基于单片机的盲人避障装置的设计优秀硕士论文.docx

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基于单片机的盲人避障装置的设计优秀硕士论文

摘要

针对盲人行走过程中无法了解到前方是否存在障碍物的问题，本文设计了一种新型的基于单片机控制的盲人避障装置，且该装置带有语音和振动提醒功能。

本方案通过超声波发送接收来检测前方一段距离内是否有障碍物存在，若有则振动提醒模块发出提醒信息。

本文是在基于单片机控制的超声波测距原理的基础上，配以比较电路，来确定目标范围内障碍物的存在，相关部分附有硬件电路图、程序流程图。

此装置简单实用且便携，设计在很大程度上解决了盲人行走中的安全问题，具有实用意义。

关键词：

单片机；超声波

Abstract

Inviewoftheproblemthattheblindcannotunderstandwhetherthereareobstaclesinfrontduringwalking,anewobstacle-avoidancedevicewasdesigned,whichisbasedonsingle-chip.Inaddition,ithasthefunctionofvoice-remindingandshake-reminding.Itdetectswhetherthereexistobstacleswithinadistanceinfrontbymeansofultrasonic-sendingandultrasonic-receiving.Ifhaving,shake-remindingmodulewillissueinformationtoremindtheblind.Onthebasisoftheprincipleofultrasonicdistancemeasurement,thisdesignaddedthecomparisoncircuittoascertaintheexistenceofobstructioninthetargetrange.Inthepaper,relevanthardwarecircuitdiagramandprogramflowchartareintroducedindetail.Thisdeviceissimple,utilityandportable.Toalargeextent,itsolvedthesecurityproblemsduringtheblind＇swalking,whichisofpracticalsignificance.

Keywords:

single-chip;ultrasonic

第1章绪论

1.1研究背景

随着计算机技术的发展和在控制系统中的广泛应用，以及设备向小型化、智能化的发展，作为高新技术之一的单片机以其体积小，功能强，价格低，使用灵活等特点，显示出很强的生命力。

可以认为，单片机技术已经成为现代电子技术的十分重要的技术之一，可以使设计的电子产品更具智能化和先进性。

进入21世纪以来，开发推出单片机的公司很多，各种高性能单片机芯片市场也异常活跃，新技术的不断采用，更加使单片机的种类、性能以及应用领域不断扩大和提高。

所谓单片机（SingleChipMicrocomputer），是指一块芯片中集成有中央处理器（CPU），存储器（RAM和ROM），基本I/O接口以及定时器/计数器等部件，并具有独立指令系统的智能器件，即在一块芯片上实现一台微型计算机的基本功能。

如果是简单的控制对象，只需要利用单片机作为控制核心，不需要另加外部设备就能实现。

对于较复杂的系统，只需对单片机进行适当的扩展即可，十分方便。

归纳起来，单片机系统有以下的特点：

1）单片机独立的指令系统，可以将我们的设计思想充分体现出来；

2）系统配置以满足控制对象的需求为出发点，使得系统具有较高的性能价格比；

3）应用系统通常将程序驻留在片内（外）ROM中，抗干扰能力强，可靠性高，使用方便。

系统规模小，本身不具有开发能力，一般需要借助专用的开发工具进行系统的开发和调试，而实际的应用系统简单实用，成本低，效益好；

4）应用系统所用存储器芯片可选用EPROM，EEPROM，OTP芯片或利用掩膜形生产，便于批量开发和应用。

许多单片机（如80C51系列）的开发芯片和扩展芯片都配套，降低了系统成本；

5）系统小巧玲珑，控制功能强，体积小，便于嵌入被控设备之内，大大推动了产品的智能化。

如数控机床，机器人，智能仪器仪表，家用电器等都是典型的机电一体化设备和产品。

1.2研究主要内容和目的

世界卫生组织估计全世界有盲人4000万到4500万，低视力是盲人的3倍，约1.4亿人，其中75%即１亿多患者可以通过手术及屈光矫正得以恢复或提高视力，尚有25%的低视力患者需要低视力保健，如需配戴助视器及视觉康复仪等。

我国曾在上世纪80年代进行过视力残疾状况调查。

结果显示，我国有视力残疾患者近1300万，其中盲约550万，低视力约７750万。

14岁以下儿童盲及低视力的主要病因为先天性遗传性眼病，如先天性白内障、先天性小眼球小角膜、视网膜色素变性、白化病、视神经萎缩等。

60岁以上老年人盲或低视力的主要病因为白内障。

我国每年会出现新盲人大约45万，低视力135万，即约每分钟就会出现1个盲人，3个低视力患者。

如果不采取有力措施，到2020年我国视力残疾人数将为目前的4倍，即将达到5000余万。

世界盲人联盟（WORLDBLINDUNION）是一个国际性的非政府组织，成立于１９８４年，前身是国际盲人联合会和世界盲人福利会，现有会员国７２个（截至２００４年１０月）。

该会的宗旨是以使全世界的盲人以平等的机会和权利参与社会生活。

世界盲人联盟总部设在巴黎。

中国盲人聋哑人协会是该组织的创始组织之一。

世界盲人联盟在联合国各有关组织中具有咨询地位，自成立以来在防盲、促进各国制定保障盲人合法权益的法律和政策，加强盲人自立精神、开发盲人潜力和促进国际间交流与合作等方面起重要作用。

由于生理上的缺陷，盲人在生活、工作等方面有着诸多不便，其中，如何安全行走是盲人生活中最大的问题。

为此导盲机器人、无线电红外线、盲人电子眼镜、卫星导盲系统等现代化导盲手段正逐步走进盲人的生活，增强了盲人的行走能力，提高了盲人的生活质量而传统的盲人导航设施都有局限性，以往的设计中常使用红外线探测障碍物的存在与否，但是在实际应用中，红外干扰源较多；而且在有反射光的情况下，由于光线的干扰，很容易判断失误，出现虚警。

因此，有些设备在发射信号时，改进为发送一串连续的红外脉冲，然后接收反射的信号。

如果接收到的红外脉冲数量超过某一门限值时，就判断障碍存在。

这种方法尽管在一定程度上可以降低虚警率，但实验表明，在较强的反射光和使用电子镇流器方式的日光灯起辉时，仍很容易出现干扰现象。

为了避免使用红外线自动感知障碍设备时出现的接收设备本身主动发送信号的干扰问题,本文致力于设计一种简易便携装置，盲人在行走时把此装置戴在拐杖上，该装置能够实时探测前方一段距离内是否有障碍物存在，并由振动系统发出振动提醒，可以有效地避免盲人撞到障碍物而受伤的情况。

由于超声波具有方向性强、能量易于集在中、传播距离较远，以及对障碍物定位具有一定的精确性、体积相对较小、方便携带、价格低廉等特点本文采用超声波测距实现盲人导航器的设计，具有一定的实用价值。

第2章系统的总体设计

一、方案的选择

1）、方案一：

红外线测距原理构思

2.1.1红外传感器的测距原理

红外传感器可较好地探测近距离范围内的障碍物，红外传感器的测距原理是：

红外接收管接收到的反射光强随障碍物体的距离变化，距离近，则反射光强，距离远，则反射光弱，因此根据接收到的反射光的强弱可以大致判断障碍物的距离。

2.1.2红外传感器的避障原理

红外传感器一般由红外发射管、红外接收管、红外发射电路和红外接收处理电路组成。

红外传感器的避障工作原理是：

当遇到前方有障碍物的时候，红外发射管发射出去的红外光经障碍物反射之后被红外接收管接收，其输出会立即发生高低电平的转换，该信号经由放大电路放大之后被送入单片机，可由单片机系统分析处理后做出前方有障碍物的判断，从而对盲人的前进方向做出修正。

2）、方案二：

超声波测距原理构思

2.2.1超声波的特性

超声波在介质传播过程中，会发生衰减和散射。

由于受介质和杂质的阻碍或吸收，其强度会产生衰减。

尤其是超声波测距仪，对所接受的声波强度都有一定要求，所以都要对各种衰减进行抑制。

超声波声束能集中在特定的方向上，具有良好的指向性。

超声波可以在固体、液体和气体中以不同的速度进行传播，其速度受介质温度、压力等因素的影响，但在相同外部环境下，超声波在同一介质中的传播速度是一常数。

这是超声仪表进行测距的基础。

超声波在异种介质的界面上会产生反射、叠加等现象。

利用超声波在异质界面上发生的反射特性，获得从界面反射回来的反射波，通过内部的电路处理从而达到探测距离的目的。

2.2.2超声波障碍检测

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20KHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。

它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。

利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，结合不同的电路，可以制成超声波仪器及装置，在通讯、医疗及家电中获得广泛应用。

作为超声波传感器的材料，主要为压电晶体。

压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，故它分为发送器和接收器。

超声波传感器有透射型、反射型两种类型，常用于防盗报警器、接近开关、测距及材料探伤、测厚等。

2.2.3超声波测距工作原理

声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。

所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。

譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。

超声波是指振动频率大于20000Hz以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。

超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为v，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：

s=vt/2，这就是所谓的时间差测距法。

采用超声波测量大气中的地面距离，是近代电子技术发展才获得正式应用的技术，由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境（如含粉尘）具有一定的适应能力。

因此，用途极度广泛。

例如:

测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等，利用超声波测量地面距离的方法，是利用光电技术实现的，超声测距仪的优点是:

仪器造价比光波测距仪低，省力、操作方便。

由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有的得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。

经分析和大量实验表明，频率为40KHz左右的超声波在空气中传播效果最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。

限制系统的最大可测距离存在4个因素：

超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。

接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。

为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射／接收的设计方法。

温度（℃）

-30

-20

-10

0

10

20

30

100

声速（m／s）

313

319

325

323

338

344

349

386

表1-1超声波波速与温度的关系表

综上所述：

我认为超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波时，将电能转换成机械振动而产生发射超声波；在收到回波时，则将超声振动转换成电信号,超声波测距时，在控制电路的控制下，超声波发射探头向前发射10个超声波，当超声波在空气中遇到障碍物时，就会被反射回来，并通过超声波接收探头转换成电信号，由控制器判别回波信号。

超声波在空气中的传播速度为已知，来回穿越时间是相等的，只要测量出发射声波和接收声波的时间差，乘以传播速度，就能计算出发射点到障碍物的实际距离。

因此本设计采用超声波侧距离。

再配以比较电路，来确定目标范围内障碍物的存在，相关部分附有硬件电路图、程序流程图。

此装置简单实用且便携，设计在很大程度上解决了盲人行走中的安全问题，具有实用意义。

2.2.4基于单片机的盲人避障装置的总体设计

本设计以单片机为核心，利用超声波侧距离，再配以比较电路，来确定目标范围内障碍物的存在，系统框图如下图：

第3章主要器件选择及其简介

一、51单片机的简介

3.1.180C51单片机硬件结构

80C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。

如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。

它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。

但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。

（1）微处理器：

该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。

（2）数据存储器：

片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。

（3）程序存储器：

由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。

（4）中断系统：

具有5个中断源，2级中断优先权。

（5）定时器/计数器：

片内有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。

（6）串行口：

1个全双工的串行口，具有四种工作方式。

可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。

（7）P1口、P2口、P3口、P4口为4个并行8位I/O口。

（8）特殊功能寄存器:

共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。

实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。

由上可见，80C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。

5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。

充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。

3.1.2最小应用系统设计

80C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。

用80C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图3.180C51单片机最小系统所示。

由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。

其应用特点：

（1）有可供用户使用的大量I/O口线。

（2）内部存储器容量有限。

（3）应用系统开发具有特殊性。

图80C51单片机最小系统

1、时钟电路

80C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。

80C51单片机的时钟产生方法有两种。

内部时钟方式和外部时钟方式。

本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。

本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。

振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。

电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值，但在60pF到70pF时振荡器有较高的频率稳定性。

所以本设计中，振荡晶体选择6MHZ,电容选择65pF。

为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。

当使用单片机的内部时钟电路时，单片机的XATL1和XATL2用来接石英晶体和微调电容，如图所示，晶体一般可以选择3M~24M，电容选择30pF左右。

我们选择晶振为12MHz,电容33pF。

图3.2.3时钟电路

2、复位电路

复位电路的目的:

在需要的时候，单片机复位，保证正常的工作循环。

80C51的复位是由外部的复位电路来实现的。

复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2,斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

单片机在RESET端加一个大于20ms正脉冲即可实现复位，上电复位和按钮组合的复位电路如下：

在系统上电的瞬间，RST与电源电压同电位，随着电容的电压逐渐上升，RST电位下降，于是在RST形成一个正脉冲。

只要该脉冲足够宽就可以实现复位，即

ms。

一般取R

1

，C

22uF。

当人按下按钮S1时，使电容C1通过R1迅速放电，待S1弹起后，C再次充电，实现手动复位。

R1一般取200

。

图3.2.2复位电路

3.1.3超声波传感器原理与选型

超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。

电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。

压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。

小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25kHz及40-45kHz。

这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。

若对发送传感器内谐振频率为40kHz的压电陶瓷片（双晶振子）施加40kHz高频电压，则压电陶瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短，于是发送40kHz频率的超声波，其超声波以疏密形式传播（疏密程度可由控制电路调制），并传给波接收器。

接收器是利用压力传感器所采用的压电效应的原理，即在压电元件上施加压力，使压电元件发生应变，则产生一面为“+”极，另一面为“-”极的40kHz正弦电压。

因该高频电压幅值较小，还必须进行放大。

常用的超声波传感器有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40kHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。

本设计选用T/R-40-12超声波传感器。

3.1.4温度传感器原理与选型

本系统选用DS18B20温度传感器作为误差补偿装置。

DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的1—WIRE数字温度传感器，它可实现数字化输出和测试，并且有控制功能强、传输距离远、抗干扰能力强、微功耗等特点。

DS18B20的主要特性：

适应电压范围更宽，电压范围3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。

独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。

DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

温度范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃。

可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。

在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。

测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。

负压特性：

电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

第4章系统硬件设计

一、电源的设计

电源电路目的：

给控制电路及其它电路提供电源。

由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。

方案1：

采用12V蓄电池为系统供电。

蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。

但是蓄电池的体积过于庞大，在手杖上使用极为不方便。

因此我们放弃了此方案。

方案2：

采用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6V给直流电机供电，经过7805的电压变换后为单片机，传感器和舵机供电。

经过实验验证，当电池为直流电机供电时，单片机、传感器的工作电压不够，性能不稳定。

因此我们放弃了此方案。

方案3：

采用3节4.2V可充电式锂电池为直流电机供电，用2节锂电池经过7805的电压变换为单片机和传感器供电。

再用2节锂电池经另一套7805电压变换电路为舵机供电。

采用此种供电方式后，单片机和传感器工作稳定，舵机直流电机工作互不影响，且电池的体积较小，能够满足系统的要求。

二、超声波发射电路的设计

发射电路目的：

为超声波发射器提供它所需要的脉冲电信号依据电路需要，发射电路满足下列要求：

1、振荡电路振荡频率可调；

2、驱动能力较高；

3、I／O口控制。

压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波换能器内部有两

个压电晶片和一个换能板。

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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，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，这时它就成为超声波接收换能器。

超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

单片机采用Atmel公司的AT89S52，而超声波发射和接收电路有多种，常用的电路如下：

1超声波发射电路:

（1）分立元件构成的发射电路

图3.1.1分立元件构成的超声波发射电路

图3.1.1是由两只普通低频小功率三极管C9013构成的振荡、驱动电路，三极管T1、T2构成两级放大器，但是由于超声波发射头的正反馈作用，这个原本是放大器的电路变成了振荡器。

超声波发射器的压电晶片可等效于一个串联LC谐振电路，具有选频作用，因此该振荡器只能振荡在超声波发射头的固有谐振频率

。

第二个图中用电感L替代

这样可以增大激励电压，使其具有较大的功率输出。

（2）由集成电路构成的发射电路

图3.1.2为由555集成芯片构成的振荡、调制、激励电路。

该电路应使用双极型555（内部电路由普通三极管构成），不宜使用单极型7555（内部电路由CMOS电路构成，外部引脚与555相同），其原因是7555带负载能力小。

图3.1.2555构成的超声波发射电路

图3.1.3是由非门构成的一个振荡器发送电路，用非门构成的电路简单，调试容易。

很容易通过软件控制。

图中把两个非门的输出接到一起的目的是为了提高其吸入电流，电路驱动能力提高。

发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器