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多功能智能导盲系统设计第22卷第2期2023年6月Vol.22 No.2Jun.2023湖南邮电职业技术学院学报Journal of Hunan Post andTelecommunication College多功能智能导盲系统设计潘晓贝1，2*（1.三门峡职业技术学院，河南三门峡 472000；2.河南省高校节能照明工程技术研究中心，河南三门峡 472000）【摘要】基于AT89C52单片机和HC-SR04非接触式超声波传感器设计了一款多功能盲人导盲系统。该系统由主控电路、传感器电路模块、显示电路模块、报警电路模块、按键模块、电源电路等部分组成，能够实现盲人导盲、超声波测距、障碍物报警、环境温度检测等多种功能，保障盲人朋友出行安全。该系统体积小，便于携带，成本低，具有较强的实用性。【关键词】单片机；导盲系统；超声波传感器【doi:10.3969/j.issn.2095-7661.2023.02.003】【中图分类号】TP311.52;TP274.53【文献标识码】A【文章编号】2095-7661（2023）02-0009-04Design of Multifunctional Intelligent Blind Guide SystemPAN Xiaobei1,2(1.Sanmenxia Polytechnic,Sanmenxia,Henan,China 472000;2.Henan University Energy-savingLighting Engineering Technology Research Center,Sanmenxia,Henan,China 472000)Abstract:A multifunctional blind guide system is designed based on AT89C52 single microcomputer and HC-SR04 non-contact ultrasonic sensor.The system is composed of main control circuit,sensor circuit module,display circuit module,alarm circuitmodule,button module,power supply circuit and other parts,which can realize various functions such as blind guide,ultrasonicranging,obstacle alarm,environmental temperature detection and so on,to ensure the safety of blind people.The system is small,portable,low cost and highly practical.Keywords:single-chip microcomputer;blind guide system;ultrasonic sensor我国是全世界人口最多的国家，也是盲人最多的国家1。盲人是社会中的弱势群体，他们的出行、生活问题受到了世界人民的关注，为了给盲人提供安全可靠、智能高效的出行保障，导盲系统应运而生，成为盲人出行的一种重要辅助工具2。近年来，以单片机为内核的导盲系统研究有很多3，如张昂、黄立勤于2019年基于机器视觉设计了导盲杖辅助识别系统4，何杰、张志平于2020年基于STM32单片机设计了智能导盲机器人5，宫福祥、高晋于2021年基于GPS与智能交互技术设计了一种导盲手杖6，周帅、魏佳豪等于2022年设计了一种新型智能导盲车7，但这些产品实现复杂、价格较贵。目前市场上普遍流行的导盲设备大多功能单一，不够智能，有的不能实现智能避障、定位、导航等，有的产品价格昂贵，大多数人承担不起。针对现有导盲设备的不足，本文基于单片机技术，结合传感器技术设计了一款低成本的多功能智能导盲系统。该智能导盲系统具有盲人导盲、超声波测距、障碍物报警、环境温度检测等多种功能，尽可能满足盲人自主出行的需求。1 系统总体结构本文利用单片机结合传感器技术设计多功能收稿日期 2023-03-19作者简介 潘晓贝（1982），女，河南灵宝人，副教授，工程硕士，研究方向：物联网传感技术。基金项目 2022年三门峡职业技术学院科研项目“多功能智能导盲系统研究设计”（项目编号：SZY-2022-007）；2022年三门峡市科技攻关项目“基于物联网的黄河流域三门峡段生态保护智能监测系统研发设计”（项目编号：2022002011）；2021年三门峡市科技攻关项目“输电线路智能远程检测系统设计与研究”（项目编号：2021002005）。9湖南邮电职业技术学院学报第22卷盲人导盲系统。系统组成框图如图1所示，包括：单片机、传感器电路、显示电路、语音模块、按键电路、电源电路等部分。图1系统组成框图该系统能够检测前方是否存在障碍，并及时提醒使用者前方道路情况。控制芯片即单片机发出信号，进而控制传感器发射探测信号以获取周围环境状态信息，同时探测信号在前方有障碍物的情况下会产生反射从而得到距离；当传感器检测到障碍物距离较近时，报警电路进行语音报警以提醒使用者；传感器获得的外界环境信息经过单片机处理之后通过显示模块进行实时显示；按键电路可以实现报警距离范围的设置。2 系统硬件设计2.1 器件选型2.1.1 MCU选型目前国内外使用最多的是以51内核扩展出的单片机，制造此类单片机的商家很多，例如Atmel、Intel、SIEMENS、STC等。Atmel公司的AT89C52采用51内核，是8位的通用微处理器，具有处理性能高、使用功耗低等优点，运行时具有良好的可靠性。片内具有256字节RAM以及8 K程序存储空间，用来装载所需要执行的代码，在自动控制行业有着广泛的应用。作为控制核心设备，本设计对计算能力要求较高，所以选用AT89C52单片机来进行控制。2.1.2 超声波传感器选择在超声波传感器的选择上，考虑到实用性，选用非接触式超声波传感器HC-SR04来检测障碍物及测距8。它可以利用超声波的特性进行4 m以内障碍物的检测，实际误差不超过3 mm，具有很高的精度。此模块最高工作频率可达40 kHz，含有发射探头、控制电路以及接收探头三个部分，如图2所示，四 个 引 脚 分 别 是 VCC、GND、Trig 和 Echo。VCC、GND为电源引脚，Trig引脚发射超声波，Echo引脚用来接收回波。在使用12 MHz的晶振频率时，仅需给予一个大于5个机器周期的高电平即可，通过控制信号控制引脚，该传感器内部将会循环发出脉冲信号并且检测回波信号。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。所检测的距离取决于回响信号的脉冲宽度，操作方法简单。图2HC-SR04实物图2.1.3 温度传感器选择随着科技的发展，温度传感器逐渐微型化、集成化。本文选择Dallas公司的DS18B20传感器来检测环境温度，此传感器是该公司推出的第一个使用单总线协议的传感器，占用单片机的一个引脚就可以工作，性能强，功耗低，有着极强的抗干扰性，可直接把所检测到的模拟量在内部变为数字量输出给单片机，然后由处理设备进行操作，应用十分广泛。相比其他传感器，DS18B20具有以下良好的特性：1）可用电压广，电压在3 V5.5 V皆可，而且可以用数据线进行供电。2）采用单线接口，占用资源少，只需要一个接口便可实现双向通信。3）可测温度范围广，可测的最低温度为-55，最高温度为128，当测量的温度在-1085之间时，上下误差不超过0.5。4）处理速度快，DS18B20的分辨率在912位之间，分辨率越低则转换越快，当为12位时，最多在750 ms内转换完成；而为9位时，最快不超过94ms便可把温度值转换成数字量。2.2 系统硬件电路设计2.2.1 单片机最小系统电路在设计时使用12 MHz的晶振频率缩短机器周期，以使得单片机能有较快的处理速度来进行运算，满足准确、实时的性能要求。单片机最小系统电路如图3所示，复位电路在设计上具有上电复位以及人工复位两种功能，共使用单片机3个管脚，10第2期多功能智能导盲系统设计分别为第19脚XTAL1、第18脚XTAL2以及第9脚RST。图3单片机最小系统电路图2.2.2 传感器电路设计1）超声波传感器电路设计如图4所示。将Echo端口接在单片机的P3.2管脚，Trig端口接在单片机的P3.3引脚，使用时，由单片机驱动Trig管脚发射超声波信号，然后由Echo管脚接收回波信号，由此来判定前方是否有障碍物。图4HC-SR04与单片机接口电路图2）温度传感器电路设计如图5所示。DS18B20只需要一个端口就可实现通信，故将其接在单片机的第17脚（P3.7）。其中，在温度转换时的工作电流一般在1 mA左右，要想使此传感器在使用期间工作状态平稳，必须提供足够的能量，所以采用4.7k的上拉电阻使温度转换精确。图5DS18B20与单片机接口电路图2.2.3 按键电路设计本设计采用按键实现报警距离设置，其电路如图6所示。其中P2.2口为进入距离设置按键，P2.1口连接的按键是用来进行报警距离值设置的“+”键，P2.0口连接的按键是用来进行报警距离值设置的“-”键。图6按键电路图2.2.4 报警电路设计在本次设计中采用JQ6500语音报警芯片和蜂鸣器共同报警，电路设计如图7所示。蜂鸣器使用简单，根据极性给予相应的电压便可以使其发出声音。在电路设计时，蜂鸣器由一个PNP三极管来驱动，在报警消失后能够自动消除噪音，所以不需要单独设计滤波电路，平滑性好。在一些要求不高的场合，可以通过改变输出的方波，使蜂鸣器发出一些简单乐曲声。图7蜂鸣器报警电路图本文选用JQ6500语音芯片。JQ6500采用标准的DIP16封装形式，适应性强，可在-4080的条件下工作。该模块具有16个引脚，如图8所示，其中K1、K2、K3、K4、K5分别对应5段MP3格式的音频文件，SPK+、SPK-引脚外接扩音器设备，BUSY管脚对应播放指示灯，在有音频文件播放时此引脚为低电平，否则输出高电平。TX、RX为串口输出、输入端，支持异步串口通信功能。图8JQ6500语音芯片11湖南邮电职业技术学院学报第22卷2.2.5 显示电路设计本设计采用LCD1602液晶显示，在上面可以显示16*2个字符，显示的字符可以是标准的ASCII码或者是其他内部所自有的一些特殊类型字符，还可以显示自定义的字符。工作电压在4.5 V5.5V之间，最常用的为5 V工作电压。该模块体积小，功耗低，使用方便。LCD1602显示电路图如图9所示，在使用LCD1602时，将显示屏D0D7引脚接在单片机的P0口，同时由于P0口的特殊性，为了使其能够稳定运行，在P0口外接上拉电阻以获得合适的电平状态，VSS与VEE并联接地，VDD上接+5 V工作电压，RW、RS、E三个引脚分别接于单片机的P2.5P2.7，通过单片机输出不同的电平状态来驱动显示屏显示不同的字符。图9LCD1602显示电路图3 系统软件设计3.1 系统总体流程设计系统运行流程如图10所示。图10系统流程图单片机上电之初会自动复位，随后进行初始化，清除以往所残留的数据，然后启动定时器，并设置工作模式，接下来进入超声波测距子程序，由单片机控制超声波模块进行距离测量，所测距离以SS表示，对回波数据进行分析，判断距离与设定值的大小关系，若是大于设定值则继续运行程序，若是小于设定值则进入报警子程序提醒使用者。3.2 传感器初始化程序设计3.2.1 超声波传感器初始化HC-SR04传感器工作主要可分为两个部分，第一部分为Trig发射超声波信号，第二部分为Echo接收回波信号，在此之前先通过TMOD设置定时器的工作方式。AT89C52具有三个定时器，分别为T0、T1和T2，每个定时器在使用时按照二进制编码可以选择四种不同的方式。在使用定时器时需要对TMOD和TCON两个8位寄存器进行设置，TMOD不能按位单独操作，只能整体赋值，在单片机的地址为89H，其中的M1、M0用来确定定时的工作方式，将TMOD设为001，确定定时器0的工作方式为1；TCON用来控制单片机的启动、停止等情况，在单片机的地址为88H，可以按位单独操作，其中TR0为定时器0的运行控制位。TH0、TL0用来装设初值，都设为0，单片机在控制Trig管脚发射信号之后定时器从0开始计时，到Echo接收到回波信号结束计时，通过计算得到距离S。3.2.2 DS18B20初始化与转换仅使用一条信号线的DS18B20传感器既可以传输时钟，又可以进行数据双向的传输，维护方便，资源占用少，容易使用。不用添加外部元件就能独自转换温度，转换的数字量以数字码的形式串行输出。64位光刻ROM中具有独一无二的序列号，拓展方便。在仅使用一个DS18B20的条件下，通过主机对其进行操作时要跳过ROM命令，温度转换程序如下所示：void Ds18b20ChangTemp()Ds18b20Init();/DS18B20初始化Delay1ms(1);Ds18b20WriteByte(0 xcc);/跳过ROM操作命令Ds18b20WriteByte(0 x44);/温度转换命令4 结束语本文采用单片机、超声波传感器设计了多功能导盲系统，（下转第18页）12湖南邮电职业技术学院学报第22卷每个网络服务描述符的资源使用情况进行分析，这些资源使用反映在分配的虚拟资源的数量和质量上，并由NSD、其所引用的Nested NSD和VNFD的一些属性表示，从而对5G网络切片进行计费。【参考文献】1陈林,刘重军,杨波.垂直行业5G QoS解决方案研究J.通信技术,2021（7）:1683-1689.2龙银江,吕鹏,于渊,等.一种基于网络切片的车联网联合资源分配算法J.无线电工程，2020（6）:509-514.3谷晓会,章国安,孔德尚.基于SDN和MEC的5G VANET架构及其性能分析J.电讯技术，2019（11）:1332-1337.4戈丽平,周金和.面向5G-ICN切片的分层缓存策略J.电讯技术,2022（11）:1670-1676.5唐伦,周钰,杨友超,等.5G网络切片场景中基于预测的虚拟网络功能动态部署算法J.电子与信息学报,2019（9）:2071-2078.6唐伦,魏延南,马润琳,等.虚拟化云无线接入网络下基于在线学习的网络切片虚拟资源分配算法J.电子与信息学报,2019（7）:1533-1539.7王文琪,徐湛,田志刚.基于QoS的5G切片间资源分配J.光通信研究,2018（3）:59-63.8张佳庚,祝敏,杜丰,等.基于预测的5G网络切片算法J.电信科学,2021（9）：74-85.系统采用Keil和Proteus联合调试进行仿真运行，传感器在单片机的控制下工作，温度传感器采集周围环境温度并转换为数字量在显示屏显示出来，HC-SR04超声波传感器检测与前方障碍物距离。当进入调节模式后，通过按钮调节报警距离，设置好的报警距离实时显示在显示屏上；若未进入调节模式，则检测前方障碍物，并比较所测的距离和报警限值，若小于所设置的报警限值，则报警电路进行报警。仿真结果显示，该系统能够实现超声波测距、障碍物报警、环境温度检测等多种功能，从而实现导盲功能，保障盲人朋友出行安全。该导盲系统体积小，便于携带，成本低，很大程度上解决了盲人出行的问题9，具有很强的实用性。该系统人性化的设计将使得盲人自主出行更为安全、便利10，为盲人回归社会，实现“平等、参与、共享”创造了条件，具有重要的社会意义。【参考文献】1孟卓.基于HC-SR04的超声波导盲系统设计J.电子设计工程，2019（21）:136-139,145.2武曌晗，荣学文，范永.导盲机器人研究现状综述J.计算机工程与应用，2020（14）：1-13.3杨琳，廖铉泓.基于STC8A8K单片机的简易导盲产品优化设计J.实验技术与管理，2019（12）：81-84.4张昂，黄立勤.基于机器视觉的导盲杖辅助识别系统设计J.贵州大学学报（自然科学版），2019（6）：63-67.5何杰，张志平.基于STM32单片机的智能导盲机器人设计J.集成电路应用，2020（7）：66-67.6宫福祥，高晋.基于GPS与智能交互的导盲手杖改良设计J.轻纺工业与技术，2021（8）：105-106.7周帅，魏佳豪，陈籽萌，等.一种新型智能导盲车的研究与开发J.物联网技术，2022（9）：66-67，69.8季三飞，雷蕊英，王晴.基于STM32和LabVIEW的超声波测距系统设计J.湖南邮电职业技术学院学报，2020（1）：29-31.9薛晶晶，周旭，董宇欣，等.基于STC89C52的超声波导盲系统设计J.物联网技术，2019（9）:70-73.10王政博，唐勇，陈国栋，等.基于机器视觉的智能导盲机器人系统设计J.河北水利电力学院学报，2021（4）:17-22，54.（上接第12页）18