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智能型导盲杖的优化设计摘要本项目在现有传统的超声波导盲杖的基础上，针对盲人的需求进行五大优化设计。
增加了耳机语音提示模块、盲人电子公交显示牌、手动发电模块，同时改进输入键盘设计和外观设计。
此外简化了电路，提高测距的准确度。
该智能导盲杖使用便捷、设计人性化、成本低、易于投入市场。
关键词导盲杖；超声波；语音提示；人性化设计导盲杖是盲人出行的安全保障，但是现有的大多导盲杖的使用率低，盲人使用起来存在很多问题。
对于大多数具有出行经验的盲人而言实用传统的普通导盲杖基本上可以满足需求，但是对于后天失明的群体、需要适应盲人环境的群体则需要导盲杖在设计上更加人性化，方便其使用。
该项目在通过对上海盲人群体的深访和需求调研后针对现存的五个功能使用上的不足进行优化。
1）传统的超声波导盲杖的语音提示是蜂鸣器或者外扩音，在一些人流较大嘈杂的地方，盲人无法清晰识别提示信号，且超声波在地铁站容易受到电磁干扰。
2）盲人外出乘坐公交车候车时需要有人协助告知具体的公交线路，尤其在交通繁忙，人员流动块的城市。
所以需要导盲杖需要结合盲人乘车需求进行优化。
3）在供能上，一般大多采用蓄电池，盲人在使用导盲杖时经常担心因为各种意外导致蓄电池供电不足。
后来也有很多人开始采用太阳能发电，但是该方法在实际推广和应用中存在很大问题，太阳能供电受到的限制条件过多，太阳能发电需要有一定的太阳光照，同时发电过程耗时过多，对于行动本身不便的盲人群体而言该设计在实际运用中需要改进。
4）部分传统的智能型导盲杖在按钮设计上依然没有考虑到盲人的需求，还是采用常人常用的按钮设计和输入设计，按钮的位置也没有在方便盲人群体的基础上。
5）传统超声波测距一般把超声波发射接收装置安在导盲杖靠近杖底的部位，但是，在城市中，经常会出现一些栏杆和起伏的阶梯。
这就需要在超声波测距上做优化。
1 系统整体设计1.1 系统整体设计原理导盲杖在综合现有的传统超声波测距型导盲杖的基础上进行优化。
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)致谢 (25)参考文献 (26)附录 (28)1 绪论随着单片机技术的不断成熟和发展，人们对电子产品的需求转移到为人类的生活上来。
• 184•1 项目背景我国是拥有残疾人最多的国家之一。
这类特殊人群中，盲人占了很大一部分。
我国有六百至七百万的盲人，占世界盲人总数的百分之十八，庞大的数量，让我们不得忽视这些人的需要。
随着科技的发展，如何解决盲人的出行问题，已是人们急切解决的难题。
发达的经济也使得交通日益完善。
所以，在保证正常人的行走同时，也要保障盲人的出行安全。
在科技不断创新的当今，人们的生活方式被功能日益丰富的科技产品所改变。
而且，各行各业，各种人群对于不同的智能电子设备需求越来越强烈。
构建和谐社会的今天，为了切实改善盲人的出行问题。
盲人出行，虽可借助导盲杖和导盲犬。
但是，这二者都有其一定的局限性。
所以，将智能和导盲杖的结合，具有很大的应用前景。
随着国家现代化水平越来越高，人民对美好生活的向往也越来越高，盲人是一个特殊群体，在我国的数量也是相当庞大，目前市场上常见的导盲设备已经不能够满足盲人的出行需求，现在市场对功能齐全且价格相对低廉的智能导盲设备需求量是很大的。
我相信我们设计的智能导盲杖能解决大多数盲人的出行问题。
2 总体设计方案.2.1 硬件设计方案智能导盲杖工作的总体框图如图1所示，它由超声波测距模块、中央处理器单片机、语音播报模块、震动提示模块、警示灯模块、校准模块、GPS/GSM 定位模块组成，电源供电模块。
智能导盲杖的总体功能描述如下：一键打开电源按钮，智能导盲杖开始工作，当前方有障碍物时，超声波测距模块开始工作，测距模块能检测前方2cm-200cm 的障碍物，当障碍物距离导盲杖2cm-100cm 时，语音播报模块会播报：“前方一米有障碍物”这个提示命令。
并且震动提示电路也会工作。
震动提示电路可以很好的弥补盲人在嘈杂的环境中听不到声音而导致意外的发生。
当障碍物在距离导盲杖100cm-200cm 时，会播报“前方两米有障碍物”提示命令。
震动提示电路也会工作。
到夜晚时，光敏电阻会检测光强，当光强达不到设定的阈值时，光敏检测电路就会工作，从而点亮LED 灯用来提示路人。
导盲杖产品开发报告范文# 导盲杖产品开发报告## 1. 引言导盲杖是一种帮助视障人士行走的辅助工具，能够通过震动或者声音提示帮助用户避开障碍物。
在现代社会中，随着城市建设的不断发展以及人口老龄化趋势的加剧，视障人士的数量不断增加，导盲杖的需求也越来越大。
因此，我们开展了导盲杖产品的开发研究，旨在提供更加智能、高效、实用的导盲杖产品，以帮助视障人士更好地融入社会，提高他们的生活质量。
## 2. 市场调研在开发导盲杖产品之前，我们进行了广泛的市场调研，了解了用户需求以及竞争产品的情况。
### 2.1 用户需求在与视障人士进行深入交流和调研的过程中，我们了解到用户对导盲杖产品有以下几方面的需求：- 高效避障功能：视障人士在行走过程中最关心的是能够快速、准确地避开障碍物，因此需要导盲杖能够提供高效的避障功能。
- 智能导航功能：视障人士希望导盲杖能够提供智能导航功能，以帮助他们更方便地找到需要到达的目的地。
- 舒适使用体验：由于视障人士对触觉反馈较为敏感，导盲杖需要提供舒适的使用体验，避免对用户造成过多的身体负担。
- 耐用性和易维护性：由于导盲杖是视障人士的重要辅助工具，因此需要具备较高的耐用性，同时易于维护和维修。
### 2.2 竞争产品市场上已有一些导盲杖产品，其中较为知名的有A品牌和B品牌。
这些产品在避障功能、导航功能、舒适性等方面都有各自的特点。
我们需要进一步了解这些竞争产品的优缺点，以便在产品开发过程中能够有所借鉴。
## 3. 产品设计基于市场调研的结果以及用户需求，我们对导盲杖产品进行了详细的设计。
### 3.1 高效避障功能我们使用激光雷达技术实现导盲杖的高效避障功能。
激光雷达能够快速扫描周围环境，通过传感器检测到的物体距离，可以提前给用户发出警示信号，帮助他们避开障碍物。
### 3.2 智能导航功能导盲杖内置了GPS模块和地图导航系统。
用户可以通过语音指令或按钮操作，输入目的地信息，导盲杖会自动规划最佳路线，并实时提供导航引导。
超声波智能导盲杖的设计孙二杰;汪东军;石震;李伟【摘要】我国盲人及视觉障碍者数量众多, 行动不便, 该导盲杖的设计有助于他们较好的识别路况, 给日常生活带来极大的方便. 该导盲杖利用超声波来探测周围的环境信息, 并将环境信息以其他的形式反馈给使用者, 同时该导盲杖能以声光报警的形式提醒路人及时避让. 相比传统的导盲杖该导盲杖具有精度高、使用便捷、成本低及功能齐全等特点同时还能实现温度语音播报功能.%There are large numbers of blind people in our country who cannot move around freely. The designation of the guide-stick can help them have a better recognition of the road, so this will bring great convenience to their daily life. The guide-stick can detect the surrounding information and feedback to the users in other forms, when there are obstacles in front of the users it can warn them in the form of light and sound and at the same time it can remind the passers-by away from the users. Compared to conventional guide-stick, this guide-stick with high precision, ease of use, low cost and fully functional characteristics and at the same time it can broadcast the temperature with voice.【期刊名称】《计算机系统应用》【年(卷),期】2015(024)008【总页数】4页(P273-276)【关键词】超声波;温度补偿;照度;声光报警;导盲杖【作者】孙二杰;汪东军;石震;李伟【作者单位】山东建筑大学信息与电气工程学院,济南 250101;国网山东节能服务有限公司,济南 250101;山东建筑大学信息与电气工程学院,济南 250101;山东建筑大学信息与电气工程学院,济南 250101【正文语种】中文盲人行走时通常使用普通的手杖, 通过在地上不断的敲击, 获得大致的路况及前方小范围内有无障碍物. 但它不能发现较远一点的障碍物, 同时也不具备提醒路人避让的功能. 随着电子技术的发展, 人类对电子产品的需求越来越多, 然而超声波导盲杖在市面上还很罕见, 与实际需求相差甚远. 经调查发现现有的导盲仪价格偏高, 不易被普通人所接受, 所以如何解决好价格与性能之间的问题是开拓市场的关键.系统总体框图如图1所示, 超声波导盲杖主要由超声波探头、单片机、温度补偿电路、照度检测电路、语音播报电路、声光报警电路组成. 该装置有两个按钮, 一个电源开关, 一个温度播报开关, 当不使用时关闭电源开关, 节省电能, 当使用者按下另一个开关, 则通过语音播报当时的温度值, 方便使用者了解当时的温度情况. 该导盲杖下端及中部分别放置一个超声波模块, 下端的模块主要用于检测低矮及形状不规则的障碍物, 中部主要检测相对高一点的障碍物, 当障碍物进入探测范围后进行声光报警, 随着距离的改变点亮的LED数目及蜂鸣器的频率会相应的改变. 上下两超声波相结合使测量结果更可靠, 大大提高使用者躲避障碍物的能力.本设计以ATMega 16单片机作为中心控制器, 利用超声波回声测距的原理测距[1], 同时为了避免模拟温度信号受电磁干扰的影响, 本设计采用新一代数字温度传感器SHT10测量温度, 对系统进行温度补偿, 提高测距精度及系统性能, 同时利用语音芯片ISD1420对温度进行播报; 当使用者靠近障碍物时如果照度大于50lx, 则只进行声报警, 如果照度小于50lx则进行声光报警, 同时点亮的LED数目与蜂鸣器的尖锐程度随着距离的改变而改变.3.1超声波发射及接收电路超声波发射电路主要由74HC04、BD681及超声波发生器组成, 如图2所示, 由于路上障碍物多种多样, 形状也不尽相同, 影响超声波的反射, 所以要增大发射功率. 74HC04中每一路反相器的带负载能力有限, 而将三路并联电阻减小、电流增大, 带负载能力增强; BD681是一个NPN达林顿晶体管, 进行功率放大. 由单片机定时器1产生40KHZ的方波信号通过功率放大电路驱动超声波发送器[2]. 超声波发射电路如图2所示.超声波接收电路采用CX20106A, 该芯片内含解调电路、前置放大电路等几部分电路, 该芯片体积小同时接收角度宽、价格便宜.接收的信号由1脚输入, 内部放大然后再经限幅放大器后变为矩形脉冲, 滤波器滤除干扰信号, 检波器滤掉载波检出指令信号, 最后整形由7脚输出. 当接收信号与CX20106A中心频率相符时, 7脚输出低电平, 否则为高电平. 超声波接收电路如图3所示.3.2温度及照度测量电路选用SHT10作为测温芯片, 该芯片内含14位A/D转换器同时支持串行通信, 输出完全标定的数字信号, 该芯片响应迅速、抗干扰能力强、测量精度高. 温度测量电路如图4所示.本设计为了减小电路板体积, 采用数字型芯片BH1750作为照度采集模块, 支持IIC 通信, 精度高,直接输出对应亮度的数字值. 照度测量电路如图5所示.3.3 温度语音播报电路采用ISD1420进行语音录放. ISD1420是采用模拟存储技术集成的, 可反复录放的20秒语音芯片, 掉电语音不丢失, 最大可分160段, 每段语音都可由地址线控制输出, 每小段语音长度为125ms.3.3.1分段录音的实现ISD1420分段录音可通过软件或硬件实现. 图6为实现录放的电路图, 单片机的PA 口连接ISD1420的地址端, PB0连接PLAYL端, PB1连接REC端. 当录音结束、存储器溢出或放音结束后, D2熄灭.3.3.2放音的实现在硬件电路中通过放音控制键实现, 如PLAYE和PLAYL键. 本系统通过软件实现放音, 录音完毕后, 读取采集的温度值进行报温. 为了清楚听见报温声音, 选用LM386作为音频放大器, 来对微弱音频信号进行放大.3.4 声光报警电路普通的导盲杖只有声音报警, 但当光线不好时路人很难发现他们的存在, 不能及时避让, 从而很容易发生事故. 因此本设计在导盲杖上安装8个红色LED, 采用声光相结合的报警方式, 如图7所示. 当障碍物进入报警范围且照度大于50lx时, 只驱动蜂鸣器, 进行声报警, 如果障碍物进入报警范围且照度小于50lx时进行声光报警;当障碍物离底部超声波探测器0.5m或中部超声波探测器1.5m内后开始报警[3], 同时设置不同的报警级别, 离障碍物越近, 蜂鸣器越尖锐, 点亮的LED数目越多.软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、接收中断子程序、温度补偿子程序、语音播报子程序及声光报警子程序等组成,都是由mega16单片机完成.首先系统进行初始化, 包括端口状态、寄存器状态、定时器初值、报警阈值等, 然后单片机发送8个40KHZ的方波, 定时器开始计时, 为了防止干扰, 延时100us打开外部中断, 看是否有回波, 如果有则停止计数, 计算时间差[4], 测量温度, 对声速进行温度补偿, 最后测出障碍物的距离, 如果进入报警范围则根据程序的预设进行报警, 根据距离的不同驱动蜂鸣器发出不同频率的声音, 点亮不同数目的LED, 再重新测距; 如果没有回波则重新测距. 主程序流程图如图8所示.4.1 超声波发射接收子程序如图9所示, 此次设计用单片机控制超声波的发射, 通过定时器发射8个40KHZ的方波, 同时计数器开始计数, 延时100us防止回波的干扰, 碰到障碍物反射后, 回波经CX20106A处理后在7脚出一低电平, 触发单片机的外部中断, 停止计时.4.2 温度补偿和声速计算子程序在本系统中,稳定准确的超声波传播速度是测量精度高低的决定性因素. 而超声波在空气中传播时,其速度受到温度、粉尘、湿度、大气压、等因素的影响.其中温度的影响最大,超声波在空气中的速度与温度的关系表达式为,由泰勒公式将其展开,可得到近似计算公式为C=331.5 + 0. 607 T, 式中T是环境温度, 温度每变化1℃声波的速度变化0. 6m/s. 温度测量子程序流程图如图10所示.5.1 数据测试利用以上的设计在25℃下进行测量, 测量结果如表1所示,对所测量数据进行记录分析, 可知该超声波最大量程为5m.5.2 误差分析由实际测量结果分析可知, 在(100—300)mm范围内误差相对较大, 在6%左右; 在(300—3000)mm范围内测量精度比较高, 误差在1.2%—1.8%之间; 在(3000—5000)mm范围内误差又有所提高在2%左右.如上所述, 在(100—300)mm范围内误差相对较大, 主要是因为发射和接收的摆放位置及两者之间的距离有关, 会存在一定的盲区; 在(300—3000)mm范围内排除了盲区的干扰同时距离不算太远, 测量精度比较高; 在(3000—5000)mm范围内误差又增大, 主要是因为空气成分变化、超声波传播途中温度梯度变化导致测温不准, 同时距离较远发射功率不够大, 回波幅值衰减严重, 使远距离回波很难被检测到[5]. 再一个就是被测物体和超声波传感器发射端接收端三者之间存在一个几何角度, 也就是说反射波入射到接收端的角度不是垂直的, 这样所测距离就不是垂直距离, 会造成一定的测量误差.1 Websser D. A pulsed ultrasonic distance measurement system basedupon phase digitizing. IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, 1991, (13): 2–4.2 郭天祥.新概念51单片机C语言教程.第2版.北京:电子工业出版社,2008.3 高飞燕.基于单片机的超声波测距系统的设计.信息技术,2005,(7):43–45.4 Lacey G, Dawson-Howe KM. The application of robotics to a mobility aid for the elderly blind. Elsevier Science Robotics and Autonomous Systems, 1998, (23): 27–30.5 林书玉.超声换能器的原理及设计.北京:北京科学出版社,2004.。
科技风2017年12月科技创新DOI：10.19392/j.c nki.1671-7341.201726001智能便携导盲杖设计张靖雪许泽天胡沛合肥工业大学宣城校区机械工程系安徽宣城242000摘要:我国盲人基数较大，并且增长率连年增长，但导盲设施并不完善。
本文针对盲人群体，设计出一款方便盲人出行的导 盲杖。
该导盲杖是在市面上传统导盲杖的基础上，集超声波测距报警、无线寻回报警、GPS定位功能于一体，并设计了贴合盲道的 卡轮，有助于盲杖人群较好地辩别路况，使用也更加省力，给日常生活带来极大的便利。
经过调试改进，该设计具有使用便捷，安 全系数高且成本较低等特点。
关键词：导盲杖;超声波;无线通信;卡轮据统计，我国约有盲人500万，占世界盲人总数的19:，是世界上盲人最多的国家，此外，我国每年还新增45万盲人。
虽 然盲人基数很大，但中国盲人目前出行普遍使用的还是简单的 传统导盲杖，这种导盲杖已不能满足盲人的出行需求，因此，智 能导盲杖的出现及发展是必然的。
目前中国对智能导盲杖的研究并不算多，论文[1]基于单片机设计了超声波导盲杖，该设 计主要利用超声波测距技术，探测障碍物，从而发出报警录音; 论文[2]基于GPS技术与智能避障设计的导盲杖，利用了 GP7 技术与红外探测技术以达到自动牵引避障;此外还有基于多传感器融合设计的智能导盲杖，可以探测台阶与积水[3]。
基于以 上研究功能，本文设计了实现避障、无线寻回、GP7定位等功能 的便携导盲杖。
此外，本设计还在杆底安装了卡轮使轮体贴合 盲道，让盲人无需敲打地面、使用更省力。
1系统总体构成该系统主要由超声波测距模块、无线通信模块、GP7模块 组成，其系统总体框图如图1所示，其中超声波测距模块对障 碍物进行测距，经过单片机的数据处理判断是否通过蜂鸣器发 出警报;无线通信模块用于实现导盲杖寻回功能，当单片机通过无线通信模块接收到特定编码信息时使蜂鸣器发出警报音; GP7模块为独立的产品，不与单片机最小系统连接。
“全方位”全天候轮式导盲手杖研究论文类别：工程学泰州机电高等职业技术学校09应用电子班马宏阳目录一、前言 (3)1.1 项目发现与研究 (3)1.2 研究背景及意义 (4)1.3 现有导盲辅助器材的优缺点分析 (5)二、方案 (6)2.1 同领域研究状况 (6)2.2 具体方案设计 (7)三、实验模型的选取、设计与制作 (8)3.1 手杖选型 (9)3.2 载体主体结构设计 (10)3.3 驱动轮选型 (11)3.4 项目性能的研究 (11)3.5 传感器选型及安装 (13)3.5.1 传感器选型 (13)3.5.2 传感器探测转向时的最大角度限制 (15)3.5.3 传感器反射参数调整 (15)3.6 夜晚警示设计 (16)四、实验 (16)4.1 室内探测试验 (17)4.2 室外实地探测实验 (19)五、结论及展望 (21)致谢 (22)参考文献 (22)一、前言没有视觉感知力是盲人在日常生活中最大的障碍，正常人的生活用品，对于盲人的生活存在众多不便。
盲人产品需要在正常人的生活用品的基础上进行改进，更好的帮助盲人克服生活中的不便。
对于这种特殊人群的设计，触觉、听觉﹑嗅觉等就是产品改进的重要出发点。
1.1 项目发现与研究盲人，这个词大家并非陌生。
在日常生活中,我们随处都可以见到盲人。
我们所看到的盲人，都是用拐杖一步一步小心翼翼地走路。
而我们，都有一双明亮的眼睛，能清楚地看到大自然的美好色彩，可盲人却难以做到这一点。
在盲人的眼中，世界似乎永远是黑暗的，没有一点光明与美好。
为了生活，他们往往只能通过触摸、嗅觉、听觉等去感受大自然。
为更好地了解盲人，我曾亲身体验了一次盲人世界。
我用一块黑布蒙住了我的双眼，顿时，我的眼前一片漆黑，见不到一丝光明。
我试着走几步路，刚向前走了两、三步，我就感觉身子失去了平衡，一下子给摔倒了，由于眼睛被手帕遮住，看不见路，辩不明方向，所以每走一步，总是试探着挪动前行，可一不小心又与大门相撞了，把黑布摘下后，我的眼前恢复了一片光明。
针对盲人群体出行不便的情况，我将人工智能技术融入传统的导盲杖，设计了一款智能导盲杖，其整体设计如图1所示。
该导盲杖具有规避障碍、GPS 定位与导航、一键紧急呼叫和无线充电等功能，为盲人的出行提供便捷与安全保障。
一、规避障碍传统的导盲杖通过拐杖和障碍物之间的碰撞，让使用者感知障碍物。
这种方式不仅操作距离有限，而且只能感知前方的障碍物，两侧的障碍物无法感知。
因此，我在智能导盲杖的中段部位加入5个红外检测器，在导盲杖底部增加碰撞开关。
导盲杖触地时，红外检测器工作，并检测以使用者为圆心、半径为1m 的半圆形区域内的障碍物。
当检测到障碍物时导盲杖发出振动反馈，增大使用者的感知范围。
二、GPS 定位与导航GSP 定位功能可实时监测使用者的位置，并将位置信息共享给他（她）的家人。
智能导盲杖内还添加了导航信息，使用者通过按预设地点的按键后能自动规划路线，并播报路口位置等信息。
三、一键紧急呼叫发生紧急情况时，可按住智能导盲杖上用盲文书写的“紧急呼叫”按钮，3s 后即可进行紧急通话。
与此同时，智能导盲杖还能进行声光报警，在紧急联络亲人的同时争取周围路人的帮助。
智能导盲杖手柄部位设计如图2所示。
四、无线充电无线充电器由充电底座和内置充电接收器组成。
使用者只需将智能导盲杖挂在充电座上即可充电。
无线充电器独特的卡槽式设计能保证智能导盲杖充电时不掉落，设计如图3所示。
图3无线充电器创造天地766.充电插头7.导盲杖悬挂支架图1智能导盲杖整体图图2智能导盲杖手柄512341.橡胶防滑握把2.预设导航按钮3.一键紧急呼叫按钮4.语音播报孔5.绑绳穿孔. All Rights Reserved.。
天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education毕业论文专业：班级学号：学生姓名：指导教师：二〇一三年六月天津职业技术师范大学本科生毕业设计基于单片机电子导盲拐杖设计Electron blind-guide crutch design based on MCU专业班级：学生姓名指导教师：学院：电子工程学院2013年06月摘要随着社会的发展，在社会生活中应用超声波测距技术已很广泛，如汽车倒车雷达、测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声测距技术的研究和开发具有实际意义。
本设计研究为盲人提供行走时，遇到前方障碍物提前躲避的预警系统。
以AT89S52作为核心处理器，采用超声波回波时间差测量人与物体之间的安全距离，实现了提前预警使用者避让障碍物，起到避免安全隐患的作用。
该系统是基于AT89S52单片机的超声波测距系统,它根据超声波在空气中传播的反射原理,以超声波传感器为检测部件, 应用超声波在空气中传播的时间差来测量距离。
夜晚时利用光敏传感器控制警示灯开关，警示来往车辆避让。
另有时间播报功能。
主要由测距系统（包括超声波发射模块、超声波接收模块）和语音报警系统，时间播报系统，警示灯控制系统，稳压电源，五个主要模块构成。
该设计利用AT89S52单片机系统的I/O口，控制超声波传感器发出40KHz的超声波，利用反射回来的超声波信号，经过放大、整形、滤波等电路回到单片机，比较调试后确定与障碍物之间的距离，完成测距。
该装置将单片机的实时控制及数据处理功能，与超声波的测距技术、传感器技术相结合。
语音系统发出警示音，提醒使用者前方障碍物需躲避。
使盲人在看不见的情况下，能够识别前方的障碍物正常的行走，从而起到保护盲人安全的作用。
关键词：智能避障；超声波测距；AT89S52单片机ABSTRACTWith the development of society，It is applied widely by ultrasonic to measure distance, such as cars reversing radar，range finder and level measurement and so on. Because of the strong point of ultrasonic, low energy consumption, long distance transporting in media, thus it is practical and significant to measure distance by ultrasonic.This design study for the blind to walk, meet obstacles ahead of early warning system. AT89S52 as the core processor, USES the ultrasonic echo time difference measuring safety distance between people and objects, implement the early warning users avoid obstacles, avoid safe hidden trouble.Is the system of ultrasonic ranging system based on AT89S52 microcontroller, it is based on the reflection principle of ultrasonic wave in air and in ultrasonic sensors for detection components, application of ultrasonic wave in air time difference to measure distance. Night when using photosensitive sensor warning light switch control, avoidance of traffic warning. Otherwise time function. Mainly by the ranging system (including ultrasonic transmitting module, ultrasonic receiver module) and voice alarm system, time to broadcast system, warning lights, control system, regulated power supply, the five major modules.The design USES AT89S52 single chip microcomputer system I/O mouth, control issue of 40 KHZ ultrasonic ultrasonic sensor, using the reflected ultrasonic wave signal, after amplification, plastic, such as filter circuit back to the single-chip microcomputer, is after the debugging and the distance between the obstacles, to complete the range.The device will single-chip microcomputer real-time control and data processing capabilities, combined with ultrasonic ranging technology, sensor technology. Issued a warning sound, voice system remind users in front of the obstacles to avoid. Under the condition of the invisible for the blind and can identify the obstacles in front of the normal walking, which play a role to protect the safety of the blind.Key Words：Intelligent obstacle avoidance ；Ultrasonic ranging；Single chip microcomputer目录1．引言 (1)1.1设计研究的背景及意义 (1)1.2设计研究的内容 (1)1.3本章小结 (2)2．超声波系统的工作原理及方案 (3)2.1 超声的概述 (3)2.2超声波传感器 (3)2.3超声波测量中盲区及近限和远限 (4)2.4 超声测距的方案 (4)2.5本章小结 (5)3．智能导盲拐杖硬件系统设计 (6)3.1设计实现的功能 (6)3.2设计思路 (6)3.3硬件电路设计 (7)3.3.1 CPU模块 (7)3.3.2超声波换能模块 (10)3.3.3语音播报模块设计 (15)3.3.4温度检测模块和时钟模块的设计 (16)3.3.5灯光示警模块设计 (18)3.3.6 稳压电源模块的设计 (19)3.4本章小结 (20)4．智能导盲拐杖软件设计 (21)4.1系统软件设计语言 (21)4.2 软件设计心得 (21)4.3设计的软件环境简介 (21)4.4主要模块软件设计流程图 (23)4.5本章小结 (24)5系统的调试结果 (25)结论 (26)参考文献 (27)致 (28)附录1：部分主电路原理图 (29)附录2：部分主程序 (30)1．引言我国曾在上世纪90年代进行过视力残疾状况的调查，结果显示，我国有视力残疾患者近1400万，其中盲人约就有620万。
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)致谢 (25)参考文献 (26)附录 (28)1 绪论随着单片机技术的不断成熟和发展，人们对电子产品的需求转移到为人类的生活上来。
依据超声波测距原理辅助盲人行走，而超声波导盲杖目前国内市场罕见，与盲人需求相差甚大。
综合分析表明，解决好功能价格比与我国盲人购买力的矛盾，是开拓市场的关键。
导盲仪器作为用于为盲人指路的电子产品的一种，要想单片机使其控制方案更加优化、行进轨迹更加合理，自动控制应用在导盲仪器上是发展的必然趋势。
该系统具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小等特点。
1.1研究背景及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。
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。
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。
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 导盲杖的整体设计思想本次设计是研发电子导盲杖，主要是利用超声波测距技术，在遇到障碍物时，获得障碍物的距离信息，通过单片机控制语音模块，从而发出不同的报警录音，达到导盲的作用。
主要内容如下：1）根据测距技术的特点，进行电子导盲杖的整体研究和设计。
2）针对电子导盲杖的整体功能来焊接各个模块的电路。
3）对超声波发射模块进行论证和设计，产生用于测量的超声波。
4）对超声波接受模块进行论证和设计，接收反射回来的超声波。
5）研究和学习使用语音模块，学会如何往模块里面录音，和如何控制放音。
6）进行数据采样电路的设计与分析，对发射和接收波的时间进行测量，计算距离。
7）根据距离来驱动语音模块进行放音。
超声波测距的原理是利用超声波的发射和接收，根据超声波的传播时间来计算出传播距离，根据距离是否超过预定距离（本次设定的距离为2m），如果超出需要播放不同的录音。
实用的测距方法有两种，一种是在被测物体的两端，一端发射，一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是利用发射波被物体反射回来后接受到的反射波方式，适用于测距仪。
此次设计采用反射波方式。
测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。
超声波传感器是一种压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。
由于超声波在空气中传播会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择高频率的传感器，而长距离测量时应选择频率低的传感器。
由于信号在初始状态下很微弱，需要进行信号放大。
系统整体设计的原理图如图1-1所示：图1-1 系统原理图2 导盲杖的整体设计及原理2.1超声波的概述2.1.1超声波简介科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹(Hz)。
我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz～20000Hz。
当声波的振动频率小于20Hz 或大于20KHz时，我们便听不见了。
因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。
通常用于医学诊断的超声波频率为1兆赫兹～5兆赫兹。
理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大.在中国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度，这就是超声波加湿器的原理。
如咽喉炎、气管炎等疾病，很难利用血流使药物到达患病的部位，利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够提高疗效。
利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。
超声波在医学方面应用非常广泛，像现在的彩超、B超、碎石（例如胆结石、肾结石祛眼袋之类的）,还能破坏细菌结构，对物品进行杀菌消毒。
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形式。
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，超出了人耳听觉的一般上限（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模式，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，其不同点是超声波频率高，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，目前腹部超声成象所用的频率范围在2∽5兆Hz之间，常用为3∽3.5兆Hz（每秒振动1次为1Hz，1兆Hz=10^6Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在16－20000Hz之间）。
超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律没有本质上的区别。
但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。
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，该特性就越显著。
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。
空化作用──当超声波在介质的传播过程中，存在一个正负压强的交变周期，在正压相位时，超声波对介质分子挤压，改变介质原来的密度，使其增大；在负压相位时，使介质分子稀疏，进一步离散，介质的密度减小，当用只够大振幅的超声波作用于液体介质时，介质分子间的平均距离会超过使液体介质保持不变的临界分子距离，液体介质就会发生断裂，形成微泡。
这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。
微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，且加速溶质的溶解，加速化学反应。
这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。
2.1.2超声波的传播超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此，利用超声波的这种性质就可以制成超声波传感器。
超声波是波的一种，它的传播完全符合波的传播特点。
所以超声波在介质中传播的波形取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波。
通常超声波有如下三种波形：（1）纵波。
当媒质中各体元振动的方向与波传播的方向平行时，此超声波为纵波波形。
任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。
纵波可以在气体、液体、固体介质中传播。
（2）横波。
当媒质中各体元振动的方向与波传播的方向垂直时，此种超声波为横波波形。
