本科生毕业论文（设计）
题目: 超声波电子导盲手杖的设计
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指导教师: 职称:
20 年月日
XX大学教务处制
目录
摘要 (1)
关键词 (1)
Abstract (1)
Key words (1)
1 绪论 (1)
1.1 研究背景与意义 (1)
1.2 国内外已经研制成功的超声波导盲装置 (2)
1.2.1 电子导盲仪（ETA） (2)
1.2.2 移动式机器人 (3)
1.2.3 穿戴式导盲仪 (4)
1.2.4 引导式手杖 (4)
2 超声波导盲系统的工作原理 (4)
2.1 超声 (4)
2.1.1 超声概述 (4)
2.2 超声波传感器 (5)
2.2.1 传感器的种类及特点 (5)
2.2.2 超声波传感器的选取 (6)
2.3 超声波测距的应用 (6)
2.4 超声波测距的发展概况 (7)
2.5 超声检测的原理和方法 (7)
2.6 超声波测距的基本原理 (8)
2.7 测量精度的问题 (9)
2.7.1 影响测量精度的因素 (9)
2.8 提高测量精度的措施 (10)
3 超声波导盲手杖系统的设计 (11)
3.1 总体实现的功能 (11)
3.1.1 障碍物检测 (11)
3.1.2 超声测距 (11)
3.1.3 实时显示检测结果 (11)
3.2 系统总体设计 (11)
3.3 系统总体分析 (12)
3.3.1 CPU的选型 (12)
3.3.2 超声波发射电路 (13)
3.3.3 超声波接收电路 (13)
3.3.4 告警模块设计 (15)
3.4 超声波导盲手杖的软件设计 (16)
3.4.1 系统软件设计原理 (16)
3.4.2 系统软件设计框图 (17)
3.4.3 单片机的C程序设计 (17)
致谢 (25)
参考文献 (26)
附录 (26)
超声波电子导盲手杖的设计
农业电气化与自动化专业学生
指导教师
摘要：中国是世界上盲人数量最多的国家。盲人生活在黑暗的世界中，给工作、生活、社交活动带来了莫大的困难。如何安全行走，是盲人生活中最大的问题。为了解决这一问题，本文模仿蝙蝠的超声应用能力和原理，在研究现有的电子式超声波导盲系统的基础上，应用回声定位原理，通过发送超声波，然后获得并分析障碍物的回波信息，研制了一套超声波导盲系统。本系统采用A T89S52单片机作为控制器, 利用超声测距的原理, 设计了一种超声波导盲装置，该装置可以对盲人前面道路上的障碍物进行距离探测并把障碍物距离信息转换成声音或震动提示, 盲人可以根据提示声音或震动，达到导盲作用。该系统具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小等特点。
关键词：超声波；单片机；导盲系统
The design of Ultrasonic electronic Blind stick
Student majoring in agriculture electrification and automation
Tutor
Abstract: China is a country that owns the largest number of blind people in the world. The blind live in darkness world, It has brought great difficulties to work, living and social activities.How to walk safely is the biggest problem for the blind in the life. To solve this problem, this article imitate the bat's ultrasonic applications Capability and principles.In the study of existing e-ultrasonic Guide systematic basis,Apply echolocation Principle,By sending ultrasonic,Obtain and analyze the obstacles and then return information, developed a system of ultrasonic guide. The system uses A T89S52 microcontroller as the controller, using ultrasonic distance measurement principle, design an ultrasonic guiding equipment. The device can detect the distance of obstacles on the road that is in front of the blind. Than turn the distance information of the obstacle into sound or vibrating alert, According to sound or vibration, Blind may achieve guide effect. The system has some characteristics, For example the hardware structure is simple, the work is reliable, measurement error is small and so on.
Key words: Ultrasonic; MCU; guidance system for the blind
1 绪论
1.1 研究背景与意义
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，其中盲人约就有550万。从全国防盲技术指导组办公室得到的数据也显示，我国有500万盲人，占世界盲人总数的1/5[1]。随着人民生活水平的不断进步，让生活变得越来越简单方便成为了人民普遍追求的生活理念。盲人既是我们普通人民中的一员，又是一个特殊群体，他们由于先天的生理缺陷在日常生活中比我们常人会遇到更多的不方便，不能准确及时的发现并躲避障碍物就是一个重要的弊端。虽然在现实生活
中大多数的盲人都是借由普通的拐杖来辅助行走的，但这种拐杖只是一根普通的长杆，存在着太多的不足，比如不能探测上方悬挂的障碍物，不能识别稍远一点的障碍物等等[2]。导盲犬虽然是引导盲人行进的不错选择，然而训练的不易、耗时及成本高昂也使得导盲犬的使用率并不高。如果有一种既轻巧，又便宜，同时又能及时的识别周围障碍物并发出报警信号的智能拐杖在盲人的手中将会为盲人的生活提供极大地方便。同时随着计算机技术、自动化技术及工业机器人的不断出现，测距与识别技术在工业中已经得到了普遍的发展，如何把这种非接触式检测与识别技术应用于民用领域也变得十分重要。蝙蝠擅长在黑夜中飞行，在漆黑的环境里仍能够准确的判断物体的方位及距离，并能有效的避开树、建筑物等障碍物，以极快的速度精确地飞翔，蝙蝠的这种功能是通过回声定位来实现的。所谓回声定位，就是某些动物能通过口腔或鼻腔把从喉部产生的超声波发射出去，利用折回的声音来定向。比如蝙蝠，它通过喉部发出频率大约100KHz的超声波脉冲，当遇到食物或障碍物时，脉冲波会反射回来，蝙蝠用两只耳朵接受物体的反射波，并据此确定该物体的位置，并可从两耳分别接受到回波间的差别，来辨别物体的远近、形状及性质，物体的大小则由回波中的波长区别出来。根据蝙蝠的这种仿生学原理，超声检测与识别技术得到了广泛的应用，特别是医用以及工业领域中，如医学超声检测，超声探伤等。超声波具有传播速度慢，指向性强，能级消耗缓慢，对色彩、光照度不敏感的特点，同时超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制的特点[3]。综合以上优点，如果采用超声检测的方法实现对障碍物的识别，同时将这一项技术应用于导盲产品中将有广阔的发展前景。
1.2 国内外已经研制成功的超声波导盲装置
为了提高盲人的生活质量，增加其行走能力，世界各国一直在进行着导盲系统的研制。有许多研究已经有了成功的案例，比如：超声波导盲系统、无线电导盲系统、卫星导盲、盲人电子眼镜、红外线导向灯系统等[4]。其中无线电、卫星导盲系统和红外线导向灯系统，要求改善周围的环境设施，患者借助于外来信息确定自身的方位，虽然反映的信息较多，但耗资庞大，信息量固定，发展更新迟缓，而且也很容易受到外来信息的干扰或者遭到人为的破坏；电子眼镜用光导和摄像原理将景物和周围物体成像转换成相应的听觉信号，虽然结构简单，信息质量固定，但是系统复杂、成本昂贵。超声波导盲系统实现成本低、使用方便、抗电磁干扰强、对光线不敏感、无电磁辐射，因此被广泛采用[5]。已经研制成功的超声波导盲系统大体可以分为四类：基于电子技术的导盲仪(Electronic travel aids，ETA)、移动式机器人(Mobile robot)、穿戴式导盲仪和导引式手杖。
1.2.1 电子导盲仪（ETA）
ETA的工作原理与雷达系统类似，由探头向一定方向上发送一连串的超声探测波，这些超声波在传送过程中遇到障碍物会被反射回来，被指定的传感器接收，从接收到的回波中可以得到障碍物的信息。最早使用超声的ETA产生于1965年，名字为Russell Pathsounder，它是将两个超声探头安放在好后挂在人的颈部，然后把它放置于位于胸部高度的板上。收到前方障碍物的信息后仪器就会产生声音报警，但这种仪器仅能产生三种滴答声，通过这种滴答声粗略地提示目标距离[6]。完成于1974年的Sonicguide，它的外型类似于一个眼镜框，一个具有55°声束角的广角超声发射器安放在镜架的中央，两个超声波接收器被分别安放在镜框的两侧。两个接收器获得的信号经过频移，分别传入左右耳。使用者根据传入两耳之间的声音强度差，可以判断出障碍物的方向（声音以立体声呈现，靠近物体的那只耳朵听见的声音大于另一只耳朵听见的）；障碍物的距离被编码成可听低频声音的频率（声调越高，距离越近）；物体的某些表面特征通过
声音的特征来体现（例如，不均匀分布的声音可能表示一棵树，均匀分布的声音可能代表一面墙）。结合使用者头部的运动，能清楚的获得障碍物的位置[6]。
Mowat Sensor完成于1977年。它可以相当于一支点字棒，主要是把收集到的超音波讯息，根据物件的距离来发出不同程度的震，使用者通过触觉获得的震感来获得周围障碍物的距离信息。感应的范围可分一米和四米，使用者可利用按钮随意选择Mowat Sensor的好处是可以帮助寻找到小物件如锁匙等，也可以探到半开的门。
韩国的Young-Jip Kim等人在2001年研发出的ETA，其探测组件分两部分：眼镜和手杖。眼镜框两侧安装有两个发送和接收超声波的超声探头，用于探测头部高度前方的物体；在有滚轮的手杖前端也安放两个超声发射接收探头，探测地面高度前方的物体。两组探头获得的位置信息分别转化成可听的嗡鸣声送至立体声耳机，使用者借此判断周围环境。其中障碍物的方向信息转化为双耳间所听到得嗡鸣音的相位差和强度；障碍物的距离信息转化为嗡鸣声的频率，距离越远频率越低，距离越近频率越高；不同探测组件得到的嗡鸣声的音阶不同，从眼镜探测组件得到的音阶高，从手杖探测组件得到的音阶低。此款设计重量轻，体积小，便于携带，制造成本低，易于使用，并且低功耗，可使用电池供电[7]。
2002年，英国利兹大学的迪恩·沃特斯就和他的同事们根据超声定位原理，研制成功了一种被称为“Batcane”的超声波导航装置。和蝙蝠一样，这个轻便的小装置每秒钟能发射6万赫兹的超声波脉冲，这个频率的脉冲是人耳所无法听得到的声纳波，当它碰到障碍物时，反射回来的声波都能被这个装置接收并转换成人手能感知的轻微振动，通过安装在拐杖塑料手柄上的4个小衬垫传递给使用者，任何在其附近的物体都会引起其手杖塑料柄上的四块垫子中的一块发生震动。障碍物越近，振动的频率越快，利用这种声纳波，盲人能够发现其前方、周围，甚至在其上方的障碍物，从而帮助存在视力缺陷的人士避开台阶或低洼的地面。
综上可知，ETA的缺陷是工作时需要使用者不断进行扫描探测动作，而发现障碍物后，必须经过附加测量才能知道其尺寸，因此降低了行进的速度。但由于其结构比较简单，便于携带，而且成本相对低廉，因此得以推广。
1.2.2 移动式机器人
移动式机器人[8]目前广泛的应用在工厂自动化中，主要用于物件的搬运。由于安全与自动化的的要求，移动式机器人一般具有多种的感测器、强大的计算能力以及高度的智能化的障碍物躲避系统(obstacel avoidance systems,OAS)，OAS可以探测障碍物的位置，并制定出合理的行走计划，使得机器人在复杂的环境中可以进行自主的导航，例如：位置估测、路径规划、轨迹追踪、障碍物闪避等复杂的功能。因此基于移动式机器人技术的导盲仪，功能上较EAT有很大提高。例如Yamanashi University的HITOMI和HARUNOBU，以及NavChair与PAM-AID都是用于导盲的大型自走式机器人。
NavChair又名“辅助性轮椅导航系统”，也就是导航轮椅，是由密西根大学（Michigan university）机器人实验室研发成功的。它是将智能机器人技术应用于电动轮椅，是一种服务器机器人，可以进行自主导航并有效的避开障碍物。PAM-AID是一个“智能行走机”，通过Bayesian网络将用户的输入值与传感器推导出的高级信息结合起来对用户的当前导航目标进行环境相关估算。这种“智能行走机”可以帮助老弱盲人在室内安全行走。移动式机器人虽然比ETA功能更完善，更加的智能化，但是它的结构过于复杂，因此对于倾斜路面、上下楼梯或者需要跨越的障碍物的处理相当困难，在行动的范围与地形上也会受到限制；并且行走的路径是由移动机器人规定决策的，这导致盲人使用者的行进是被动式的被机器人引导；此外即时的自主式行走需要大量的复杂算法的支持，导致硬件及开发成本上都会付出相当高的代价[9]，因此并没有得到广泛的应用。
1.2.3 穿戴式导盲仪
NavBelt，顾名思义是一种具有导航功能的腰带，是由美国密执安大学移动机器人实验室的科技人员Borenstein与Koren共同发明的。NavBelt的概念形成于1989年，它的设计理念来自于移动式机器人与盲人两者在运动上的相似性。移动式机器人与盲人同样具有执行运动、行进的能力，但却同样需要一个探测系统来探测行进路上的障碍物并加以躲避，因此直接将移动式机器人的障碍物躲避系统穿载在盲人的身上，盲人作为半被动的接受障碍物躲避系统命令的运动工具，并且具有比移动式机器人更灵活的行动能力。该装置由安放8个超声探头的腰带、置于背包的小型计算机和立体声耳机组成。超声探头收发一体，声束角为150°，采用误差消除快速超声激发理论（Error Eliminating Rapid Ultrasonic Firing，EERUF），可以消除重叠干扰，均匀排列的8个探头可以探测到120°范围的物体。OAS运用矢量场直方图技术（VectoField Histogram,VFH）将超声探头获得的信息加以处理，通过立体声耳机，采用立体声图像技术，指引使用者行走。NavBelt因为是穿载在盲人的身上的，因此无法像导盲犬一样提供给盲人心理上的安全感和依赖感。
1.2.4 引导式手杖
较为新颖的导盲机器设计是在拐杖的末梢接上一组载有许多传感器、小型控制计算机而下方装有导轮的移动式平台，也就是将原本移动式机器人的动力系统移除，保留智能感测的部分。这样的架构特点是：舍弃动力装置，可充分减少机器的体积重量及盲人的负担，大大提高机器的可移植性；系统复杂度减小之后，可以着重在感测系统与导航辅助技术的设计上；轮子拐杖（Wheel-cane）的机构设计相对于NavBelt，在心理层面上可以给予盲人较大的依赖感与安全感。因此导引式手杖的设计可以祢补目前拐杖、电子式行进辅具、移动式机器人及NavBelt的缺点。目前已存在的此类型机器主要是Borenstein的GuideCane。GuideCane的概念形成于1995年，它是美国密西根大学继NavBelt之后研发的，它的外形类似一种立式吸尘器或一台割草机，可看作为电子导盲犬。这种引导手杖由三部分构成：手柄、机架和车轮。在使用时，使用者握住手柄，推动GuideCan行进。通过手柄上的微型控制杆，设定行进目标方向。根据超声探头获得的信息，运用VFH技术，计算机产生周围环境的虚拟地图，通过伺服电机，控制转向轮的方向引导使用者行进。GuideCane与NavBelt相比是将原先有人背负的设备转至拐杖末端的移动式平台上，减少了机器的体积重量给使用者带来的负担，提高了可操作性[9]。GuideCane的缺点是体积还是过于庞大，不便于携带，而且成本较高，所以不便于推广。
2 超声波导盲系统的工作原理
2.1 超声
2.1.1 超声概述
声波按频率高低不同可分为四种[10]：频率在16KHz～20KHz之间的机械波，能为人耳所闻，称为声波；低于16KHz的机械波称为次声波；高于20KHz的机械波称为超声波；高于10MHz的机械波称为特超声波。
声波产生的条件是首先要有一个作机械振动的质点作波源，其次要有传播振动的弹性介质。此外，当振动传播时，振动的质点并不随波而移走，只是在自己的平衡位置附近振动而已，这与电磁波（交变电磁场以光速在空间的传播）是完全不相同，与光波也不同[11]。因此超声作为一种高于人的听觉范围的声波，与光波与电磁波不同，是一种弹
性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播；电磁波的传播速度为3×108m/s，而超声波的传播速度为340m/s，其速度相对电磁波是非常慢的，对于相同频率的情况下波长较短，因此可以提高测量的分辨率；超声波在相同的传播媒体里传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，作为纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的[12]。
在两种介质的交界面，声波会发生反射、折射、衍射、散射等现象。超声波也具有这些传播规律[13]，与可听声波的规律并没有本质上的区别。但超声波作为一种特殊的声波，同时又具有方向性好，加速快等特点，而且波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米，因此与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：
传播特性──超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。
功率特性──当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。
2.2 超声波传感器
2.2.1 传感器的种类及特点
一般的障碍识别都采用非接触式方式来测量被探测物体的空间位置的。非接触式识别测量的方法很多，所测得距离从纳米级到成千上万公里不等，原理也各不相同。对于导盲系统来说，探测的距离一般为几十厘米到几米之间，根据不同的探测原理，所用的传感器有以下两种[14]：
（1）红外和光电传感器
这类测距传感器是依靠红外线或是其它不可见光的直线传播特性。通过光敏元件来发射和接收信号，从而判断障碍物的存在与否。由于光线的传播速度极快，通常难以通过简单的装置估算其传播距离，因此在简单、低成本的应用中，这类传感器也是主要用于状态的判断（障碍物的有无、物料是否到位、液面是否过高等）而无法实现对距离的实时测量。
（2）超声波传感器
超声和可闻声在本质上是一致的，它们都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量的传播形式，都能在媒质中发生反射、折射、衍射、散射等传播规律，其不同点是超声频率高，波长短。由于声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功，而且在相同强度下声音的频率越高做功也越多，因此与一般的声波相比，超声波的功率要大得多。同时超声波的波长非常短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射特性也很差，在均匀介质中能够沿直线定向的传播[15]。超声的这些特特性被广泛的应用于超声波探伤、测距以及超声成像技术中。
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的用于产生和接收超声波的器件，它既能够把其他形式的能转化为所需频率的超声能又能够把超声能转化为其他形式的能。采用超声波传感器有以下几个方面的好处：
（1）测量方式原理简单，易于实现。
（2）测量的精度高
（3）超声波传感器有一定的覆盖性，可以用较少的传感器数量覆盖较大的测量范围。
2.2.2 超声波传感器的选取
超声换能器按照发射与接收是否同体可分为收发同体与收发分体式两种[16] [17]。其中收发一体式就是发送器和接受器为一体的传感器，即可发送超声波，又可接受超声波；收发分体式是发送器用作发送超声波，接受器用作接受超声波。为了操作的简便，本文超声波导盲系统选用的是TCF40-18TR1型传感器。这是一款压电陶瓷式收发同体超声波传感器。其中心频率为40KHz，发射声压在10V，0dB=0.02m/Pa的条件下≥95dB；接收灵敏度在40KHz中心频率，0dB=10V/pa的条件下≥-65dB；静电容量为1260pF~2340pF；探测距离为0.2~3m；-6dB下的指向角为60o。其发射声压方位特性图如图2-1所示[18]。
图2-1发射声压方位特性图
2.3 超声波测距的应用
利用超声波来实现定位是蝙蝠等生物作为防御和捕捉猎物的手段，生物体可以发射出人们不能听到的超声波（20KHz以上的声波），借助空气或其它介质传播。通过捕捉障碍物反射回来的时间间隔长短和反射回来的信号强弱来判断反射物的类型及距离的远近。
超声学是近年来发展十分迅速的一门技术，人们采用仿真技能，利用超声波，已应用在很多方面。超声技术可分为检测超声和功率超声，作为检测用的超声波显然属于检测超声的范畴。检测超声主要是利用超声的信息载体作用，即通过超声在媒质中的传播、吸收、散射、波形转换等，提取反映媒质本身特性或内部结构的信息，达到检测媒质性质、物体形状或几何尺寸、内部缺陷或结构的目的。利用超声对目标进行检测有其独特的优点：超声波在传播时，方向性强，能量易于集中，几乎沿直线传播；超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离；超声波对色彩、光照度不敏感，对外界光线和电磁干扰不敏感，可以用于黑暗、有烟雾或灰尘、电磁干扰强等恶劣的环境中；超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。正因为超声波有着这些独特的优点，在国民经济和国防中越来越被人们所重视。
目前，超声波已广泛应用在民用及国防工业中。例如，用超声波可以探测海洋潜艇的位置、鱼群以及确定海底暗礁等障碍物形状及位置；利用超声波传播的时间确定物体的长度以及超声波在固体里遇到障碍物的反射来确定物体内部损伤的位置，称之为无损探伤；利用超声波测距辅助机器人确定自身位置，从而准确避开障碍物，按照预先规划好的行进方向来完成预定任务。另外还有应用于矿井探测、液面探测、物位的测量、汽车报警等领域。
超声波测距主要是利用超声波在介质中传播时表现出来良好的性质进行距离测量的，与军事、大型工业领域广泛采用的微波雷达测距、激光测距等技术相比，这种检测技术难度相对较小，成本比较低廉，不易受环境的限制，应用起来比较方便、迅速、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能够达到工业实用的要求，因此超声
波测距技术得以广泛的推广和应用。
2.4 超声波测距的发展概况
超声波测距虽然被大量应用于各种工业领域，但他在低信噪比下测距精度较低，多个超声波测距条件下会产生相互影响，另外测距的盲区较大，这些固有的特点也限制其进一步广泛应用。
在目前使用的超声测距技术中，应用最多的是Pellam 和Galt于1946年提出的脉冲回波检测法，其原理是通过超声传感器发射超声波，并接收从被测目标反射回来的回波信号，确定超声脉冲从发射到接收的时间，然后再根据超声波传播的速度，计算出超声波传感器与被测物体之间的距离。
为了提高超声波位移检测的精度，国外在这方面做了大量的研究，国内的一些学者也做了相关的研究。
厦门大学的童峰研究了一种回波轮廓分析法。提出在超声测距系统中，测距误差也即声脉冲传输时间的测量误差，实际上是对测距脉冲回波前沿的检测误差。根据声波的发射，反射及传输理论推出了测距回波包络曲线的近似方程，并用实验验证了这个方程，据此提出了一种高精度超声波测距的信号处理方法，通过这样处理后超声波的传输时间的精度得到了很大提高。
中国科学院上海声学实验室的王润田提出，超声波频率高，衰减系数大，传播的距离短，因此用来测距的超声波频率不能太高；但另一方面频率低，波长就长，测距的误差就增大，实际上测量精度与测距范围是矛盾的。为了在一个较远距离的范围内提高测距的精度，王润田提出，在测距时同时发射两个频率的超声波，频率较高的进行近距离的测量，频率较低的进行远距离的测量，这样就实现了在较远范围内提高测距精度。
东南大学无线电工程系研究了窄带超声传感器对测距精度的影响，采用了基于横向滤波器的解卷积的处理方法使接收信号的带宽得到了扩展，并利用最小均方误差算法构造了解卷积滤波器。实验结果表明，这种处理方法有效提高了系统的测距精度。
意大利的Carullo等人提出了一种自适应系统，采用特殊的发射波形使获得的回波包络比较理想，同时估测环境对噪声的影响，设置一定的回波阈值电平，且采用自动增益的控制放大器，通过这些措施来提高超声波的测量精度。
日本三菱电气公司的Tomonori等人采用两种的发射频率来发射超声波，通过比较两种回波的相位来决定回波的起点，也提高了传播时间的精度，从而提高了超声波的测距精度。
另外也有大量的文献资料介绍了采用小波变换理论来提高传输时间的精度和数字
信号处理技术，这些处理方法对于提到测距精度都有较好的效果。
2.5 超声检测的原理和方法
超声检测与超声测距所用的方法类似。超声测距的方法有相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。其中相位检测法精度高，但是监测范围有限，声波幅值检测法易受反射波的影响，采用最多的是往返时间检测法。往返时间检测法的基本原理在声速已知的情况下通过测量发送信号与接收信号之间的时间差来计算障碍物的距离，原理图如图2-4所示。具体的说就是当40KHz的电压脉冲信号由导线输入传感器后，由压电陶瓷晶片将此电信号转换成机械振动，这种机械振动通过空气向外发送出去，发送出的超声信号向空中各方向沿直线传播，遇到障碍物反射回来。传感器在接收到反射回来的回波信号后再次将机械振动转变为电压信号的波动。此时得到的电压脉冲信号非常的微弱，经过后极的放大电路等的处理后被采集处理。
图2-2超声波测距原理图
2.6 超声波测距的基本原理
距是一种非接触式的检测技术。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、灰尘、烟雾、电磁干扰，恶劣环境下有一定的适应能力。而且超声波测距系统具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。因此超声波作为非接触测量手段，越来越引起人们的重视。
超声波传感器发出超声波，在介质中传播遇到障碍物反射后再通过介质返回到接收探头，测出超声波从发射到接收所需的时间，然后根据介质中的声速，就能算得从探头到障碍物的距离。根据所用探头的工作方式，可分为自发自收单探头方式和一发一收双探头方式。
单探头方式就是探头发出的超声波在介质中传播，遇到障碍物反射后返回至同一探头而被接收。如图2-3所示，探头到障碍物的距离为S ，测距表达式为： ct 21S =
（2-1）
式中：S 为所测障碍物的距离，c 为超声波在介质中的传播速度，t 为超声波从发送到接收所经过的时间。从上式可看出，只要已知声速c ，就可以靠准确测量时间t 的方法来精确测量距离S 。
图2-3 单探头测距原理图
双探头方式是一个探头只负责发射超声波，另一个探头只负责接受反射回来的超声波。如图2-2所示，H 为两个探头之间的距离，声速从探头至障碍物的路径为D ，而探头至障碍物的距离为S ，则：
ct D
21= （2-2） 2221
H D S -= （2-3）
式中：D 为声速从探头至障碍物的路径，c 为超声波在介质中的传播速度，t 为超声波从发送到接收所经过的时间，S 为探头至障碍物的距离，H 为两个探头之间的距离。
图2-4双探头反射式测距示意图
在应用中一般发射探头与接收探头之间的距离很近，当探头与障碍物的距离较远时，D 与2S 相差很小，可以忽略不计，即所求的D 就为所测探头与障碍物之间的距离。
一般来说，单探头自发自收的工作方式是优先考虑采用的方式，这是因为：第一，单探头方式中计算距离的公式比较简单，而双探头方式的计算公式中都须进行一些修正；第二，探头多了，占地就多，所用的接插件和电缆等附件的数量都增多，出现故障的可能性也相应增大。从经济、安装和维修等各个角度来看，都较不利。
2.7 测量精度的问题
2.7.1 影响测量精度的因素 在测距公式12S ct =中，声波在介质中的传播速度c 是一个受多种因素影响的变量，声时t 是由计时电路测量得到的，并随着被测距离的改变而变化的，对式(2.1)两边微分得到 1()2
dS cdt tdc =+ （2-4） 式(2-4)说明，超声波测距系统的测量精度是由声时和声速两个参数决定的。
1．声时的影响修正
在影响声时精度的诸多因素中，计时电路的计时频率和超声波的发射频率有是两个重要因素。
(1) 计时电路的计时频率
取c 为常数，则（2-4）为： 12dL cdt =
(2-5) 假设计时频率为f ，则(2-4)为 2c
dL f = (2-6)
(2-6)表明：计时电路的计时频率越大，测试精度越高。
(2) 超声波频率
超声波传感器收到回波信号后转换为电信号输出，电信号（接收信号）的幅值随时间的变化规律如图3-2所示。如果将触发计时电路的阀值设为A 点所在的水平电信号，那么，计时电路的计时时间比接收信号的开始时间滞后了2个周期，在测量距离时将产生1个波长的误差，即：
L cT ?= （2-7）
式中：T 为超声波的周期，L ?为测量距离内将产生的误差
图2-5 接收信号示意图
所以，超声波频率越大，周期就越小，传感器的测量精度越高。并且超声波频率高，绕射能力弱，扩散角小，波束细，则盲区比较小。但在选用超声波换能器时，还应考虑到超声波换能器的频率越大，传播过程中的衰减系数越大，将影响它的有效测试距离。本系统属于近距离测量，因此选用频率较高的125KHz 超声波。
式(2-1)明：超声波测距系统在测量距离时，必须知道超声波在介质中的传播速度，才能根据计时值中求出所测物体的距离。超声波的传播速度是一个变量，受多种因素影响，即使在传播介质确定的情况下，介质温度、压力、风力等因素的改变，也将影响超声波的传播速度。所以，在超声波测距系统的实际应用中，很难得到一个稳定不变的超声波速度，因此必须对超声波的速度进行实时校正。对于在大气中传播的声波而言，引起声速变化的主要原因是温度的变化。
(1) 温度传感器校正
如果传播介质比较稳定，而且温度是影响传播速度的最主要因素，那么就可以采用温度传感器对超声波速度进行实时校正。
校正方法：通过试验确定在传播介质中超声波速度与温度之间的关系曲线，按照一定的温度间隔得到一个温度与速度的关系表格，最后将温度与速度的关系表存入超声波测距系统的软件系统。在实时测距时，系统通过温度传感器获得介质的实时温度，然后从速度与温度关系表格中取出对应速度，（如下表2.5所示数据）从而清除温度对超声波的影响，则求出实际测试距离。
表2.5 超声波的传播速度与温度关系
针对上述测量精度的影响因素，采取如下措施可以提高超声波测距传感器的测量精度。
1. 提高计时电路的计时频率
如果选择1 MHz 脉冲频率，则计时频率周期可达到1T s μ=，如果334/c m s =，则测试精度为：63341100.167l cT mm -?==??=。可见，如果提高计时电路的计时频率，则精度会提高。
2. 提高超声波换能器的固有频率
如果超声波的固有频率为40 KHz ，并假设接收信号滞后两个周期，则式(2.7)得测试误差为：13348.3540000l cT mm ?==?=。如果超声波的固有频率为125KHz ，则测试误差将缩小3.125倍。
3. 超声波的传播速度与温度关系
根据当时的温度情况，对照超声波的传播速度与温度关系，采用适合的声速来进行
计算。
3 超声波导盲手杖系统的设计
3.1 总体实现的功能
3.1.1 障碍物检测
这是本系统要实现的一个最主要的功能，目的是能够对盲人周围的建筑、凸起、沟壑等障碍物进行自动判断和定位。同时对回波信号运用一定的数字信号处理技术进行分析以便反映出障碍物的性质。
3.1.2 超声测距
该部分是利用超声波在空气中传播时遇到障碍物返回的特点来实现测量距离的目的。根据超声波从发射到接收到回波的时间以及此时的声速就可以计算出障碍物的距离。由于超声在空气中传播有衰减，加上环境以及电路本身的噪声干扰，测量距离有一定的上限，超过上限距离的障碍物的回波将无法检测到；同时由于发射超声波对接收超探头的影响，测量距离存在下限，低于下限距离的障碍物回波将无法与干扰信号区别开。系统测量的就是介于上限与下限距离范围的障碍物信息。
3.1.3 实时显示检测结果
当检测到障碍物时，系统会发出告警信号。
3.2 系统总体设计
该系统由单片机、超声波发射接收电路、液晶显示电路及语音模块等组成，控制核心为单片机。单片机在接收到传感器的信息后，将传感器的信号转换为距离信息，通过语音播报或振动提示。系统工作原理方框示意图如图3-1所示。
图3-1系统工作原理方框示意图
整个系统包括以下几个模块：
（1）CPU模块
（2）超声发射模块
该模块包括产生超声激励脉冲的发射电路和超声探头，由单片机控制产生激励脉冲激励探头发射超声波。
（3）回波信号接收模块
该模块由前置比例放大电路、程控放大电路和滤波电路四部分构成。回波信号经超声波传感器接收后转换成电信号，再经放大和滤波使信号的幅度和信噪比达到一定程度，满
足信号处理的要求。
（4）电源模块
该模块为整个系统供电。
（5）显示模块
该模块主要用来闹钟的设定。
3.3 系统总体分析
3.3.1 CPU的选型
单片机在控制领域中，具有很多优点，它体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，它能方便的组成各种智能化的控制设备；面向控制，能针对性的解决从简单到复杂的各种控制任务，而能获得最佳的性能价格比；它抗干扰能力强，适用范围宽，在各种恶劣的环境下都因能可靠的工作，这是其它类型计算机无法比拟的；此外，可以方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高，所以我们可以利用单片机与超声波技术的的结合来实现测距。基于单片机的超声波测距系统易实现，成本低，精确度高，并且容易做到实时控制，具备较强的实用性。
本系统中，单片机模块由AT89S52单片机及其外围电路组成，是整个超声波测距仪的核心电路。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash 存储器，具有8K在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
图3-2引脚结构图
(1)时钟电路
在本系统中的时钟电路我们才用外部时钟，如图3-3所示：
图 3-3 晶振电路
(2) 复位电路
复位电路的目：在需要的时候，单片机复位，保证正常的工作循环，如图3-4所示。
图3-4 复位电路
3.3.2 超声波发射电路
发射电路部分主要包括超声波信号产生、超声传感器功率驱动。
超声波的发射频率主要是由C8051F040单片机产生。
功率驱动电路功能是用来对超声波换能器进行功率驱动，经过驱动放大达到足够功率之后，推动超声波换能器产生超声波。
图3-5 超声波传感器驱动电路原理图
3.3.3 超声波接收电路
超声波会随着传播距离的增加而衰减，经过目标反射回来的超声波的回波信号弱，在距离较远的情况下只达毫伏级，甚至微伏。因此为了加大超声波测距系统的量程范围，需加以驱动电路。根据电路需求，接收电路的功能是将接收到的微弱信号放大并进行滤波整形。
接收电路部分主要包括限幅保护电路、带通滤波电路、比较放大电路三部分电路构成。
1 限幅保护电路
因为此探测系统驱动电压较高，为了防止放大器过载，限制高电平振幅，同时也可以消除寄生调幅干扰，因此有必要对回波信号先进行限幅保护。本系统采用一对稳压二极管IN4148构成双向限幅保护电路。
图3-6 限幅保护电路
2 带通滤波电路
超声波回波信号非常弱，一般为几个毫伏，并且会接收到干扰信号，因此信号滤波电路是回波接收的关键电路。本文采用单个集成运放构成二阶有源带通滤波电路，由运算放大器LM837和RC 阻容网络构成的，如图所示，其输出与输入同相。当R1=R3=R4=R ，R2=2R ，C1=C2=C 时，滤波器的谐振频率为：
RC f π210= (3-1) 品质因数为：
R
R Q f -=21
(3-2) 谐振增益为：
f f
u R R R R A -+=2 (3-3)
图3-7 带通滤波电路
在本系统中发射频率为125khz ，品质因数Q 值越大，频带越窄，选频特性越好，但是Q 值取得过大，会使输入信号严重衰减，综合考虑后取Q =4，则可先选定电容C =80pF ，由以上三式得：R1=R3=R4=16ΩK ， R2=32ΩK ， f R =28ΩK ，谐振增益u A =11。 3 回波放大电路
采用集成运算放大器构成的放大电路具有放大倍数高，输入电阻高，输出电阻低的特点，是一种直接耦合式放大电路。这种电路比较简单，放大倍数容易调整。
图3-8 接收电路原理图
本系统设计时选择了各项性能优越的LM387作为放大器，能充分满足放大的要求，可双电源供电，本系统考虑到电源的问题，采用单电源供电，因此设计了电压跟随器提供4V的基准电压，可以有效防止干扰。由于回波信号非常弱，一般为毫伏级，因此由LM387构成了三级放大电路，每一级放大10倍，共放大1000倍左右，完全能够满足要求，并且三级放大可选，可以根据测距的远近选择合适的放大倍数。
3.3.4 告警模块设计
考虑到产品的使用人群为盲人，因此采用的是振动或语音告警形式。
ISD1420语音录放电路
（1）ISD1420芯片特点：
①使用方便的单片 8 至 20 秒语音录放
②高质量、自然的语音还原技术
③边沿/电平触发放音
④自动节电，维持电流 0.5uA
⑤不耗电信息保存 100 年(典型值)
⑥100,000 次录音周期（典型值）
⑦多段信息处理，可分 1 至 80/160 段
⑧片内免调整时钟，可选用外部时钟
⑨无需开发系统
⑩5V 单电源工作
（2）语音电路图
3.4 超声波导盲手杖的软件设计
在系统硬件构架了超声测距的基本功能之后，系统软件所实现的功能主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应用。
3.4.1 系统软件设计原理
1.单片机C语言
C语言是一种结构化的程序设计语言，它的特点就是可以尽量减少你对硬件进行操作，具有很强的结构性、功能性和可移植性，常常被用来作为单片机系统的编程语言。但是用于单片机的C语言和标准C语言区别很大。如何结合单片机的系统资源，用C语言开发符合实际工程需要的单片机系统，对编程者来说具有十分重要的意义。
用C编写程序比汇编更符合人们的思考习惯，开发者可以摆脱与硬件无必要的接触，更专心的考虑功能和算法而不是考虑一些细节问题，这样就减少了开发和调试的时间。C语言具有良好的程序结构，适用于模块化程序设计，因此采用C语言设计单片机应用系统程序时，首先要尽可能地采用结构化的程序设计方法，将功能模块化，由不同的模块完成不同的功能，这样可使整个应用系统程序结构清晰，易于调试和维护。不同的功能模块，分别指定相应的入口参数和出口参数，对于一些要重复调用的程序一般把其编成函数，这样可以减少程序代码的长度，又便于整个程序的管理，还可增强可读性和移植性。
应用C语言的优越性：
(1)不懂得单片机的指令集，也能够编写完美的单片机程序；
(2)无须懂得单片机的具体硬件，也能够编出符合硬件实际的专业水平的程序；
(3)不同函数的数据实行覆盖，有效利用片上有限的RAM空间；
(4)程序具有坚固性: 数据被破坏是导致程序运行异常的重要因素。C语言对数据进行了许多专业性的处理，避免了运行中间非异步的破坏；
(5)C语言提供复杂的数据类型 (数组、结构、联合、枚举、指针等)，极大地增强了程序处理能力和灵活性；
(6)中断服务程序的现场保护和恢复，中断向量表的填写，是直接与单片机相关的，都由C编译器代办；
(7)提供常用的标准函数库，以供用户直接使用；
(8)头文件中定义宏、说明复杂数据类型和函数原型，有利于程序的移植和支持单片机的系列化产品的开发；
(9)有严格的句法检查，错误很少，可容易地在高级语言的水平上很快被排除。
3.4.2 系统软件设计框图
软件流程图
3.4.3 单片机的C程序设计
1 编译环境
使用C 语言肯定要使用到C 编译器，以便把写好的C 程序编译为机器码，这样单片机才能执行编写好的程序。KEIL uVISION3 是众多单片机应用开发软件中优秀的软件之一，它支持众多不同公司的MCS51 架构的芯片，它集编辑，编译，仿真等于一体，同时还支持，PLM，汇编和C 语言的程序设计，它的界面和常用的微软VC++的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。因此很多开发51 应用的工程师或普通的单片机爱好者，都对它十分喜欢。
2 C程序
利用KEIL uVISION3软件编写的程序如下：
#include
#include
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
//lcd1602
sbit RS = P2^4; //Pin4
sbit RW = P2^5; //Pin5
sbit E = P2^6; //Pin6
Design of ultrasonic wave guide device Abstract：This article recommends a device of ultrasonic wave guide which is designed to adopt AT89C51 single-chip microprocessor computer as controller and apply the principle of ultrasonic distance measuring. The device can detect the distance between the blind and an obstruction in the road ahead and convert the message to a sound reminder .According to frequency variation of the reminding sound，it will enable the blind to judge whether there is an obstruction and the distance from the obstruction then accomplish the purpose of guiding the blind. Key words：Ultrasonic wave ；Single-chip microprocessor ；Guiding the blind 摘要：采用AT89C51单片机作为控制器，运用超声测距原理，设计了一种超声波导盲装置。该装置可以对盲人前面道路上障碍物进行距离探测并把障碍物距离信息转换成声音提示，盲人可以依照提示声音频率变化来判断有无障碍物及离障碍物距离，达到导盲作用。 核心词：超声波；单片机；导盲 1 引言 盲人在独自行走时重要依托导盲装置。最简朴惯用装置是普通手杖，用它在地面上敲击，可协助盲人发现0.5米以内障碍物。它重要缺陷是不能发现较远一点障碍物以及空中突出障碍物。例如，在相称于头部、胸位置悬挂或突出物体。此外，盲人还可以运用导盲犬带路，但是不易训练且成本较高。为了更好协助盲人行走，许多国家都研究和生产了各种
摘要 世界上视觉障碍者数量众多，他们只能用60％的感觉来获取信息。盲人生活在黑暗的世界中，给工作、生活、社交活动带来了莫大的困难。如何安全行走，是盲人生活中最大的问题。为了解决这一问题，本文模仿蝙蝠的超声应用能力和原理，在研究现有的电子式超声波导盲系统的基础上，应用回声定位原理，通过发送超声波，然后获得并分析障碍物的回波信息，研制了一套超声波导盲系统(导盲杖)。超声波导盲杖是为视觉障碍者提供环境导引的辅助工具。它通过超声波传感器对周围环境进行探测，将探测的信息反馈给视觉障碍者，帮助他们视觉信息的缺失。因而设计一款实用的导盲杖来帮助视觉障碍者是十分重要的。 本设计在分析了导盲辅助工具特点的基础上，确定了超声波导盲杖的总体设计方案，重点阐述了系统的硬件设计和软件设计。系统采用AT89S51作为主控制器，利用超声测距的原理, 设计了一种超声波导盲装置，可以对盲人前面道路上的障碍物进行距离探测并把障碍物距离信息转换成声音提示, 盲人可以根据提示声音，以达到辅助盲人安全行走的目的。 关键词：导盲系统，A T89S51，超声波
目录 摘要............................................................................................................. I 1 绪论 (1) 1.1研究背景及意义 (1) 1.2 导盲杖的整体设计思想 (2) 2 导盲杖的整体设计及原理 (4) 2.1超声波的概述 (4) 2.1.1超声波简介 (4) 2.1.2超声波的传播 (5) 2.2超声波传感器 (7) 2.2.1超声波传感器简介 (7) 2.2.2超声波测距的应用 (8) 2.3超声波测距原理及实现 (10) 2.4测量精度的影响 (11) 2.4.1声时的影响 (11) 2.4.2超声波频率影响 (12) 2.5提高测量精度的措施 (13) 3 导盲杖的硬件设计 (14) 3.1单片机系统 (14) 3.2超声波发射电路 (15) 3.3超声波接收电路 (17) 3.4语音模块电路 (18) 4 导盲杖的软件设计 (20) 4.1系统软件设计原理 (20) 4.2单片机C语言 (20) 4.3系统软件设计框图 (22) 5 系统调试与优化 (23) 6 总结 (24)
单位代码01 学号090102108 分类号TN21 密级 文献综述 智能光电导盲仪综述 院（系）名称信息工程学院 专业名称电子信息工程 学生姓名敖亚磊 指导教师董雪峰 2013年3月1日
智能光电导盲仪综述 摘要 据国家权威部门统计，中国是世界盲人最多的国家，约占世界盲人的18%，随着社会的发展，政府越来越关心残障人士。 残疾人是社会中主要的弱势群体，他们要面对更多的困难和压力。近些年来，社会和政府越来越关注弱势群体，给予盲人的关怀也越来越多。盲人在独自行走时主要依靠导盲装置。最简单常用的装置是普通的手杖，用它在地面上敲击，可帮助盲人发现0.5米以内的障碍物。它的主要缺点是不能发现较远一点的障碍物以及空中突出的障碍物。例如，在相当于头部、胸的位置悬挂或突出的物体。另外，盲人还可以利用导盲犬带路，但是不易训练且成本较高。为了更好的帮助盲人行走, 许多国家都研究和生产了各种电子导盲装置，但大多成本较高，如各类导盲机器人及其它电子装置。本文提出了一种用单片机开发的超声波导盲装置的设计方案，它具有低成本、实用和精确的特点。 关键词：智能光电，导盲仪，单片机，红外测距，超声波测距。
0 课题背景 随着改革开放的深入，医疗器械行业得到了突飞猛进的发展。而辅助器具技术正在我国悄然兴起。但总体来看，辅具高端产品主要被国外公司垄断，我国具有自主知识产权的产品较少。在残疾人辅助器具中，肢体残疾类品种及数量较多，但盲人辅助器具品种及数量较少。 光电信息技术的发展，有利地推动着光电检测、光电传感、物联网等领域的发展与进步。传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段，智能光电传感器是当今国际科技界研究的热点。传统的导盲手杖安全性不高，导盲犬数量少价格昂贵，普及率低。以光电技术为核心的导盲机器人、超声波、无线电、红外线、卫星等导盲系统、盲人电子眼镜等现代化导盲仪是盲人亟待用品。需要我们学电子专业的学生努力开发的应用装置。 1课题目的和意义 众所周知眼晴是“心灵之窗”，而对于盲人来说，不但在衣食住存在诸多不便，而且在外出时会遇到更大的困难。如何安全行走是盲人最大的问题。随着光电技术的不断发展，为新型、实用、智能的电子导盲产品的制作提供了更为新颖的设计方法。 盲人是一个特殊群体，关注盲人服务盲人是全社会的一项公益事业，盲人的生活也越来越受到关注。相对于传统的导盲手段，目前，导盲市场正从单一化向多元化方向发展。相对于导盲犬的昂贵和导盲杖的单一功能，高科技智能化的导盲仪是盲人最佳的选择。 目前，智能导盲仪并没有在中国形成市场，在中国市场上只有少数盲人通过进口购买新西兰凯式超声波智能导盲仪，该产品虽性能高但价格极其昂贵，约8000元人民币，不是盲人这个特殊群体可消费得起的产品。国内市场上也有一些相关产品，如盲杖，导盲犬等，这些产品对盲人的帮助并不很理想，导盲犬由于训练困难，价格昂贵，很难普及。 随着光电技术的迅猛发展，尤其是光探测技术以及光信息处理技术的完善，设计出高效，实用的光电导盲器已水到渠成。
毕业设计（论文）开题报告 1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写不少于1000字左右的文献综述： 本课题研究的是超声波盲人导航及语音提示系统的设计，当有视力障碍的人外出行走，手持本装置，通过前端超声波发送和接收模块对障碍物进行测距，由单片机处理数据，再由串行通信传送给语音芯片D/A转换后，由功放放大，通过扬声器或耳机发声。此外，超声所测距离也通过液晶显示出来，供视力正常者检测。 目前，国内外带语音提示的导盲器是由超声波探测器获取数据，经单片机处理后将数据发送给语音提醒器，然后驱动语音芯片提醒。但是这种导盲器是通过不同音量、音调、节奏的提示音或者是误差较大的分段式语音提示对盲人进行提醒，只能使盲人对障碍物的距离有个大概的判断，并且消耗了盲人的大量精力，容易造成错误判断。为了克服现有的语音提示导盲器不能提供障碍物精确距离的不足，本实用新型提供一种语音提示导盲器，该语音提示导盲器能够实时提供障碍物的精确距离。 中国是世界盲人最多的国家，目前约有500万盲人，占世界盲人总数的18%，低视力者600多万。盲人出行的问题是一个不可忽视的社会问题。目前，盲人的出行主要依靠盲道、手杖。而超声波盲人导航系统则能够更好地识别障碍物物以及其所在的距离。此系统的目的旨在提供一种方便盲人出行的导航系统，解决现有的盲人导航系统不够准确安全的为盲人导航的问题。 (1)历史发展： 盲人导航设备在历史上大致经历了以下几个过程：拐棍或手杖、盲道砖、导盲犬和电子导盲系统。导盲棍可以在盲人外出时起到安全警示作用，帮助盲人出行。而新式的导盲棍可以装上各类感应器，用来检测路面上有没有水、障碍物或者有没有坑，棍上还可以安装一个夜间发光的灯，它在白天可以自动接收太阳能进行充电。盲道砖以及盲人通道是现代化社会中常用的盲人帮助设施。是专门为盲人设计的地砖，防止盲人走错道路，摔倒时防止摔伤。盲道砖是按照国际残联的有关标准制造的,设计优良,具有灵敏的触觉感，耐强腐蚀，耐损耗性和长寿命等特征。这种高强塑料盲道砖的表面既美丽又光滑，适用于室内或室外装修。它凹凸的模型不仅可以使盲道更加安全，同时还美化环境作用。盲人道砖为盲人带来福音，同时也美化了城市道路。导盲犬是经过严格训练的犬，是工作犬的一种。它们习惯于颈圈、导盲牵引带和其他配件的约束，懂得很多口令，可以带领盲人安全地走路，当遇到障碍和需要拐弯时，会引导主人停下以免发生危险。电子导盲仪可以有效的帮助盲人进行通行等生活项目，其仪器分类主要有超声波导盲仪、移动式机器人导引式手杖，能大大减少以往导盲设备的不便以及昂贵的价格。 (2)现状评述：
一种智能导盲杖的设计 为了帮助盲人更好地独立行走与生活，在传统导盲杖的基础上，以单片机为控制核心，利用光感技术和三角形测距技术，改进设计出一款智能导盲杖。在传统导盲杖的基础上，对三个部分进行了改进，分别是手柄的设计、杖身的设计和越障轮的设计，以此来切实保障盲人出行的安全。在保留传统导盲杖基础功能的基础上，智能导盲杖可以更人性化地改善盲人的生活质量。 标签：导盲杖；单片机技术；红外探测器 Abstract：In order to help blind people walk and live independently，an intelligent blind guide rod is designed based on the traditional guide rod，using single chip microcomputer as the control core，using light sensing technology and triangle ranging technology. On the basis of the traditional guide rod，three parts are improved，namely，the design of the handle，the design of the staff body and the design of the obstacle wheel，so as to ensure the safety of the blind travel. On the basis of retaining the basic function of the traditional guide stick，the intelligent guide rod can improve the quality of life of the blind more humanized. Keywords：blind guide rod；single chip microcomputer technology；infrared detector 盲人作为社会中的特殊群体，需要这个社会更多的关怀和帮助[1]。目前我国有超过1400万的盲人，随着社会智能化的不断发展，仅仅是一根传统导盲杖已经远远不能满足盲人的出行需求了[2]。智能导盲杖利用智能手机与传统拐杖相结合的优势，可以使盲人的生活更便捷、出行更安全。 1 结构设计和控制方案 智能导盲杖在结构上包括手柄、杖身和越障轮三部分。越障轮上安装的红外线发射器对前方的道路状况进行检测，再通过控制系统处理，最后由语音模块输出语音信息来告诉盲人周围的路况。 1.1 手柄的设计 手柄上增加了控制面板，有多项功能：（1）控制面板里包含GPS定位系统。（2）控制面板里包含报警系统。（3）面板两侧增添了防滑橡胶。（4）面板前端安置了反光板。（5）面板上还有娱乐设置，能够进行音乐播放、收音机播放等功能。手柄的结构示意图如图1所示。 智能导盲杖在传统导盲杖的基础上增加了手柄上的控制结构，所述控制结构包含控制面板、GPS功能、防滑橡胶结构和反光板。增加了控制面板结构，能够让盲人在遇到危险情况时进行紧急呼叫，通过GPS功能实现与家人间的位置信
本实用新型涉及一种盲人或弱视者用于探测走向和障碍物并具自动导向作用的智能导盲杖，由红外收发器、拐杖体、控制电路、拐杖把和橡胶体等部件组合而成，柱形内空式拐杖体顶端横拐处制有拐杖把，底端固连制有软体式橡胶体，在拐杖体和拐杖把对接处制有便于握杖手按动的电源开关；拐杖体采用刚性材料制成内腔为空体式，内腔中安装有控制电路板、电源及红外发射与接受器件，按电学原理电连通，实现整体控制功能；在拐杖体下端的橡胶体上部与拐杖把拐向相对应方向制有上、下排列的红外接受器与发射器；本实用新型结构新颖，原理简单可靠，测控范围大，精度好，具有良好的推广实用前景。 简介：随着社会的发展，传统的导盲杖已经远远不能满足盲人的雏形需要了我们设计的这个导盲杖可以帮助盲人在无他人帮助的情况下感知周围环境并且能够自己行走，帮助盲人安全出行，有助于盲人回归社会。我们设计的智能导盲杖可以实现前方障碍物自动报警或手柄震动报警功能，语音指示方向功能，语音指示当前时间功能，夜间警示路人功能，家人可以GPS定位盲人功能。导盲杖使用方便，实用性强，是盲人出行的好助手。 详细介绍：这是一种智能的导盲杖，使用红外检测前方是否有障碍物，如果前方1.8米内有障碍物，则盲杖自动语音提示“前方危险，请慢行”；如果前方1.8米内没有障碍物，无提示音。导盲杖上有三个功能按钮，分别为指示当前方向功能、指示当前时间功能、启动手柄震动功能。当指示当前方向按钮按下时，语音播报当前方向，最高精度为1度，且精度可调，范围为360度任意方向。当指示当前时间按钮按下时，语音播报当前...(查看更多)的时间，精确到分，范围为24小时任意时间。当启动手柄震动按钮后，当前方1.8米内有障碍物时，手柄开始震动，这样在喧闹的环境下，盲人听不到语音报警时，可以感觉到手柄的震动报警，再次按下改键则关闭手柄震动功能。GPS功能，当盲人外出时，就可以开启导盲杖的GPS功能，这样家人就可以通过互联网确定盲人的位置了，以防盲人迷路走丢。夜间警示路人功能，在夜间时，或者灯光昏暗的环境时，盲杖上的指示灯自动亮，可以警示前方路人注意盲人的位置，注意避让盲人。 导盲杖的伸缩人性化设计，可以直接放在口袋中，解决了携带问题，伸缩设计可根据身高调整长度，以适应不同高度的需求，LED只能发光，方便夜间出行，防止与行人碰撞，同时照明也能方便他人的行走，提高出行的安全性，也体现社会的互相关爱。 该导盲杖重量也控制在300克左右，与传动导盲杖基本相当。
北京航空航天大学科技成果——基于连续帧的导盲 仪组合路径规划 项目简介 盲人由于先天或后天的生理原因而丧失了视觉，大部分盲人群体期望智能仪器能够帮助他们解决出行困难问题。近年来，国内外研制出的导盲仪种类繁多，如导盲机器人、智能手杖、穿戴式导盲设备等，其中穿戴式导盲设备凭借其更直观的感知方式、更方便的携带方式以及更好的用户体验已经成为现今导盲仪研究的主流方向。 在导盲仪的设计过程中，除了解决环境元素的探测与定位导航问题，对于如何在存在障碍物区域内找出一条安全快捷道路的研究也十分必要。现有的大多数导盲仪只具备单一的避障能力，不具备完整的路径规划功能，导盲仪的路径规划算法是当今导盲仪研发的重要技术发展方向。 路径规划问题的研究主要分为全局方法、局部方法以及组合方法三种。在实际应用中，导盲仪需要引导盲人沿着可行区域（盲道、无障碍道路等）行走一段较长距离、并到达目的地，故单独的全局方法和局部方法并不适用于导盲仪路径规划。组合路径规划结合了全局和局部方法的优点，能够在进行实时的局部规划的同时，到达全局目的地。然而，大多数组合路径规划算法直接将全局规划得到的粗略路径点作为局部规划的目标点，导致引导盲人的行走轨迹过于生硬，异于正常人行走规则，不符合人体工程学；另外，针对导盲仪的不同导盲需求，尚未有功能较为完整的导盲仪路径规划系统，故上述方法均并
不适用于导盲仪路径规划。为克服现有方法在未知环境下的导盲仪实时路径规划中不适用的缺陷，本成果提供一种基于连续帧的导盲仪组合路径规划。 技术描述 基于连续帧的导盲仪组合路径规划，用于导盲设备，为引导盲人在躲避障碍物的前提下、跟随盲道行走、并最终到达目的地提供必要基础，尤其适用于未知环境下的实时导盲任务。 在双目相机拍摄的每一帧通过对全局路径的预瞄跟踪来确定局部规划目标点，根据相机实时检测到的环境信息进行局部路径规划，输出行走方向误差角来诱导盲人行走，直到达到全局目标点。在局部路径规划中，首先对当前帧的环境信息进行栅格可视化，然后使用A*算法进行局部路径规划，最后采用二次加权的路径转换方法计算当前帧行走方向与局部规划路径的角度偏差，作为诱导盲人行走控制器的输入信息。 与现有技术相比的优点在于： 1、与现有的已知环境下的全局路径规划算法相比，能够根据盲人当前位置和行走状况做出实时的决策和控制，在诱导盲人趋于目的地行走的同时，能够安全、有效地避障，并且无冗余信息存储等问题，提高了导盲算法的适用性。 2、与现有的未知环境下的局部路径规划算法相比，在计算局部路径的过程中综合考虑多种环境信息，能够实现引导盲人在躲避障碍物的前提下、尽量跟随盲道、最终到达目的地的多目标导盲任务。
多功能安全帽导盲棒设计 机电工程学院06机自A1 王郁辰064810054 指导老师：史建成 摘要：盲人，就是眼睛患有疾病或受到意外伤害而导致双目失明或单目失明 的人...有先天盲人与后天盲人之分；盲人也有“看”的功能。对于先天性的盲 人，由于他根本就没有经历过任何对颜色的体验，所以对他来说没有任何颜色 的概念，也不存在“看到”，因为他也没有任何看的体验。至于他脑里视觉部 分（如果还有的话）的某种个人的体验（例如神经刺激），那和正常人的视觉 体验是不同的两回事，不能混为一谈。对他来说不存在“看到”颜色，甚至不 存在“看到”。对于后天性的盲人，那由于他有过对颜色的体验，当然有颜色 的概念。尽管他不能“看到”（指从通常的视觉途径得到视觉信息），但只要他 脑里视觉部分还正常，那某种刺激下他会有颜色的感觉。一般来说由于从通常 的视觉途径得不到视觉信息，有点类似没有接受到任何光线，那他的视感觉就有点象在黑暗里一样——“看到”（感觉到）黑色。但如果他脑里视觉部分（如果没损坏的话）受到某种刺激，使他有了视觉感，那他会有某种颜色感——“看到”（感觉到）颜色。全世界约有1.8亿盲人和弱视人，他们通过触觉、视觉或听觉等不同手段获取信息。 关键词：导航；按摩；警示车辆 一、引言 在生活中，我们往往会忽视一样我们的“心灵之窗”-----眼睛，我们每人都会忽视它而不会保护它，但当你体会了盲人的生活，你就会知道眼睛是多么的重要。很小在少年宫的文学课上，我体会了失去眼睛的盲人生活。一开始，老师先叫我们蒙上眼，去体会失去眼睛该怎么走路。我的同桌当我的引路人，在楼梯上来回的走。我“失去眼睛”时，走楼梯的时候，总是小心翼翼，（虽然有引路人）但总感觉前面有障碍物，怕自己会摔倒，走路时，总是要先摸索一下。 当我做引路人时，别人当“盲人”时，我总是提醒她，前面有什么，怕她摔倒了，责怪我。我发现，她也是跟我一样，很怕摔倒，总是先用手“打量”一下前方，有没有物体挡住了去路，是否安全。我们还体验了“盲人叠衣服”。当你闭上眼睛时，眼前就一片漆黑，拉拉链时，总不知道扣子对哪个，总是要先摸索一下，才能“对症下药”。当我睁开眼睛时，我又能看到这五彩缤纷的世界了，看到了老师看到了同学，我感到很高兴，但当我想起了失去眼睛的的盲人，我明白了人的“心灵之窗”------眼睛，是多么的重要啊，当代社会科技发展日新月异。作为新一代的青年，我们应该为这些盲人着想，帮他们设计一些辅助器械，
基于超声波测距的导盲仪设计毕业论文 目录 摘要…………………………………………………………………………....... ..I Abstract…………………………………………………………………....... .......II 第1章绪论 (1) 1.1课题背景及意 义 (1) 1.2课题的国外现 状 (2) 1.3课题研究的主要 容 (3) 1.4论文结 构 (4) 第2章超声波测距原理 (5) 2.1超声波的特 性 (5) 2.1.1 超声波的产生、发射和接
收 (5) 2.1.2 超声波的传播特 性 (6) 2.1.3 超声波的温度特 性 (6) 2.2超声波的测距原 理 (7) 2.3基于超声波测距的导盲仪的设 计 (8) 2.4本章小 结 (9) 第3章测距系统硬件部分 (10) 3.1单片机系统及外围硬件电 路 (10) 3.1.1 STC89C52单片机介 绍 (10) 3.1.2 STC89C52最小系统及外围电 路 (12) 3.1.3 数码管显示电 路 (15) 3.1.4 蜂鸣器报警电 路 (16) 3.2US-100超声波测距模 块 (16) 3.2.1 US-100模块介绍 (16) 3.2.2 US-100串口测距原理 (18)
3.2.3 US-100串口测温原理 (19) 3.3本章小结 (19) 第4章测距系统软件设计及仿真 (20) 4.1 软件程序的总体设计 (20) 4.2 主要模块的程序设计 (21) 4.2.1 串口初始化函数 (22) 4.2.2 超声波发射脉冲函数、写字符函数 (24) 4.2.3 数码管扫描函数 (25) 4.2.4 数码管显示函数 (25) 4.3 系统调试与仿真 (26) 4.4 测距结果与误差分析 (28) 4.5 本章小结 (30) 第5章电源以及电源管理系统 (31) 5.1 便携式设备可用的几种电源介绍 (31) 5.2 电源的选择及其工作模
第二届全国大学生光电设计竞赛竞赛细则 竞赛题目一：基于太阳能的光电导航搬运车 1.竞赛规则： 要求参赛队车辆从卸载区出发，经障碍区到装载区装载后将负载运输至卸载区，以在规定时间内赛车从装载区运送至卸载区的负载总重量计算竞赛得分。参赛队中运送重量最多的队获得竞赛分满分60分，其余队得分按其运送总重量比例递减。即，本队得分=60×本队运送重量/优胜队运送重量。 负载：磅秤用砝码，组委会统一提供足够数量的磅秤用砝码，种类配置为：0.5kg，1kg，2kg各若干。 比赛时间：每次比赛限时6分钟。比赛开始前及结束后赛车的任何部位均应在比赛区域之外。 要求采用光电技术设计赛车的避障导航系统，具体方法由各参赛队自定，并自带前进导航和避障系统到现场参加比赛。 0.2m+10%，可采用任意面积 赛车能源：必须全部来自太阳能，光伏电池面积不大于2 的聚光系统；不能采用蓄电池储能、稳压，比赛前须将电容和电感类放电完毕。 比赛采用淘汰制，具体分组由抽签决定。 赛场布置：重物装载区、卸载区、设置的障碍区及具体尺寸如图1所示。障碍物为标准的红白相间的交通路锥。竞赛场地为标准篮球场的水泥地。图中卸载区和装载区中间两米范围为操作范围。
图1 赛场示意图 注意事项： 1. 障碍物在比赛开始前由裁判在指定范围放置，比赛开始后任何参赛队员不得进入比赛场 地，队员只能在重物卸载区与重物装载区活动，进行重物的装载和卸载； 2. 跑出本赛道取消比赛资格。 3. 不能采用遥控方式。 4. 与小车脱离的导航装置可用外接电源。 5. 路线必须走8字，来回都必须穿越障碍物一次，回程不可重复来时路线（即不能走S 形） 可以走两个菱形代替8字。 6. 车辆抛锚，允许重新开始1次。抛锚前为运送到卸载区砝码不记为总重量？？不清楚 2. 评审指标和细则： 1) 理论评审指标： (1) 太阳能汽车如何高效利用太阳能； (2) 太阳能汽车如何实现准确光电导航； (3) 太阳能汽车如何实现载重能力和速度的最优设计。 2) 实物评审细则 (1) 展示分(满分10分) 主要考察：展板设计，导航装置的合理性和性价比，赛车各部分配置的合理性，电池板调整的方便灵巧性等。 (2) 竞赛成绩(满分60分) 按各参赛队的运送总量排序，运送最多的队得满分60分。其他队伍得分 60×= 第一名队伍运送总重量 本队运送总重量 所得分值 (3) 答辩评分(满分30分) 主要考察： l 整体评价(条理清楚、叙述完整、重点突出、时间把握合理) 5 l 对原理的叙述是否正确 3 l 创新性、光电知识的运用、设计特色、性价比、自制程度和工艺等 12 l 回答问题 10 3. 违规判罚 （1）没有按照规则要求正常行驶至终点者不计成绩。
新锐科技有限责任公司 1.1 公司创业主题2 光电智能导盲仪营销推广方案材料新锐科技有限责任公司是一个提议中的公司，进驻泉州（南安）光电信息产业基地。拥有“红外光电智能导盲仪”的研发技术。公司目前已在实验阶段研发出样机，并在进一步研发和改进，公司提倡科技服务于人的宗旨，为盲人提供一个安全的行走环境。新锐科技有限责任公司，拥有自主研发设计的光电智能导盲仪技术。公司以科技创新为理念，光电信息技术作为技术背景，主要从事光电智能电子、智能家居、物联网等领域应用产品的开发和推广，致力于为社会提供智能、便捷的电子产品。公司属于国家政策、福建“海西建设”鼓励的高新技术中小型企业，拟建于福建省泉州（南安）光电信息产业基地。dd 1.2 产品公司以光电智能导盲仪（康安宝）为公司的产品。光电智能导盲仪采用三个红外探头，可实时探测多方向障碍物的情况及语音避障提示。帮助盲人了解他们周围的环境，增加步行的安全，减少压力，增加信心。后期，公司将对产品进行更新换代，同时推出新产品。表1 康安宝的优势特点优点节能型采用光电半导体材料，耗能低智能型STC单片机C语言智能控制，实用型真人语音多方位报警提示高性价比一款盲人用得起的智能导盲仪环保型光电半导体材料，无污染 1.3 公司战略公司拟建在泉州（南安）.光电信息产业基地，计划4-5年内成为国内自主设计智能电子导盲辅具市场领域的领导者，同时在智能家居、物联网等应用领域开发产
品，建立市场，形成多元化经营公司。第 1 页共 5 页 公司注重短期目标与长期目标相结合，创业初期以光电智能导盲仪为产品导入市场，弥补盲人智能助行辅具市场的空缺；中期目标重点是改进原有产品，巩固已有市场，加大对智能家居、物联网等应用技术领域的研发力度，为公司未来发展作准备；后期公司将逐步开拓全国市场，实行多元化经营战略，拓展服务对象及范围，进军智能家居及物联网应用领域。公司拥有光电智能导盲仪生产技术，该技术生产成本低，公司拟采用渗透定价策略进入市场，康安宝导盲仪市场定价为500元/台,以低价格迅速占领市场，成为导盲仪器市场的领导者。 3.1 产业背景随着改革开放的深入，医疗器械行业得到了突飞猛进的发展。而辅助器具技术正在我国悄然兴起。但总体来看，辅具高端产品主要被国外公司垄断，我国具有自主知识产权的产品较少。在残疾人辅助器具中，肢体残疾类品种及数量较多，但盲人辅助器具品种及数量较少。光电信息技术的发展，有利地推动着光电检测、光电传感、物联网等领域的发展与进步。传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段，智能光电传感器是当今国际科技界研究的热点。传统的导盲手杖安全性不高，导盲犬数量少价格昂贵，普及率低。以光电
超声波导盲器的设计 1 引言 盲人在独自行走时主要依靠导盲装置。最简单常用的装置是普通的手杖，用它在地面上敲击，可帮助盲人发现0.5米以内的障碍物。它的主要缺点是不能发现较远一点的障碍物以及空中突出的障碍物。例如，在相当于头部、胸的位置悬挂或突出的物体。另外，盲人还可以利用导盲犬带路，但是不易训练且成本较高。为了更好的帮助盲人行走, 许多国家都研究和生产了各种电子导盲装置，但大多成本较高，如各类导盲机器人及其它电子装置。本文提出了一种用单片机开发的超声波导盲装置的设计方案，它具有低成本、实用和精确的特点。 2 导盲装置的功能设计及系统组成 导盲装置主要由超声波探头、单片机以及测控及处理电路、按键、蜂鸣器等组成，可以放在包中，或安装在帽子上、手杖中。导盲装置有三个按钮，分别是电源开关、远距、近距控制按钮，还有一个音量调节旋纽。该装置使用电池，电源开关可控制系统通、断电，不用的时候关掉电源，节省电能。使用时，超声波探头方向指向探测方向，当前方有障碍物时，在一定距离内喇叭会发出报警声并随着向障碍物的接近频率逐渐升高，起到提示作用。远距、近距、控制按钮可用来控制报警的距离，通电时初始报警距离为2米，按远距控制按钮可将初始报警距离设为5米，按近距控制按钮可将初始报警距离设为1米，报警声音音量可用音量调节旋纽调节，有耳机插孔，可以接耳机。 该装置是以AT89C51单片机作为控制器，利用超声波回声测距的原理测距，用蜂鸣器进行声音报警。系统的硬件结构框图如图1所示。该系统主要由单片机控制系统、超声波发射电路、接收放大电路、按键控制和声音报警电路。AT89C51单片机是整个系统的核心部件，用来控制、协调各部件的工作。工作时先由单片机控制的振荡源产生40K Hz频率的信号以驱动超声波传感器，使它发射脉冲。当第一个超声波脉冲发射后，计数器开始计数，在检测到第一个回波脉冲的瞬间，计数器停止计数，计算出从发射到接收的时间差Δｔ，最终利用单片机计算出距障碍物的距离，并根据远距、近距控制按钮设定的测距值进行报警指示。
基于Arduino 的智能导盲棍设计与实 现》 报告 题目：基于Arduino 的智能导盲棍设计与实现姓名：某某某 专业：XXXXX 指导教师： 成绩： 计算机与信息工程学院
20 年月
目录 1. ........................................................................... 引言 1.1 项目背景............................. 1.2 创意描述............................. 1.3 项目分工..................... 2. ..................................................................................... 相关技术介绍.................................................. 2.1 Arduino 介绍............................ 2.2 相关套件介绍........................... 2.3 相关项目对比. ................................................. 3. ..................................................................................... 功能及总体设计............................................... 3.1功能介绍. ....................................................... 3.2总体设计. ....................................................... 4. ...............................................................................项目实现 4.1 超声波测距模块. ................................................. 4.2 蓝牙连接模块. ................................................. 4.3 语音提示模块. ................................................. 4.4照明模块. ....................................................... 4.5 电量提示模块. ................................................... 5. ...............................................................................产品展示 6. ...............................................................................总结与展望 参考文献. ............................................................... 附录一元器件清单. ....................................................... 实训日志. .............................................. 教师评语. .............................................. 2 2 2 错误! 未定义书签。 2 2 3 3 4 4 4 8 8 9 10 11 11 12 13 14 15 错误! 未定义书签。错误! 未定义书签。
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910177565.X (22)申请日 2019.03.09 (71)申请人 华北水利水电大学 地址 450045 河南省郑州市金水区北环路 36号 (72)发明人 王欣欣 邵向东 赵建林 (74)专利代理机构 郑州大通专利商标代理有限 公司 41111 代理人 陈勇 (51)Int.Cl. A61H 3/06(2006.01) (54)发明名称 一种智能导盲仪 (57)摘要 本发明提供了一种智能导盲仪，包括主控制 器、超声波测距模块、时钟模块、温湿度检测模 块、语音模块、反馈模块和电源模块；所述超声波 测距模块包括超声波传感器，所述超声波传感器 与主控制器连接；所述温湿度检测模块包括温湿 度传感器，用于检测环境中的温湿度，以对超声 波测距模块的声速进行温度补偿；所述时钟模块 包括时钟芯片，用于提供时钟信息；所述反馈模 块包括振动电机，振动电机与主控制器连接；所 述语音模块包括语音播放单元和音频功放单元； 语音播放单元通过锁存器与主控制器连接。本发 明智能导盲仪测量精度高，适用范围更广，设置 的语音播报功能为使用者提供很大的便利；其双 重报警提醒功能， 增强了导盲仪其可靠性。权利要求书1页 说明书5页 附图8页CN 109875860 A 2019.06.14 C N 109875860 A
权 利 要 求 书1/1页CN 109875860 A 1.一种智能导盲仪，其特征在于，包括主控制器、超声波测距模块（3）、时钟模块（8）、温湿度检测模块（2）、语音模块（7）、反馈模块（5）和电源模块（9）； 所述超声波测距模块（3）包括超声波传感器，所述超声波传感器与主控制器连接； 所述温湿度检测模块（2）包括温湿度传感器，温湿度传感器与主控制器连接；所述温湿度检测模块（2），用于检测环境中的温湿度，以对超声波测距模块（3）的声速进行温度补偿； 所述时钟模块（8）包括时钟芯片，用于提供时钟信息； 所述反馈模块（5）包括振动电机，振动电机与主控制器连接，主控制器根据超声波测距模块（3）的距离信息通过PWM控制电机的振动速度； 所述语音模块（7）包括语音播放单元和音频功放单元；语音播放单元通过锁存器与主控制器连接；所述语音模块（7），用于播报超声波测距模块（3）的距离信息；所述主控制器包括单片机（1）； 所述电源模块（9）为智能导盲仪整体供电。 2.根据权利要求1所述的一种智能导盲仪，其特征在于，所述单片机（1）的型号为STC15W408AS。 3.根据权利要求2所述的一种智能导盲仪，其特征在于，所述超声波传感器输入端口连接单片机（1）的P5.4端口，超声波传感器的输出端口连接单片机（1）的P5.5端口。 4.根据权利要求3所述的一种智能导盲仪，其特征在于，所述温湿度传感器的DATA端口与单片机（1）的P3.6端口连接。 5.根据权利要求1所述的一种智能导盲仪，其特征在于，所述振动电机连接有三极管Q1，所述三极管Q1为PNP型三极管，三极管Q1的基极通过电阻R14连接单片机（1）的P1.2端口，三极管Q1的发射极连接振动电机，振动电机的两端并联有二极管D2。 6.根据权利要求1所述的一种智能导盲仪，其特征在于，所述语音播放单元包括语音播放芯片，所述语音播放芯片为XY-V17B；语音播放芯片的输入端连接锁存器，所述锁存器为74HC595，锁存器的输入时钟线端口连接单片机（1）的P1.5端口，锁存器的锁存时钟线端口连接单片机（1）的P3.1端口，锁存器的输入端口连接单片机（1）的P1.4端口； 所述音频功放单元包括音频功放芯片，语音播放芯片的声道输出端口连接音频功放芯片的输入端，音频功放芯片的输出端连接有扬声器。 7.根据权利要求2所述的一种智能导盲仪，其特征在于，还包括光照检测电路（4）和警示灯电路（6），所述光照检测电路（4）包括光敏电阻R17，光敏电阻并联有电容C6，光敏电阻连接单片机（1）的P1.0端口； 所述警示灯电路（6）包括LED灯和三极管Q2，所述三极管Q2的基极通过电阻R15连接单片机（1）的P3.7端口，三极管Q2的发射极顺次连接电阻R18和LED灯； 所述光照检测电路（4），检测环境中的光照强度，并将光照强度信息发送至单片机（1），单片机（1）经处理后控制警示灯电路（6）中LED灯的亮或灭。 2
基于超声波技术的导盲杖设计论文 龙剑凤娟伟钦邹东江强进 指导老师：谭永宏 （科技学院电子工程系） 摘要：由于电子技术和压电材料的快速发展，使超声波检测技术得到了迅猛发展。利用超声波指向性强、能量消耗缓慢的特点，通过发射具有特征频率的超声波实现对目标的探测便是超声检测技术的应用之一。本文利用超声波障碍检测技术设计了一款导盲杖，该导盲杖能自动检测前方3米围障碍物，采用语音和振动两种方式有效提示盲人避障。 本设计是一种基于超声波测距技术，以STC89C52单片机为核心的低成本、高精度智能导盲杖。整个系统包括主控制器、超声波发射器、超声波接收器、温度补偿模块、语音播报模块、电源、开关、拐杖把和拐杖体。在拐杖体和拐杖把对接处制有便于握杖手按动的电源开关，拐杖体采用刚性材料制成腔为空体式，腔中安装有控制电路板、电源及超声波发射与接收器件；在拐杖体下端、中间、顶端与拐杖把拐向相对应方向装有上、下排列的超声波发射器与接收器共3对。在拐杖把下端有一语音播报模块。本系统能够感应到使用者前方3米脸部，腿部高度处的障碍物，并通过震动手柄，及语音播报通知使用者，
以保障盲人的行路安全。 【关键词】导盲杖超声波测距技术语音播报STC89C52 一引言 随着信息化和数字化的发展,现在社会中人们的生活变得更加丰富多彩,生活更加便利。但是有一种人群却不容忽视,社会上形形色色、丰富多彩的物是与他们无缘的,他们就是盲人。众所周知眼晴是“心灵之窗”,而对于突然失去或从未拥有过“心灵之窗”的盲人来说,生活上的困难与心理上的痛苦是可想而知的。他们的衣食住行存在诸多不便,而在出行与人际交往中遇到的困难更加突出。目前，市场上的导盲工具主要是导盲犬,导盲犬习惯于颈圈、导盲牵引带和其他配件的约束；懂得“来”、“前进”、“停止”等口令，可以带领盲人安全地走路，当遇到障碍和需要拐弯时，会引导主人停下以免发生危险。但是,导盲犬的培训过程长达18 个月,综合费用达2.5～3万美元,如此昂贵的价格不是普通用户能承担的,所以设计一款基于超声波技术的导盲杖。 本设计基于超声波测距技术，超声波作为一种频率超过20KHZ 的机械波, 其指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远。此外，与其他测距方法相比，如电磁或光学的方法，超声波测距不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、等恶劣的环境下有一定的适应能力。此外，超声波传感器还具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点，检测比较迅速、方便，计算简单，易于做到实时控制。因此，基于超声波技术的导盲杖对环境的适应能力较强，稳定性较高，性价比高，给盲人的行路安全提供了必要保障。 本系统设计拟解决的关键问题： 1、大角度围的高精度超声波测距处理方法。 2、提高移动式超声波测距系统测距精度的方法。 3、语音播报模块。 1.1系统总体功能概述 1.1.1 系统原理及框图
智能仪表设计基础 课程设计 课题名称电子导盲杖 学生学号 学生姓名 所在班级 指导教师 二〇一二年九月
目录 1.功能要求及性能指标 1.1 课程设计的目的和设计任务 (1) 1.2 课程设计的要求和技术指标 (1) 2.方案设计 2.1 硬件方案 (2) 2.1.1 测距模块方案选择 (2) 2.1.2 语音模块方案选择 (3) 2.1.3 显示模块方案选择 (4) 2.1.4 震动模块方案选择 (4) 2.2 软件方案 (4) 3.硬件设计 3.1 STC89C52单片机介绍 (6) 3.1.1 引脚分布及定义 (6) 3.1.2 定时器 (8) 3.2 HC-SR04超声波模块介绍 (8) 3.2.1 模块实物图及说明 (9) 3.2.2 测距电路设计 (9) 3.2.3 测距程序设计 (11) 3.3 ISD1420语音芯片介绍 (12) 3.3.1 芯片引脚图及功能说明 (12) 3.3.2 语音录放电路的设计 (13) 3.3.3 语音程序设计 (14) 3.4 震动模块及LED灯的控制 (15) 3.5 总原理图 (16) 3.6 仪器仪表清单 (18) 4.软件设计 4.1 程序程序设计 (18) 4.2 程序调试结果 (22) 5.设计小结 (23) 参考文献 附录一：课程设计任务书 附录二：软件程序清单
1. 功能要求及性能指标 1.1 课程设计的目的和设计任务 世界上视觉障碍者数量众多，他们只能用百分之六十的感觉来获取信息。盲人在独自行走时主要依靠导盲装置，最简单常用的导盲装置是普通的拐杖，用它在地面上敲击，可帮助盲人发现0.5米以内的障碍物。它的主要缺点是不能发现较远一点的障碍物以及悬空的障碍物。随着社会的发展，传统的导盲杖已经远远不能满足盲人的需要了。超声波导盲杖是为视觉障碍者提供环境导引的辅助工具，它通过超声波传感器对周围环境进行探测，将探测的信息反馈给视觉障碍者，帮助他们弥补视觉信息的缺失。 1.2课程设计的要求和技术指标 设计要求： 本作品由超声波测距功能、前方障碍物语音警示功能、震动警示功能、夜间警示路人功能。在盲人走路时，如果前方1米处有障碍物，则盲杖自动语音提示“前方一米处有障碍物，请注意！”，如果前方1米处没有障碍物，无提示音；如果前方2米处有障碍物，则盲杖自动语音提示“前方二米处有障碍物，请注意！”，如果前方2米处没有障碍物，无提示音；如果前方3米处有障碍物，则盲杖自动语音提示“前方三米处有障碍物，请注意！”，如果前方3米处没有障碍物，无提示音。手柄震动警示功能，可以让盲人在嘈杂的环境中通过手柄的震动接收到前方障碍物信号，弥补了语音提示在嘈杂环境中的弊端。夜间警示路人功能，在夜间遇到4米以内障碍物时，盲杖上的指示灯亮，可以警示前方路人注意盲人的位置，注意避让盲人。盲杖具有使用方便，功耗低，实用性，是盲人出行外出的好助手。 技术指标： 超声波测距模块：可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达 3mm。 ISD1420语音芯片：具有20秒高保真语音录放功能，通过具有专利技术的模 拟处理存储方式，使录放音质极佳，没有常见的的背景噪 音，且电路断电后语音内容仍不丢失。 2.方案设计 2.1 硬件设计方案 电子导盲杖的总体框图如下图（图1）所示，它由超声波模块、单片机、语音模块、震动模块、警示模块、校准模块组成。