毕业论文基于超声波技术的导盲杖设计(论文)

基于超声波技术的导盲杖设计论文龙剑 赵凤娟 李伟钦 邹东江 强进指导老师：谭永宏（湖南科技学院 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米范围内障碍物，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内腔为空体式，内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米内脸部，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 2.53万美元 ,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、大角度范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 系统原理及框图系统原理描述：系统主要由一个主控制器、三对超声波测距模块和一个语音报警模块及振动模块组成。系统工作时三对超声波测距模块对三个不同方向的障碍物距离进行巡回检测，再将采集到的信息送微处理器处理，微处理器再通过语音模块告知使用者安全的行进方向。其系统总体框图如图1.1.1所示。图1.1.1 系统总体框图1.1.2 系统具体方案超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波；另一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率，功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距离测量方面较为常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求并综合各方面因素，本设计决定采用STC89C52单片机作为主控制器，采用压电式超声波换能器，采用ISD1700系列语音芯片进行语音播报。二 硬件系统设计2.1 超声波发射电路超声波发射电路主要由反相器HEF4069UBP和超声波换能器构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反相器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反相器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R10、R11一方面可以提高反相器HEF4069UBP输出高电平的驱动能力；另一方面可以增强超声波换能器的阻尼效果，以缩短其自由振荡的时间。压电超声波转换器的功能：利用压电晶体谐振工作。它有两个压电晶片和一个共振板。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，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器；如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同。 超声波发射电路如图2.1所示。 图2.1 超声波发射电路2.2 超声波接收电路超声波接收模块主要由集成电路CX20106A红外线检波接收的专用芯片组成，芯片引脚说明如下：l脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。2脚：该脚与GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R或减小C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R=4.7，C=3.3F。3脚：该脚与GND之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3F。4脚：接地端。5脚：该脚与电源端VCC接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200k时，fn42kHz，若取R=220k，则中心频率f038kHz。6脚：该脚与GND之间接入一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22k，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会输出低电平。8脚：电源正极，4.5V5V。超声波接收电路如图2.2所示：图2.2 超声波接收电路2.3 语音播报电路本设计语音芯片采用ISD1700系列芯片，ISD1700系列芯片是华邦公司新推出的单片优质语音录放电路，该芯提供多项新功能，包括内置专利的多信息管理系统，新信息提示（vAlert）,运作模式（独立&嵌入式），以及可定制的信息操作指示音效。芯片内部含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内等的全方位整合系统功能。2.31 特点1）可录、放音十万次，存储内容可以断电保留一百年。2）两种控制方式，两种录音输入方式，两种放音输出方式。3）可处理多达255 段以上信息。4）有丰富多样的工作状态提示。5）多种采样频率对应多种录放时间。6）音质好，电压范围宽，应用灵活。2.32 电特性1）工作电压：2.4V-5.5V,最高不能超过 6V。2）静态电流：0.5-1A。3）工作电流：20mA。 图2.32 芯片实物图与引脚图用户可利用震荡电阻来自定芯片的采样频率，从而决定芯片的录放时间和录放音质。下表为 ISD1700 的参数表： 表2.32 ISD1700参数表2.33独立按键工作模式 ISD1700的独立按键工作模式录放电路非常简单，而且功能强大。不仅有录、放功能，还有快进、擦除、音量控制、直通放音和复位等功能。这些功能仅仅通过按键就可完成。 在按键模式工作时，芯片可以通过LED管脚给出信号来提示芯片的工作状态，并且伴随有提示音，用户也可自定4种提示音效。 录音操作： 按下REC键，/REC管脚电平变低后开始录音，直到松开按键使电平拉高或者芯片录满时结束。录音结束后，录音指针自动移向下一个有效地址。而放音指针则指向刚刚录完的那段语音地址。 放音操作 ： 放音操作有两种模式，分别是边沿触发和电平触发，都由 PLAY管脚触发。1）边沿触发模式点按一下 PLAY 键，PLAY 管脚电平变低便开始播放当前段的语音，并在遇到EOM标志后自动停止。放音结束后，播放指针停留在刚播放的语音起始地址处，再次点按放音键会重新播放刚才的语音。在放音期间，LED灯会闪烁直到放音结束时熄灭。如果在放音期间点按放音键会停止放音。 2）电平放音模式 如果一直按住PLAY键，使PLAY管脚电平持续为低，那么会将芯片内所有语音信息播放出来，并且循环播放直到松开按键将 PLAY 管脚电平拉高。在放音期间LED闪烁。当放音停止，播放指针会停留在当前停止的语音段起始位置。 快进操作： 点按一下FWD按钮将FWD端拉低，会启动快进操作。快进操作用来将播放指针移向下一段语音信息。当播放指针到达最后一段语音处时，再次快进，指针会返回到第一段语音。当下降沿来到FWD端时，快进操作还要决定于芯片当时的状态： 1）如果芯片在掉电状态并且当前播放指针的位置不在最后一段，那么指针会前进一段，到达下一段语音处。2)如果芯片在掉电状态并且当前播放指针的位置在最后一段，那么指针会返回到第一段语音处。 3)如果芯片正在播放一段语音（非最后一段），那么此时放音停止，播放指针前进到下一段，紧接着播放新的语音。4)如果芯片正在播放最一段语音，那么此时，放音停止，播放指针返回到第一段语音，紧接着播放第一段语音。 擦除操作： 擦除操作分为单段擦除和全体擦除两种擦除方式，区别如下： 1)单个擦除只有第一段或最后一段语音可以被单个擦除。点按一下ERASE键将 ERASE 管脚拉低，这时具体的擦除情况要看播放指针的状态： 如果芯片空闲并且播放指针指向第一段语音，则会删除第一段语音，播放指针指向新的第一段语音（执行擦除操作前的第二段）。 如果芯片空闲并且播放指针指向最后一段语音，则会删除最后一段语音，播放指针指向新的最后一段语音（执行擦除操作前的倒数第二段）。 如果芯片空闲并且播放指针指向没有指向第一或最后一段语音，则不会删除任何语音，播放指针也不会被改变。 如果芯片当前正在播放第一段或最后一段语音，点按下ERASE键会删除当前语音。 2)全体擦除当按下ERASE键将ERASE管脚电平拉低超过2.5秒钟，会触发全体擦除操作，删除全部语音信息。复位操作：如果用RESET控制此管脚，建议 RESET 管脚与地之间连接 一个 0.1 F 电容。当 RESET 被触发，芯片将播放指针和录音指针都放置在最后一段语音信息的位置。 音量操作： 点按一下VOL键将VOL管脚拉低会改变音量大小。每按一下，音量会减小一档，再到达最小档后再按的话，会增加音量直到最大档，如此循环。总共有8个音量档供用户选择，每一档会改变4dB。复位操作会将音量档放在默认位置，即最大音量。FT 直通操作： 按住 FT 键将 FT 管脚持续保持在低电平会启动直通模式。出厂设定的是在芯片空闲状态，直通操作会将语音从 Analn 端直接通往喇叭端或 AUD 输出口。在录音期间按下 FT 键，会同时录下 Analn 进入的语音信号。2.3.4 管脚功能说明：管 脚名 称 PDIP/SOIC管脚TSOP管脚 引脚说明 VCCD 1 22 数字电路电源 /LED 2 23 LED 指示信号输出 /RESET 3 24 芯片复位 MISO 4 25 SPI 接口的串行输出。 ISD1700 在 SCLK 下降沿之前的半个周期将数据放置在 MISO 端。数据在 SCLK 的下降沿时移出 MOSI 5 26 SPI 接口的数据输入端口。主控制芯片在 SCLK 上升沿之前的半个周期将数据放置在 MOSI 端。数据在 SCLK 上升沿被锁存在芯片内。 SCLK 6 27 SPI 接口的时钟。由主控制芯片产生，并且被用来同步芯片 MOSI 和 MISO 端各自 的数据输入和输出。此管脚空闲时，必须拉高。 /SS 7 28 为低时，选择该芯片成为当前被控制设备并且开启 SPI 接口。空闲时，需要拉高 VSSA 8 1 模拟地 AnaIn 9 2 芯片录音或直通时，辅助的模拟输入。需要一个交流耦合电容（典型值为 0.1uF ），并且输入信号的幅值不能超出 1.0Vpp 。 APC 寄存器的 D3 可以决定 Analn 信号被立刻录制到存储器中，与 Mic 信号混合被录制到存储器中，或者被缓存到喇叭端并 经由直通线路从 AUD/AUX 输出。MIC+ 10 3 麦克风输入 + MIC- 11 4 麦克风输入 - VSSP2 12 5 负极 PWM 喇叭驱动器地 SP- 13 6 喇叭输出 - VCCP 14 7 PWM 喇叭驱动器电源 SP+ 15 8 喇叭输出 + VSSP1 16 9 正极 PWM 喇叭驱动器地 AUD/ AUX 17 10 辅助输出，决定于 APC 寄存器的 D7 ，用来输出一个 AUD 或 AUX 输出。 AUD 是一个单端电流输出，而 AuxOut 是一个单端电压输出。他们能够被用来驱动一个外部扬声器。出厂默认设置为 AUD 。 APC 寄存器的 D9 可以使其掉电。 AGC 18 11 自动增益控制 /VOL 19 12 音量控制 ROSC 20 13 振荡电阻， ROSC 用一个电阻连接到地，决定芯片的采样频率 VCCA 21 14 模拟电路电源 /FT 22 15 在独立芯片模式下，当 FT 一直为低， Analn 直通线路被激活。 Analn 信号被立刻从 Analn 经由音量控制线路发射到喇叭以及 AUD/AUX 输出。不过，当在 SPI 模式下， SPI 无视这个输入，而且直通线路被 APC 寄存器的 D0 所控制。该管脚有一个内部上拉设备和一个内部防抖动电路 ，允许使用按键开关来控制开始和结束。 /PLAY 23 16 播放控制端 /REC 24 17 录音控制端 /ERASE 25 18 擦除控制端 /FWD 26 19 快进控制端 RDY / INT 27 20 一个开路输出。 Ready( 独立模式 ) 该管脚在录音，放音，擦除和指向操作时保持为低，保持为高时进入掉电状态。 Interrupt(SPI 模式 ) 在完成 SPI 命令后，会产生一个低信号的中断。一旦中断消除，该脚变回为高。 VSSD 28 21 数字地 表2.3.4 ISD1700管脚功能说明2.3.5 ISD系列芯片典型应用电路：图2.3.5（1） 按键控制电路图2.3.5(2) SPI控制电路三 软件系统设计3.1系统软件总体设计主程序首先要对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时/计数器模式，置位总中断允许位EA。然后调用超声波发生子程序送出八个超声波脉冲。为了避免超声波从发射器直接传到接收器引起的直射波，需要延时约0.1ms（这也就是超声波测距器会有一个最小可测距离的原因）后才可打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是12MHz的晶振，计数器每计一个数就是1us，所以当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按式（3-1）计算，即可得被测物体与测距器之间的距离。再通过逻辑判断，控制语音芯片播放对应的语音段。设计时取20时的声速为344m/s，则有d=（vt）/2=（172T/10000）cm （3-1）其中：T为计数器T0的计数值。图3.1 系统总体软件框图3.2 超声波测距器软件设计超声波测距的原理，既超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就会被超声波接收器R接收到。这样，只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。该距离的计算公式如下（3-2）： d=s/2(vt)/2 （3-2）其中：d为被测物于测距器的距离；s为声波的来回路程；v为声速；t为声波来回所用的时间。超声波也是一种声波，其声速v与温度有关。表3.2列出了几种不同温度下的超声波声速。实际情况下，温度每上升或者下降 1, 声速将增加或者减少 0.607m /s ，这个影响对于较高精度的测量是相当严重的。因此提高超声波测量精度的重中之重就是获得准确的当地声速。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。 下表3.2中显示了不同温度下超声波声速表：温度/ 30 20 10 0 10 20 30 100声波/（m.s） 313 319 325 323 338 344 349 386表3.2 温度与波速对照表3.3温度补偿程序设计当地声速对超声波测距测量精度的影响远远要比收发时间的影响严重。因此，获取当地的准确声速，对系统的测距精度起着决定性的作用。超声波在大气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成分的影响，即： (3-3-1)由上式(3-3-1)知，在空气中，当地声速只决定于气体的温度，因此获得准确的当地气温可以有效的提高超声波测距时的测量精度。工程上常用的由气温估算当地声速的公式如下： (3-3-2)式中C0=331.4m/s ；T为绝对温度，单位K。此公式一般能为声速的换算提供较为准确的结果。实际情况下，温度每上升或者下降 1, 声速将增加或者减少 0.607m /s ，这个影响对于较高精度的测量是相当严重的。因此提高超声波测量精度的重中之重就是获得准确的当地声速。 V=331.4+0.607T (3-3-3)由上述的误差分析知，如果能够知道当地温度，则可根据公式(3-3-3)求出当地声速，从而能够获得较高的测量精度。而问题的关键在于获得温度数据的方法。采用热敏电阻、热电耦、集成温度传感器都可以获得较为准确的温度值。 为了便于对温度信号的数据采集及处理，我们采用 DALASS 公司生产的 DS18B20 集成温度传感器。DS18B20采用了DALASS公司的 1-WIRE 总线专利技术，能够仅在占用控制器一个 I/O 口的情况下工作（芯片可由数据线供电），极大的方便了使用者的调试使用，而且其在 10 85 的工作环境下可以保持 0.5% 的使用精度，在这个空间内足以保证为超声波测距设备提供足够的精度范围。DS18B20温度读出流程图3.3所示。 图3.3 DS18B20温度读出流程图3.4语音播报程序设计ISD1700系列支持两中工作模式：按键模式与SPI模式。所谓按键模式，其实就跟普通录放机工作一样，通过按键来操作。它支持录音、放音、删除、快进、音量控制等按键。对于电路上的实现，其实就是相应管脚接个接地按钮。同时比起以前的ISD录音芯片，增加了提示音的功能，即当你按下录音键时，会自动发出一个声音。当然这个声音也可以进行自定义录音。另一种工作模式其实就是用控制器，如单片机等，对ISD1700芯片进行完全的控制。该模式可以实现按键模式下的所有操作，同时还增加了根据地址进行的一系列分段操作。ISD1700芯片将自己的存储声音数据的空间分成若干个段，每个段都有一个自己的地址。我们可以假设一个芯片有2M存储空间，然后每段分个512K，那么就可以分为4段。对于每段我们可以分别赋地址为0x00，0x01，0x10，0x11，然后就可以通过段地址进行段空间的操作。ISD1700的分段操作跟这个类似，通过段地址，我们可以删除某一部分存储空间，也可以播放或录制某一部分存储空间，这样我们就可以将不同段的声音连起来播放，自由组成相应的语句。本设计语音模块采用SPI模式。SPI（Serial Peripheral Interface）是一种串行同步通讯协议，由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备启动一个与从设备的同步通讯，从而完成数据的交换。SPI 接口由SDI（串行数据输入），SDO（串行数据输出），SCK（串行移位时钟），CS（从使能信号）四种信号构成，CS 决定了唯一的与主设备通信的从设备，如没有CS 信号，则只能存在一个从设备，主设备通过产生移位时钟来发起通讯。通讯时，数据由SDO 输出，SDI 输入，数据在时钟的上升或下降沿由SDO 输出，在紧接着的下降或上升沿由SDI 读入，这样经过8/16 次时钟的改变，完成8/16 位数据的传输。SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果 CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传 输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿 （上升或下降）数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。SPI时序如图3.4所示：图3.4 SPI时序图参考文献【1】楼然苗 李光飞 单片机课程设计指导 北京航空航天大学出版社 【2】刘亚杰 潘松峰 AT89C52超声波测距倒车防撞报警系统【3】耿标 超声波测距的原理及设计【4】韩丽茹 提高超声波测距精度方法综述【5】赵小强 简易超声波测距系统【6】李朝青编著 单片机原理及接口技术M 第3版 北京航空大学出版社【7】房鑫 基于FPGA技术的只能导盲犬 现代电机技术2010年第3期总第314期【8】时玮 孟军 刘波 温度修正的超声波测距控制设计 机械工程与自动化2005年第6期总第133期【9】樊高妮 何永强 单片机AT89C2051在超声波测距系统中的应用 湖南文理学院学报 第18卷第11期【10】白伟 一种提高移动式超声波测距系统测距精度的方法 吉林工程技术师范学院学报 第25卷第6期【11】孙牵宇 童峰 许肖梅 一种大角度范围的高精度超声波测距处理方法 厦门大学学报 第45卷 第4期【12】郑建光 金碧波 章皓 基于8051单片机语音控制系统的实现 自动化与仪器仪表 2006年第2期18