获得了广泛的应用。

近些年来，超声波测距已普遍应用在机器人避障系统[4]：

移动机器人的超声波避障系统、智能机器人管家和智能电动车自动避障系统；车载系统[5]：

自动泊车系统、自动刹车系统和雷达倒车引导系统；工业制造；航海航空；石油化工、液位测量等中[6]。

此外，超声波在医学、材料学以及生命学等领域中也占有重要的地位。

利用超声波实现距离的测量无论是在硬件还是软件编程上都是十分方便且易于实现的。

基于超声波测距原理的导盲装置会比其他导盲设备体积更轻便，反应更快捷，测量更精确，更加方便携带。

所以本课主要是完成超声波测距的软硬件的设计与研究。

1.2课题的国内外研究现状

随着现代社会对自动化、智能化设备的要求越来越高，越来越迫切，科研领域对于超声波在精确的距离测量方面的需求也越来越大。

近十几年来，关于超声波技术的研究方兴未艾。

国内外的科学研究工作者在超声波的回波处理方法，超声波测距精度的研究以及超声波在工业和社会生活中的应用等方面进行了大量的理论研究分析以及产品的研发。

在超声波理论研究方面：

国内方面有，赵海鸣[7]等人提出了通过两个比较器结合的软件来确定回波前沿的测量方法，借此以提高超声波的测量精度，这一方法使得超声波在空气中的近距离测量的精度达到了厘米级；厦门大学的童峰等人提出了一种基于回拨轮廓分析圈法的回拨处理方法[8]，该方法在距离测量中通过两次探测取回波轮廓包络曲线来求取回波的起点，这种方法也大大提高了超声波的测距精度。

国外方面有，FigneroaJ.F.,LamancuseJ.S.提出了一种新的回波计时方法，回波时延由峰值时延和相位时延相加而得的方法，各自用不同的检测手段得到峰值时延和相位时延，相加后即得回波的传播时间[9]。

也有文献提出通过数字信号处理技术和小波变换理论来提高测量精度。

在超声波的应用方面：

超声波测距由于它的原理简单易懂、易于实现以及成本低等优势，在动态测距和避障、液面液位测量、曲面仿形检测等领域都有着广泛的使用。

国内，雷建龙[10]等人基于超声波测距原理，研发出一款针对液位测量的便携式装置；田志宏[11]等人基于超声波测距原理，设计出一款电动轮椅，它能够自动智能躲避障碍物；王洪青[12]等人设计出一种应用于移动机器人的并行超声波测距系统；彭翠云[13]等以8051单片机为主控单元，设计了一种用于泊车倒车雷达引导的超声波测距模块。

国外，R.Kuc.[14]开发出了三维的仿声呐系统，该系统能够利用超声波自动的寻找设定的目标物体；R.X.Gao和C.Li[15]研制了一种专门为失明人群服务的超声波测距系统；意大利的CaruUo等人研究出了一种自动适应系统。

超声波测距作为不接触式检测手段的典型方法之一，以它的低廉价格，可靠的信号处理特点，不易受天气及其他声波干扰的影响等优势，广泛应用于社会生活的方方面面。

超声波凭借它的种种优势，必将在现代社会生活中拥有广阔的市场前景，发挥越来越大的作用。

1.3课题研究的主要内容

本课题设计采用的是超声波在导盲测距系统中的应用，利用现代检测手段，获取盲人周围的环境信息，并将它转化为声音警示信号，使盲人从中获知其身边的障碍情况，能够及时的避开周边存在的危险，确保自身安全。

由于一个超声波探测头的探测范围不会大于15°，所以为了探测范围的全面性和有效性，导盲测距系统内部会安置多个超声波传感器，测量各个方向上一定距离内的障碍物信息。

本系统由单片机作主控单元、温度采集补偿模块、超声波发射模块、超声波接收模块、蜂鸣器报警模块、电源管理系统模块组成。

本设计会在测距系统里外加LED数码管用以显示测得的距离值，以便于测试现象的观察与系统的调试。

本课题研究的主要内容就是实现超声波测距系统的硬件与软件的设计与调试，并对导盲仪的电源管理系统的一般结构进行设计。

本设计大体可以分为两个设计部分进行：

测距系统和电源管理系统。

本设计的测距系统是在基于AT89C52单片机控制的超声波往返时间测度法测距原理的基础上，来实现对目标距离内障碍物的存在情况进行确定，同时利用US-100超声波测距模块自带的温度补偿功能来提高系统的精确度。

US-100超声波测距模块具有两种工作模式：

电平触发模式、串口触发模式。

本设计采用的是US-100的串口触发模式，在软件程序设计中主要包括：

串行口初始化函数、超声波发射函数、写字符函数、数码管扫描函数、数码管显示函数。

测距系统工作时，只需要控制单片机驱动US-100超声波测距模块发出8个40KHZ的超声波脉冲，然后便等待接收回波信号。

当接收到回波信号后，模块便会自动进行温度值的测量，然后根据当前测得的温度值对测距结果进行校正，校正结果将通过RX管脚经串行口送至单片机内，然后由单片机控制数码管显示和蜂鸣器的状态。

进行移动电源的选择并设计电源管理系统，主要是对能表征电源工作状态的电压、电流等工作参数进行实时的监测，并对可能出现的突发情况进行预测和响应，为整个导盲系统提供一个稳定可靠的工作保障。

本设计会对电源管理系统的一般结构进行讨论与研究。

其一般结构包括：

电池组，电压传感器，电源管理部分（由单片机并配合相应的电池监测芯片来完成），DC/DC电源变换，充电电路，整流滤波、稳压部分等。

1.4论文结构

第一章介绍了课题的背景、意义，课题的国内外发展趋势，以及本文的主要研究内容。

第二章介绍的主要是超声波测距的相关原理。

主要是关于超声波原理的知识，包括超声波的传播特性、温度特性、以及超声波的测距原理等。

第三章介绍的是测距系统的硬件部分，有STC89C52单片机、US-100超声波测距模块的一些功能以及工作原理。

第四章介绍的是测距系统的软件设计及其仿真。

软件设计主要是软件指令的编写，以及各个功能函数的介绍。

此外还会对测距系统进行仿真并对可能引起误差的原因进行分析。

第五章是电源管理系统的一般设计。

本章会在电池的选择、电池组工作模式的切换以及电源管理系统的一般结构等方面进行分析。

第2章超声波测距原理

2.1超声波的特性

超声波是指频率超过人类听觉能力可以达到的最高频率值20KHZ的声波或着振动。

超声波由于其高频、方向性好、易于获得较集中的能量等特性而被广泛应用于工业和生活的各个领域，例如：

距离和速度的测量、精密仪器的清洗、杀菌消毒等方面。

2.1.1超声波的产生、发射与接收

超声波一般可以通过电气方式或机械方式产生，能够实现这种转换的设备叫做电声换能器[16]，也称这种电声换能器为超声波发生器。

电气转换方式包括压电型、电动型等；机械转换方式有加尔统笛、气流旋笛等。

由于各种不同的产生方式产生的超声波它们的频率、幅值以及声波特性等都大不相同，因而由不同方式产生的超声波的用途也各不相同。

目前最常用的是压电型超声波发生器，也即本设计采用的超声波发生器类型。

压电型超声波发生器是利用压电材料的压电效应原理制作而成的。

压电效应有两种：

逆压电效应、顺压电效应。

超声波发送器利用的是逆压电效应的工作原理。

压电逆效应是对压电材料施加交变的电场后引起的压电材料机械变形现象。

不同的压电材料具有不同的机械变形特性，例如，常见的压电陶瓷就不存在体积上的变形，但它具有良好的厚度变形和长度变形形式的压电效应，如图2-1所示。

若在图a所示的已经发生极化的压电材料上加以如图b所示的极性的电压，此时材料表面的正电荷与材料内部的极化正电荷相互排斥，同时，外部的负电荷与晶体内部极化的负电荷相互排斥。

在这种斥力的作用下，压电材料厚度缩短，长度伸长。

相反，若在外部施加极性相反的电压，如图c所示那样，压电陶瓷则会厚度增加，而长度缩短。

超声波接收器是利用正压电效应原理工作的。

正压电效应是当压电材料

受到一定方向的外力压力时,内部会产生电极化现象,同时会在材料本身两个表面上产生电性相反的电荷；当外力撤去后，压电材料又会恢复到静息状

态；当外力的方向改变时，产生的极化电荷的极性也会随之转变。

图2-1压电陶瓷压电逆效应图

压电式超声波传感器实际上是利用压电材料的谐振现象来工作的。

超声波传感器内部构造由两个压电晶片和一个工作振子组成。

当在传感器外部的两端施加电压脉冲信号，且电压脉冲信号的频率恰好等于压电晶片固有的振荡频率时，此时的压电晶片就会产生共振，同时带动工作振子振动，便产生了超声波。

反之，如果两电极间没有施加外电压，当共振板接收到回波时，将迫使压电材料振动，将机械能转换为电信号，这时它就变成超声波接收器。

2.1.2超声波的传播性质

超声波能够在气体、液体、熔固体以及固体等介质中有效地传播。

（1）同其他声波一样，超声波在不同的介质中传播时会发生反射、折射、衍射以及透射、干涉等现象。

利用超声波进行距离的测量正是利用了超声波的这些传播特性。

超声波由于其频率高，方向性好，在介质中衰减小，碰到障碍物（杂质或界面）会有显著的反射，因而经常被用于距离的测量。

（2）超声波可以实现很强的能量传递。

（3）超声波会发生叠加和共振现象。

（4）超声波在液体中传播时会在液体表面产生强烈的冲击现象。

2.1.3超声波的温度性质

超声波在空气中的传播速度跟其他声波一样受到温度与湿度的影响。

尤其是环境温度会对超声波的传播速度产生很大的影响，湿度的影响相对来说小一点。

表2-1指出了温度和声速的关系[17]。

在实际应用中，如果某一设计要求很高的测距精度时，需要对超声波的传播速度通过温度补偿的方式加以修正。

表2-1声速与温度的关系

温度（℃）

－30

－20

－10

0

10

20

30

100

声速（m/s）

313

319

325

323

338

344

349

386

2.2超声波的测距原理

超声波测距的方法有很多种，主要的有声波幅值检测法、相位检测法和渡越时间法（往返时间测度法）三种。

本设计使用的是渡越时间法[18]，首先由超声波的发送器向某一方向发送超声波，在发送的同时由单片机控制的定时器开始计时。

超声波在传播过程中，碰到障碍物发生反射产生回波，回波立即返回，当超声波接收器接收到回波时单片机立即停止计时。

超声波在空气中的的传播速度v，根据定时器记录的时间△t，就可以算出发射点距离障碍物的距离s。

（2-1）

此外，超声波在空气中的传播速度不但与温度有关，而且也与空气的相对湿度有关。

在标准状态下，干燥空气中的声速为v0=331.5m/s。

在室温为t℃时，干燥空气中的声速为：

（2-2）

由于空气实际上并不是完全干燥的，总会含有一些水蒸气，经过对空气摩尔质量和比热容的修正，在温度为t℃，相对湿度为r的空气中，声速为：

（2-3）

式中：

T0=273.15K；PS为t℃时空气的饱和蒸汽压；P为大气压，取P=1.013×105Pa

。

由于湿度对声速的影响较小，在保证测试环境相对干燥的情况下，为了写程序的方便，可把方程式简化为：

（2-4）

2.3基于超声波测距的导盲仪的设计

本设计选取STC89C52作为核心处理器，利用超声波往返时间测度法原理进行测距，并利用单片机片上资源蜂鸣器进行声音报警。

导盲系统的原理框图如图2-2所示。

测距系统由作为主控单元的单片机、温度采集补偿模块、超声波发射模块、超声波接收模块、蜂鸣器报警模块、电源管理模块组成。

本设计外加LED数码管显示，以便于现象的观察与系统的调试。

本设计选取STC89C52作为核心处理器，以US-100超声波传感器（自带温度补偿）作为硬件辅助，和LED数码管、蜂鸣器等一起完成整个设计。

系统工作时，只需控制单片机驱动US-100超声波测距模块在串口工作模式下发出8个40KHZ的脉冲信号，然后等待检测回波信号。

当检测到回波信号后，模块还会自动进行温度的测量，US-100模块会根据当前温度对测距结果进行修正，校正结果会通过Echo/RX管脚输出。

由单片机计算得出的距离值用LED数码管进行显示，便于现象的观察，当测得的距离低于0.5米时，触发蜂鸣器报警。

图2-2导盲系统的整体原理框图

2.4本章小结

本章介绍的主要是超声波的一些原理性内容，包括超声波的传播特性、超声波的温度特性以及利用电气方式产生超声波的原理。

此外，本章还介绍了超声波的发射和接收原理以及超声波的测距原理，在超声波测距的3种方法中本文选用的是渡越时间法。

最后，本章还对导盲系统的一般结构进行了设计，主要包括：

单片机控制系统、超声波发射接收模块、温度采集补偿模块、LED数码管显示模块、蜂鸣器报警模块以及电源管理系统。

第3章测距系统硬件部分

测距系统由作为主控单元的单片机、温度采集补偿模块、超声波发射模块、超声波接收模块、蜂鸣器报警模块以及LED数码管显示模块构成。

测距系统选用单片机STC89C52作为主控单元，选用的超声波传感器为自带温度补偿功能的US-100，它集成了超声波发射和接收模块以及温度补偿模块。

单片机和超声波传感器的选型主要是利用既有的实验室资源，在符合功能要求的条件下选择的。

3.1单片机系统及外围硬件电路

本小节主要介绍单片机系统资源以及在测距系统设计中用到的外围硬件电路：

数码管显示电路、蜂鸣器报警电路。

3.1.1STC89C52单片机介绍

⑴STC89C52具有以下标准功能：

●8K字节Flash;

●32位输入输出口线；；

●512字节的随机存储器；

●内置看门狗定时电路；

●内置4K的电可擦可编程只读存储器；

●一个7向量4级中断结构，4个外部中断，；

●3个16位的定时器/计数器；

●全双工串行口；

●复位电路

⑵STC89C52的重要工作参数：

●有6机器/时钟周期和12机器/时钟周期这两种时钟可以选择，指令代码可以完全兼容传统的51单片机；

●通用输入输出口线（32个），复位后32个I/O口线是准双向口，P0口是漏极开路输出，P0口作总线扩展时，不用加上拉电阻，作为输入输

出口时，需加上拉电阻；

●工作电压：

3.3V~5.5V（5V单片机）/2.0V~3.8V（3V单片机）；

●工作频率：

40~0MHz，相当于普通51的80~0MHz，其实际工作频率可达48MHz；

●4个外部中断，可由下降沿触发或低电平触发，掉电模式下可以通过外部中断在低电平触发方式下触发；

●工作温度范围：

-40~+85℃（工业级）/75~0℃（商业级）；

⑶STC89C52的管脚（如图3-1所示）分配：

●2根电源引脚

GND（Pin20）：

接地线

VCC（Pin40）：

接电源输入，+5V电源

●4根控制引脚 

RST/VPP（Pin9）：

复位引脚，2个机器周期及以上的高电平有效

PSEN（Pin29）：

外部程序存储器读选通端 

ALE/PROG（Pin30）：

地址锁存允许端

EA/VPP（Pin31）：

程序存储器的内外部选通引脚。

低电平时从外部存储器读取指令，接高电平从内部存储器读指令

●2根外接晶振引脚

XTAL1（Pin19）：

单片机内的振荡电路输入端

XTAL2（Pin20）：

单片机内的振荡电路输出端 

●32根可编程的I/O引脚 STC89C52有4组可编程的输入输出口，分别是P0、P1、P2、P3口，每个口有8位，共32根引脚。

P0口（Pin32～Pin39）：

P0.0～P0.7，8位双向I/O口线，

P1口（Pin8～Pin1）：

P1.7～P1.0 ，8位准双向I/O口线，

P2口（Pin28～Pin21）：

P2.7～P2.0，8位准双向I/O口线，

P3口（Pin17～Pin10）：

P3.7～P3.0，8位准双向I/O口线，

图3-1STC89C52引脚图

3.1.2STC89C52的最小系统及周边电