智能语音导盲系统设计--毕业论文.doc

本科毕业设计说明书（论文） 第 45 页 共 45 页1 绪论我国曾在上世纪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。从全国防盲技术指导组办公室得到的数据也显示1，我国有550万盲人，占世界盲人总数的1/5。随着人民生活水平的不断的进步，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，他们由于先天或后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。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。由于超声波的速度相对光速要小的多，其传播时间更加容易被检测，并且易于定向的发射，方向性较好，强度可以控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。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，测距和识别技术在工业中已经得到了普遍的运用与发展，如何把这种非接触式检测与识别技术应用到民用领域已变得十分重要了。1.1 课题背景及意义盲人既是我们普通人民中的一员，又是一个特殊群体，他们由于先天或后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和安全隐患。本设计就是为了避免盲人在行走时与前方障碍相撞。盲人导盲预警系统的运用可极大地减轻盲人的行走不便与安全隐患，降低且避免因盲人不辨障碍而导致的事故的发生，同时它将对提高人体智能化设计起到重要的意义。对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进行利用，同时因为超声波传感器结构相对简单、体积小、性价比高、信息处理简单而且可靠，易于小型化和集成化，并且可以进行实时控制等特点。所以这一项技术应用于导盲产品中将有广阔的发展前景。1.2 设计研究的内容本设计中超声波测距的设计是根据蝙蝠依靠超声波进行夜间飞行捕食的能力和原理，并且利用现在的单片机控制式超声测距系统，运用超声波一来一回确定目标位置的原理，主要是通过超声波传感器发送和接受超声波，然后通过对比分析发射的波与遇到障碍物后的回波信息，这样就完成了超声波导盲仪的数据采集部分。本设计系统的单片机是使用AT89S52芯片，主要运用的原理也是超声波测距方面的。通过组装和协调各个硬件完成该装置的硬件部分，该装置可以把盲人前方道路上遇到的一定范围内的障碍物进行距离探测并且可以将障碍物距离盲人多少米转换成实时语音提示, 通过语音提示盲人可以知道前方是否有障碍物，从而进行危险躲避。该系统有很多其他产品所不具备的特点比如：电路结构简单，元器件价格便宜。电路的抗干扰性强。因为盲人在夜晚行走时，行人和车辆不容易发现，可能对盲人的生命构成危险，所以本设计还需要增加夜间灯光的设计。选择运用光敏电阻，通过检测周围环境的亮度就相当于电阻灯光电路的通断开关,并把提示灯的亮度转化为相对逻辑的红色警示闪光灯。用来提醒来往行人和车辆避让。另外还有快闪提示，当有快速物体靠近时，有相应的语音提示。1.3 论文结构第1章本章主要介绍了设计超声波导盲拐杖的背景及意义。对设计研究的大致内容做了概述。第2章首先是超声波的概论以及测距原理的注意点，并提出了本设计的测距方案。第3章只要是系统的硬件部分首先提出设计思路然后画出硬件电路设计框架，然后详细的给出了硬件电路中使用了的各个模块关键元器件的说明。第4章智能语音导盲仪的软件设计，首先是说明软件是设计环境，然后给出软件的编程流程图，然后准备编程进行程序的仿真。第5章是对系统调试的分析，通过理论数据与实际所得结果的对比得出误差，然后就可以改正原来的系统从而进行改进。第6章结束语主要是介绍本次毕业设计中所遇到的困难，以及对自己所学专业的深刻认识。2 超声波测距的工作原理及方案论证2.1 超声波概述声音是自然界生物之间沟通交流的工具，声音在人类发展的初期就已经产生了，在我们所存在的大千世界中存在着各种各样丰富多彩的声音。在科学的发展道路上，声学早就是一个古老而又充满活力的学科。但是人的耳朵是听不到超声波信号的，大概到了十八世纪，人们发现海豚、蝙蝠等生物的别具一格然后开始了研究，才发现自然界存在一种波叫超声波。声波是一种机械波并且在液体、气体、固体中都是可以传播的。按照声波的振动频率来划分，声波可以分为四种不同高低频率的波：频率范围处于16kHz20kHz之间的机械振动波2，定义为声波，人的耳朵可以听见；频率小于16kHz的机械振动声波被称为次声波；频率高于20kHz的机械震动声波被称为超声波；高于10MHz的机械振动波被称为特超声波。产生声波必须具备两个条件第一要有振动源的质点，第二要有传播声波的介质，声波在某些条件下是不好传播的。另外单单具备以上两个条件也是不行的，质点振动时还不能随波的移动而移动，而且质点只是在平衡点的上下进行机械波的振动，这就和我们大学物理所学的电磁波的原理有点类似，但是区别也很大，比如电磁波也是一种机械波，但是不需要要有固液气三种形态的物质进行传播，还有就是光波与声波也是不一样的，光波既是粒子的又是机械的也是不需要传播介质的；电磁波的传播速度和光的传播速度一样都是3108m/s，然而超声波的传播速度只有340m/s，从速度上来看超声波的速度比电磁波的速度慢很多，根据波的理论原理两个相同频率的波，波长短的可以提高超声波测距的分辨能力；超声波在同一种介质中的传播速度是一样的，就是你只要传播的介质是相同的频率的不同是不会改变超声波的传播速度，波的波动方向是和质源振动的方向是相同的，所以说超声波是一种上下振动的弹性机械波，它的传播必须要借助于介质分子的运动。折射、反射、散射、衍射等物理现象一般发生在声波穿过两个不同介质的临界面。超声波也是一种声波所也具备也具备人耳能听到的可听波的性质。但是毕竟频率有所不同所以超声波总是有她的特别之处，与平常人耳所听到的波应该有不同的性质，比如方向性很好不会随意的因为外因而改变方向，波的加速时间快，最显著的特点就是其波长比较的短，最短的只有毫米的千分之一，足见与可听波相比，超声波确实有很多特别的性质。超声波传播特性超声波的频率高所以波长就比较短，当超声波穿过障碍物时，障碍的大小尺寸应该比超声波的波长大很多，由此我们得出超声波穿过障碍物时衍射的将几乎不可能发生，超声波的传播也是定向直线传播除非传播的介质不是均匀的，根据现在波学的理论，当波长越短时，波是很难发生衍射的，所以超声波在这方面拥有其独特的一面。超声波功率特性当声音在空气中传播时，必然将带动空气中的分子或者微粒做着振源的上下周期性振动产生了做功。声波功率就是衡量声音做功快慢的物理量。科学验证表明在同一频率下，声波的频率越高所产生的功率就越大。超声波的频率都是大于20kHz，所以和普通的声波相比超声波的频率是很大的。2.2 超声波传感器超声波传感器是根据超声波的特性研制而成的传感器，可用于发射和接受超声波，其既可以把超声波转换成其他形式的能量，也可以将其他形式的状态转换成超波的存在形式。运用超声波传感器的电路具备以下几方面的优点： （1）测量的原理和方法简单，在电路中容易实现。 （2）测量的精确度高，能够准确的测出物体的距离。 （3）超声波传感器发出的超声波具有一定的范围，覆盖性广，因此测量时并不需要使用许多的传感器，因为每个传感器都是覆盖一定的范围，节约了成本。2.3 超声波测距中盲区及远限和近限用往返时间检测法测量距离时，障碍物与超声波传感器间的距离既不能太远也不能太近，存在着距离测量的近限和远限。距离过远时，接收到的信号太弱，以致无法从噪声信号中分辨出来，这是远限存在的原因3。在距离过近时，接收信号将落进盲区中而无法分辨出来，这是近限所以存在的原因。所以，设计中要尽量减小盲区，同时提高检测的距离精度。减小盲区措施 ： （1）压缩脉冲宽度传输端采取降低振荡脉冲或单个脉冲的幅值的措施，降低了余震（拖尾），这种方法通常用于短距离的测量使用。 （2）采用自动距离增益控制使用接受放大器必须具备自动增益控制的功能，这样近距离所产生的增益将会变小，距离远时的增益又比较大，这样就可以使发射信号的余震幅值变得小了，也可以分辨并接受近处的返回信号，当然就可以减少盲区了。另外，也可以时测量远处障碍物时返回信号的幅值变大从而提高了距离测量的精度。 （3）信噪比问题超声波测量的距离总是有上限的。接收信号的幅值决定了量程，返回信号的幅值必须要大于阈值。这阈值值决定信噪比，这个时候就需要对周围环境的噪声就行频谱分析，尽量是使超声波的频率与周围噪声的频率不相同。 2.4 超声波测距的方案超声波测距和超声波检测所使用的方法是相同的。超声波测距大体上可以分为三种方法分别是声波幅值法、往返时间法、以及相位检测法。这三种方法当中相位发的精确度是最高的，但这种方法的检测范围并不是很大，声波幅法的弊端在于容易被反射波所影响，目前超声波测距这一快使用最多的方法是往返时间法。往返时间法的基本原理就是在晓的声波的在某种介质中的传播速度，然后通过计算发射和接受信号分别遇到障碍物的时间差来求的障碍物的距离，原理图如图2.1所示。详细的来讲只要激励电路产生一个40kHz的激励脉冲给超声波传感器，再由传感器内部电路将其转换成机械能，机械振动然后通过空气分子的振动而传送出去，发射的超声波信号在空气中时沿一条直线传播的，一旦超声波的信号遇到物体就会发生反射4。传感器在接收到返回信号后再通过压电原理把声波转换成电压电流等电量信号。传感器此时得到的电压信号还是比较微弱的，需要经过一个放大器方法后才可以被传感器的识别芯片所采集。定时器控制计算传输调制计时振荡脉冲增益放大超声波发射超声波接受 图2.1 超声波测距原理图超声波传感器使用发射头发射超声波，当超声波遇到障碍物时超声波就会返回，然后用超声波接受头来接受超声波反射信号，因为超声波在均匀介质中的传播速度是固定的，所以只要知道传播的时间就可以简单的算出障碍物的距离，因此本设计采用双探头的方式。声波是以纵波的形式在空气中传播的。当尺寸大于对目标物体的声波的波长将阻止发生反射；反射波被人们称为回声。假设我们知道了超声波在某种介质中的传播速度，并且我们可以通过测量知道超声波发射和接受所知道的时间，然后算出时间差就得到了超声波传播的时间了，然后就可以算出障碍物的距离5。这就是本设计超声波测距的原理。本设计的传输介质是空气，采用超声波来测距。在室温下声波的传播速度为339m/s，传播介质是空气，超声波从发射开始到超声波遇到障碍物返回并被接受的时间为t,那么振源距离障碍物的距离可以由式（2.1）求得： 式（2.1） 因为超声波所经过的路径是声源和障碍物之间的两倍，所以发射器距离障碍物的距离应该是d/2。单探头方式就是超声波探头发射超声波，然后遇到障碍物后返回，接受返回信号使用原来的发射探头。假设超声波探头与障碍物之间的距离为S，则测距如式（2.2）： 式（2.2）式（2.2）中：S是所测障碍物的距离，c是超声波在均匀介质中的传播速度，t是超声波从发射到被接受所使用的时间。从式（2.2）中可以看出，只要声音的传播速度已知，在测量出超声波的传播时间t后就可以准备的计算出障碍物距离S。2.5 本章小结本章对设计中用到的超声波技术进行了一个系统性的说明。包括对超声波的说明，超声波传感器的优点，超声波测量中盲区及近限和远限，以及本次设计所要用到的超声波测距技术的原理。3 智能导盲仪硬件系统设计3.1 设计实现的功能超声波测距是根据超声波在空气的传播速度恒定通过记录传播时间来求出距离的。根据从发射超声波到接收到回波的时间和声音的速度在这个时候的传播速度，它可以被用来计算该障碍物的距离。因为空气中的衰减，噪音和环境以及电路本身的超声波传播具有一定的限制，测量的距离，障碍物限制距离的回波将不检测；在同一时间，在接收用探头发射的超声波的效果，测量距离大于最小距离下，障碍物回声将无法分辨信号和干扰信号之间的差值。系统所测量的障碍物的距离必须要在上下限范围之内。当系统检测到一定范围的障碍物时，会发生警报和相应的语音提示。语音播报模块主要是处理超声波返回信号，把模拟量转换成电量信号，然后通过给单片脉冲，通过单片来实现语音播报的控制，从而实现危险提醒，也可以通过语音播报模块的按键来实现实时的报距。AT89S52单片机在预警系统模快的作用就是作为开关来控制语音输出模块，还包括语音警报提示，夜间LED闪烁灯光，让使用者在灯光比较暗的情况下也能确保行路的安全。稳压电源也是电路设计比较关键的部分，一个稳定的稳压电源电路可以使电路各部分的运行都比较稳定，另外电源的稳定性也会使电路的安全和寿命得到保障。3.2 设计思路智能导盲拐杖硬件电路设计是一项系统的工程，它涉及到许多方面，包括单片机、超声测距系统、开关控制系统、温湿度采集系统、声光报警系统、电源等的选择。在开始设计之前，需要对这个设计模块之间的关系进行了解。更具实物要实现的功能，需要把模块进行细节化，分析单个模块内部的引脚功能，本设计主要是以AT89S52单片机作为系统的控制系统，然后以此来控制各个模块运转，整个系统运用的是回波法的测距原理，其结构框图如图3.1所示。发射模块接受模块控制系统蜂鸣器数据显示 图3.1 智能导盲预警系统结构框图3.3 硬件电路设计该系统由单片机，超声波发射和接收电路，显示电路，语音模块和光报警模块，控制核心芯片。 单片机在接收到传感器的信号后产生对应低电平使语音芯片开始工作，语音芯片发出相应的振动提示或语音提示。本系统工作原理示意图如图3.2所示。调试功能测试稳压电源单片机语音报距超声波检测快闪提示报警功能 图3.2 系统工作原理示意图本设计系统主要有以下几个模块：（1）单片机控制模块也就是单片机，是整个系统最智能的地方，也是整个系统的中央处理器，处理数据的传输和分析（2）超声换能模块超声波的发射模块主要是由包括超声波的激励脉冲产生电路和超声波探头组成，由单片机通过软件产生激励脉冲然后传送给超声波探头进行发送。回波信号电路由四大部分组成，分别是前置比例放大电路、程序控制的放大电路以及超声波的信号过滤电路。一般还需要将超声波的回波信号转换成电量信号的电压，还需经过放大器对信号进行放大处理然后通过滤波器的滤波后才能得到幅值和信噪比符合要求信号，只有这种经过处理后的信号才能被处理。（3）电源模块电源模块是为整个系统提供稳定的供电电源，使系统不会出现电源不稳定影响运行的现象。 （4）语音播报模块主要是实时距离语音播报，快闪躲避的语音提醒。 （5）快闪检测模块该模块是当一个物体快速接近超声波探头是，系统能够有躲避危险的语音提示。3.4 单片机主控模块AT89S52是一个高性能CMOS的8位存储单片机，拥有8K字节的可编程闪存，并具有低功耗的特点，使用的是Atmel国际公司高密度非丢失性存储器的制造技术，引脚与采用同样技术的8031和80C51是完全兼容的，主要得益于所采用的制造工艺的相同6。片上的Flash不仅可以把程序存储也可也对程序进行修改，并且他的程序与我们平时所使用的编程器也是兼容的。在单一芯片上，具有8位CPU的系统内可编程Flash与多变的AT89S52提高了生产产品的灵活度，并超有效的解决了嵌入式控制方案在电路中的应用。其具有以下标准功能：8 K字节的闪存、256字节的RAM、32个I / O线、看门狗定时器、2个数据指针、3个16位定时器/计数器、1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单片机可在0Hz的时候进行静态的逻辑运算，并且还可以支持两个软件可选性节约用电的模式。在空闲模式下，CPU是停止工作的但是RAM还是允许被访问的，像定时器、串口、中断脉冲等还是可以继续工作的。当单片机突然失去电之后，单片机会才去保护措施，自动保存RAM的内容，并且停止振荡器的工作，单片机的所有运转在没有电能的情况下将被停止，知道单片机接受到下一个中断脉冲信号或者是按了复位电路，不然单片机就会保持现有的状态。AT89S52引脚如图3.3所示。 图3.3 AT89S52引脚图引脚说明（1）P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位都能驱动8个TTL逻辑电平。在P0端口写“1”时，该引脚用为高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以被用作低8位地址/数据的复用。在这种模式下， P0不具有内部上拉电阻的特性。在使用Flash编程时，P0口也被用来接收指令字节；并且能在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻的帮助。（2）P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O口，P1的输出缓冲器能同时驱动4个TTL逻辑电平。P1口，写“1 ”时，内部上拉电阻拉端口，它可以被用作输入。作为输入时，引脚被外部拉低的原因是由于内部电阻或者输出电流。 此外，P1.0和P1.1还可以分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX）。 在编程和校验的时候，端口接收低8位地址字节。引脚号第二功能：P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出。P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）。P1.5 MOSI（在系统编程用）。P1.6 MISO（在系统编程用）。P1.7 SCK（在系统编程用）。（3）P2口：P2 口也是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 口的输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口，那么你可以使用作为输入端口。当被作为输入时，外部向下引线由于内部电阻和输出电流。当访问外部程序存储器或读取外部数据存储器（如执行）与位地址，端口发送高八地址。在这种应用中，P2 口必须使用很强的内部上拉电阻来发送1。在使用 8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在Flash编程和校验时，P2口也能够接收高8位地址字节和一些控制信号的程序。 （4）P3口：是一个具有内部上拉电阻的位双向口，输出缓冲器能驱动4个逻辑电平。端口写“1”时，内部上拉电阻把端口，那么你可以使用作为输入端口。当作为输入，外部向下引线由于内部电阻和输出电流。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用。Flash编程和验证，P3还接收一些控制信号。端口引脚第二功能：P3.0 RXD（串行输入口）、P3.1 TXD（串行输出口）、P3.2 INTO（外中断0）、P3.3 INT1（外中断1）、P3.4 TO（定时/计数器0）、P3.5 T1（定时/计数器1）、P3.6 WR（外部数据存储器写选通）、P3.7 RD（外部数据存储器读选通）。另外，P3还接收一些控制信号的Flash编程和验证。（5）RST：复位输入。当振荡器工作时，RST的引脚会发出至少两个周期以上的高电平来使单片发生复位。（6）ALE/PROG：当访问外部存储器时，ALE（地址锁存使能）引脚输出脉冲的低8位字节锁存地址。一般情况下，ALE将会以时钟振荡频率的1/6来输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。存储器编程的时候，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。（7）PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，两个PSEN每个机器周期，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 （8）EA/VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。EA端为高电平（VCC接端）,CPU正在执行。当闪存编程，加上销电源允许编程，当然，这必须是一个的编程电压的装置。（9）XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 （10）XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。本次设计是以AT89S52作为控制模块加上其他的一些外部电路所组成，其最小系统如图3.4所示，是这个导盲仪的核心控制部分。AT89S52是一个高性能CMOS的8位存储单片机，拥有8K字节的可编程闪存，并具有低功耗的特点7。采用Atmel的高密度非易失性存储器技术制造，与工业产品订单和引脚完全兼容。片上的Flash不仅可以把程序存储也可也对程序进行修改，并且他的程序与我们平时所使用的编程器也是兼容的。在单一芯片上，具有8位CPU的系统内可编程Flash与多变的AT89S52提高了生产产品的灵活度，并超有效的解决了嵌入式控制方案在电路中的应用。 图3.4 单片机电路结构AT89S52单片机的RST引脚需要接两个周期的高电平并且这些高点必须是持续不断的，此时单片内部就执行着复位的指令。如果发现单片机的这个引脚一直是处于高电平的状态，则表示单片机一直处于复位不断循环的状态。在实际的使用中，单片机的复位操作有两种形式：第一种是上电复位，第二种就是按键与上电组个的复位指令，在外部请求打开电源就执行复位的指令。此时RST的引脚就会很快得到一个高电平，此时电容C1就会充电，电容两边就有电压，所以慢慢的RST引脚上的电压将会一点点的下降直到平衡。RST引脚的高电平是有一定的保持时间的，一般最长为2个机器周期，在高电平消失后单片机就可以进行复位操作了。复位电路的目的就是在需要电路复位时能够及时的复位，从而修正之前的错误，确保电路的正常循环，如图3.5所示。 图3.5 复位电路3.5 超声波换能模块就目前世界上对测距这一领域主要运用的手段有激光、毫米波雷达、摄像系统、红外线、超声波等一些测距技术，使用不同的测距技术所涉及的原理和方法也是不相同的，但是又有一点是相同的都必须要有一个发射和接受回波的过程。下面是各个测距技术性能之间的比较如表3.1所示。表3.1 各传感器性能比较超声波红外线摄像系统毫米波雷达激光最大探测距离10m10m大于100m大于150m可达到150m响应时间较快约为15ms 慢110ms取决于处理时间快可达到1ms较快约10ms探头磨损，污染等因素的影响几乎没有影响影响不大大，直接影响分辨能力较小很大，使探测距离减小1/21/3 成本比较探头约一支20元，工作机理简单，探头易安装约80元大于1000元大于1500元价格昂贵，结构复杂约500元环境适应性好，可以在恶劣环中工作差，但在能见度低时比其他光学系统好差，可见性不好条件下无法工作较好，不受能见度影响差，受恶劣环境影响通过表3.1的数据我们可以对各种测距技术进行比较，可以看出本设计使用超声波设计方案是最简单实用的，并且我们还需要在超声波技术上进行系统的简化和改正。根据发射和接收超声换能器是否同体，可以把超声波换能器分为收发同体和收发分体两种形式。收发同体其实就是超声波的发射和接受都是同一个传感器完成的，探头能发射超声波，亦也能接受超声波；收发分体是指超声波的发射和超声波的接受使用的不是同一个探头。为了是电路设计简单化，考虑到电路设计的成本本次设计采用的超声波模块是HY-SRF05，图3.6所示为超声波的超声波测距模块的实物图。 图3.6 HY-SRF05超声波测距模块实物图HY-SRF05超声波测距模块可以非接触式的测量距离在2cm450cm以内的物体，精度可达到3mm，模块包括一个超声波接收和一个发送控制电路。几个引脚的功能各自是VCC接5V电源，GND是接地的，TEING是通过触发来控制信号的输入，ECHO的功能是回想信号的输出8。基本工作原理（1）采用I/O端口TRIG触发方式，最少要给予10us的高电平信号。（2) 发射探头能都自动的发射8个的40kHz的方波信号，并通过接受探头自动检测是否返回。（3）有信号发射或接受时，通过I/O口的ECHO端口输出高电平，超声波从发射到返回所使用的时间就是高电平连续工作的时间9。下面介绍的是一种压电陶瓷式收发同体超声波传感器。其中心频率为40kHz，10V的发射电压，在大气压是0dB=0.02m/Pa的条件下是95dB；40kHz中心频率是在接收灵敏度之内的，在大气压是0dB=10V/pa的条件下是-65dB；静电容量为1260pF2340pF；探测距离为0.2m3m；-6dB下的指向角为60。这种压电收发同体的声压方位发射特性图如图3.7所示。图3.7 发射声压方位特性图HY-SRF05型超声波集成模块的工作电压为5V，而且此模块的静态工作电流是小于2mA的，工作时候相对稳定。测量角度为15，减少了可能存在的角度干扰问题。这个超声波模块能够进行2 cm5 m的测距，基本上符合本设计的要求，并且测量精度也比较的高可用达到0.3cm，盲区仅为2cm，完全可以能够满足本设计的测距要求，测距的时候数据的波动也比较小，很稳定10。在I/O触发位置，需要给至少给我们一个10us高电平信号。HY-SRF05电气参数如表3.2所示。 表3.2 HY-SR05电气参数电气参数HY-SRF05工作的电压DC 5V工作电流15mA工作频率40Hz最远射程4.5m最近射程2cm测量角度15输入触发信号10us的TTL脉冲输出回响信号输出TTL电平信号，和发射距离成正比规格尺寸45*20*15mm超声波传感器需要换能电路来实现功率驱动。超声波的发射器也需要一定的脉冲信号，采用激励就可以解决脉冲的问题。根据本设计的设计需要发射电路需要满足一定的要求。（1）振荡电路振荡频率可调40kHz的脉冲由振荡电路产生，然后这个脉冲再提供给超声波传感器。当加载频率相同的超声波传感器信号频率以共振频率，效率高，电能转化为机械能的机械声波。 （2）驱动能力较高超声波发射器需要功率足够大的脉冲信号，这个脉冲由驱动电路产生。当脉冲信号产生后，我们还需要注意的是脉冲的宽度、功率以及它的频率都是固定的否则很有可能不能去动发射器，再由发射器将所受到的脉冲电量转换成机械波，能量的转换是成了机械能。 （3）I/O口控制超声波换能器的驱动主要是靠功率驱动电路来对进行功率驱动的，驱动放大电路经过足够大功率放大之后，才能推动超声波换能器发射超声波。在空气中传播是超声波的能量会随着距离的变远而出现衰落，经过目标反射回来的超声波的回波信号弱，如果物体的距离比较的远那么波的衰减可能只有毫伏级了，有的甚至只有微伏级。因此，为了提高超声波测距系统的范围，需要的驱动电路。所以目前需要解决接受信号微弱问题，接受电路需要把能量微弱的信号经过放大后然后整形滤波。此超声波测距模块可以非接触式的测量距离在2cm450cm以内的物体，精度可达到3mm。模基本工作原理：（1）采用由I/O口TRIG的触发方式来测距，至少给I/O提供10us的高电触发平信号；（2）超声波模块会自动发送8个40kHz方波用来自动检测是否有一个回波信号返回； （3）当超声波探头接受到回波信号时，通过I/O口ECH0输出一个高电平，高电平脉冲持续的时间就与超声波发出后到接受到的时间是相等的。根据已知的数据超声波发出地到障碍物距离=（高电平时间声速）/2。3.6 语音播报模块设计由于导盲仪的使用者主要是盲人，所以我们比必须采取语音提示的形式来帮助盲人行走。盲人可以通过按按钮来使导盲仪实时报距，当有快速问题接近时也有对应的语音提示躲避。如图3.8所示语音芯片采用ISD4004中文录播语音芯片。该芯片继承ISD4004语音芯片的一些优点：比如采用最小SSOP28L贴片封装、I/O接口比较简单、功耗非常的低、音色比较清楚悦耳、价格比较低廉；除此之外，在语音合成效果上，ISD4004能够准确、智能化地识别文字、数字、较长的字符串。正是因为其合成语音清晰和文字的识别率高的特点也算代表语音芯片智能化的新起点，是一种值得广泛应用的中文语音芯片，尤其在国内中高端市场是值得开发的。所以ISD4004语音芯片的研制成功，将会推动整个TTS语音合成技术行业的发展和更广的行业应用。图3.8 ISD4004中文语音芯片引脚图引脚定义1，3引脚接在总线模块0的电源负极；2引脚接在总线模块0的电源正极；低电平时芯片将不被使用，表明芯片忙时可以通过主机接收命令和数据发送高电平，表示正在进行的语音合成和广播；Res引脚接5引脚；6引脚接在总线模块1的电源正极；7引脚接在总线模块1的电源负极；语音输出模块电源接负极8，12引脚；语音输出模块电源正极接10引脚；9引脚接推送DAC语音输出1。其功能特点（1）支持GB2312、GBK、BIG5和UNICODE内码格式的文本；（2）清楚、流利、准确地把中文进行语音合成；任意的中文文本也可合成语音，支持多个英文字母的合成；（3）文本分析处理算法才用的是智能化，能够准确的读进数字，手机号码，日期和时间，简单的一些度量衡也是可以识别的；（4）对于中文中的多音字和一些姓氏的处理能力是非常强的；（5）支持多种类型的文本控制标识，提升文本中文字的处理正确率； （6）每次文本量的合成最多能够达到200字节；（7）支持多种控制命令，主要包括：暂停合成、合成、继续合成、停止、改变波特率大小等；（8）支持休眠功能，当芯片不需要完成任务是可以休眠从而降低功耗；支持芯片工作状态可以用多种方式查询到；（9）支持串行数据通信接口，支持三种通讯形式的波特率：9600bps，19200bps，38400bps；（10）支持16级音量调整；对于背景音乐的音量和文本前景的音量都是可以调节的，并且二者是可以独立控制的；（11）支持6级词语语速调整，可使用发送控制指令调节词语的播报速度；（12）芯片内部储存了一些音乐资料，比如和弦音乐、一些简单的提示语和运用到某些特定行业的常见语音表达句；（13）内部存储19首声音提示音，15首比较经典的背景音乐，23首和弦提示音乐；（14）内置10字节推挽式（push-pull）、可使用独立电源进行功放，实现数模DAC输出；（15）实际元器件使用SSOP贴片封装形式，体积与同类相比较小；（16）芯片各项指标均满足室外严酷环境下的应用； 根据本设计方案要求和语音芯片的各项特性，语音模块电路连接如图3.9所示。图3.9语音模块电路连接3.7 灯光示警模块设计示警方式一般是用灯光示警，用闪动的指示灯来警告人们有一定的危险；然后使用声音示警，发出语音提示或警告提醒路人也提醒自己；在选择警示电路时，本着使硬件电路结构简单，编程方便的思想。本次设计除了语音警示外还加入了使用光作为开关控制LED灯示警系统，体现了以人为本的思想，主要是为了在晚上是提醒过路的行人注意躲避盲人以免造成交通事故。光敏电阻就相当于预警等的开关，当晚上光线变暗时，光敏电阻就会变小光控电路系统就会导通，给警示灯供电使灯变亮。光线采集电路如图3.10所示。 图3.10 光控制电路原理图3.8 LCD显示模块设计LCD1602最佳工作电压是在5V左右，有数据位8个：接电源端、接地端、数据读写端、数据命令选择端。在本次设计中，数据端D0D7是和单片机的P2口连接。基本操作时序是1。在读数据状态时输入RS=L，RW=H，E=H，写数据时输入RS=H，RW=L。同时在与单片机连接运行过程中要进行上电保护对其进行初始化。显示电路如图3.11。图3.11 液晶显示电路3.9 本章小结本章主要介绍硬件的模块化。对设计实现的功能进行了总的概述阐述了硬件设计的思路和构想，并根据要求，说明了各个模块所实现的功能。对系统的整体设计理念、方案做大致的介绍，并详细讲解核心部件主要器件的参数，以及硬件设计原理框图。4 智能语音导盲仪的软件设计本设计的软件设计主要是程序的编写，我们需要的是把导盲仪的功能写成计算所能识别的代码，这样才可以通过计算机实现各个芯片的功能，在写程序的时候要注意整个系统之间的协调性，这样才可以通过程序来实现本设计所提出的功能。软件的编写是相当重要的组成部分，软件的质量直接影响着整个系统实现功能的效果，当然也必须遵照系统功能来确定应用程序的设计。4.1 系统软件设计语言采用C语言作为本设计的软件设计语言，其优点是可以最大限度的减少我们对硬件的机械操作，良好的程序结构是C语言是一大特点，所以其更加实用电路模块化的软件设计，因此通常情况下我们实用C语言作为单片机编程的首选语言，首先对于C语言编程我们需要将程序设计方法结构化，其次不硬件的功能进行模块化，不同的功能由不同的模块来完成，这会使整个应用系统程序结构更加清晰，也便于进行调试和维护工作。功能模块不相同的，分别对应固定的入口参数和出口参数，重复调用的一些程序我们需要将其转换成函数，可以简化我们编程减少了一些重复使用的程序，又方便了整个程序的管理，还可以增强程序的移植性和可读型。4.2 设计的软件环境简介对于AT89S52的控制设计，用Keil C语言软件编程环境，使用Proteus软件设计环境进行电路仿真11。只有把这两个软件结合在一起才能完成电子系统的设计。Keil c软件界面，如图4.1所示。Keil C是一款比较强大的软件，可以把软件编程和软件仿真合于一体，还支持多种语言的编程，比如汇编、C语言甚至汇编和C语言的混合体都可以识别。软件一般都是系统比较核心的部分，想做好一个设计必须有好的思想和清晰的逻辑。该系统采用模块化设计，该程序被分成几个独立的子程序，这样使程序的读出变得方便简单，同时又对程序的移植和修改提供了很大的帮助12。本设计的软件开发完