智能語音導(dǎo)盲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院作者：黃建軍1緒論我國曾在上世紀(jì)90年代進(jìn)行過視力殘疾狀況的調(diào)查，結(jié)果顯示，我國有視力殘疾患者近1400萬，其中盲人約就有620萬。從全國防盲技術(shù)指導(dǎo)組辦公室得到的數(shù)據(jù)也顯示[1]，我國有550萬盲人，占世界盲人總數(shù)的1/5。隨著人民生活水平的不斷的進(jìn)步，讓生活變得越來越簡單方便成為了人民普遍追求的生活理念。盲人既是我們普通人民中的一員，又是一個(gè)特殊群體，他們由于先天或后天的生理缺陷在日常生活中比我們常人會(huì)遇到更多的不方便，不能準(zhǔn)確及時(shí)的發(fā)現(xiàn)并躲避障礙物就是一個(gè)重要的弊端。如果有一種既輕巧，又便宜，同時(shí)又能及時(shí)的識(shí)別周圍障礙物并發(fā)出報(bào)警信號(hào)的智能拐杖在盲人的手中將會(huì)為盲人的生活提供極大地方便。由于超聲波的速度相對(duì)光速要小的多，其傳播時(shí)間更加容易被檢測，并且易于定向的發(fā)射，方向性較好，強(qiáng)度可以控制，因而人類采用仿真技能利用超聲波測距。同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)及工業(yè)機(jī)器人的不斷出現(xiàn)，測距和識(shí)別技術(shù)在工業(yè)中已經(jīng)得到了普遍的運(yùn)用與發(fā)展，如何把這種非接觸式檢測與識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到民用領(lǐng)域已變得十分重要了。1.1課題背景及意義盲人既是我們普通人民中的一員，又是一個(gè)特殊群體，他們由于先天或后天的生理缺陷在日常生活中比我們常人會(huì)遇到更多的不方便和安全隱患。本設(shè)計(jì)就是為了避免盲人在行走時(shí)與前方障礙相撞。盲人導(dǎo)盲預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)用可極大地減輕盲人的行走不便與安全隱患，降低且避免因盲人不辨障礙而導(dǎo)致的事故的發(fā)生，同時(shí)它將對(duì)提高人體智能化設(shè)計(jì)起到重要的意義。對(duì)超聲波具有傳播速度慢，指向性強(qiáng)，能級(jí)消耗緩慢，對(duì)色彩、光照度不敏感的特點(diǎn)進(jìn)行利用，同時(shí)因?yàn)槌暡▊鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、體積小、性價(jià)比高、信息處理簡單而且可靠，易于小型化和集成化，并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制等特點(diǎn)。所以這一項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)盲產(chǎn)品中將有廣闊的發(fā)展前景。1.2設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容本設(shè)計(jì)中超聲波測距的設(shè)計(jì)是根據(jù)蝙蝠依靠超聲波進(jìn)行夜間飛行捕食的能力和原理，并且利用現(xiàn)在的單片機(jī)控制式超聲測距系統(tǒng)，運(yùn)用超聲波一來一回確定目標(biāo)位置的原理，主要是通過超聲波傳感器發(fā)送和接受超聲波，然后通過對(duì)比分析發(fā)射的波與遇到障礙物后的回波信息，這樣就完成了超聲波導(dǎo)盲儀的數(shù)據(jù)采集部分。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的單片機(jī)是使用AT89S52芯片，主要運(yùn)用的原理也是超聲波測距方面的。通過組裝和協(xié)調(diào)各個(gè)硬件完成該裝置的硬件部分，該裝置可以把盲人前方道路上遇到的一定范圍內(nèi)的障礙物進(jìn)行距離探測并且可以將障礙物距離盲人多少米轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)語音提示,通過語音提示盲人可以知道前方是否有障礙物，從而進(jìn)行危險(xiǎn)躲避。該系統(tǒng)有很多其他產(chǎn)品所不具備的特點(diǎn)比如：電路結(jié)構(gòu)簡單，元器件價(jià)格便宜。電路的抗干擾性強(qiáng)。因?yàn)槊と嗽谝雇硇凶邥r(shí)，行人和車輛不容易發(fā)現(xiàn)，可能對(duì)盲人的生命構(gòu)成危險(xiǎn)，所以本設(shè)計(jì)還需要增加夜間燈光的設(shè)計(jì)。選擇運(yùn)用光敏電阻，通過檢測周圍環(huán)境的亮度就相當(dāng)于電阻燈光電路的通斷開關(guān),并把提示燈的亮度轉(zhuǎn)化為相對(duì)邏輯的紅色警示閃光燈。用來提醒來往行人和車輛避讓。另外還有快閃提示，當(dāng)有快速物體靠近時(shí)，有相應(yīng)的語音提示。1.3論文結(jié)構(gòu)第1章本章主要介紹了設(shè)計(jì)超聲波導(dǎo)盲拐杖的背景及意義。對(duì)設(shè)計(jì)研究的大致內(nèi)容做了概述。第2章首先是超聲波的概論以及測距原理的注意點(diǎn)，并提出了本設(shè)計(jì)的測距方案。第3章只要是系統(tǒng)的硬件部分首先提出設(shè)計(jì)思路然后畫出硬件電路設(shè)計(jì)框架，然后詳細(xì)的給出了硬件電路中使用了的各個(gè)模塊關(guān)鍵元器件的說明。第4章智能語音導(dǎo)盲儀的軟件設(shè)計(jì)，首先是說明軟件是設(shè)計(jì)環(huán)境，然后給出軟件的編程流程圖，然后準(zhǔn)備編程進(jìn)行程序的仿真。第5章是對(duì)系統(tǒng)調(diào)試的分析，通過理論數(shù)據(jù)與實(shí)際所得結(jié)果的對(duì)比得出誤差，然后就可以改正原來的系統(tǒng)從而進(jìn)行改進(jìn)。第6章結(jié)束語主要是介紹本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中所遇到的困難，以及對(duì)自己所學(xué)專業(yè)的深刻認(rèn)識(shí)。2超聲波測距的工作原理及方案論證2.1超聲波概述聲音是自然界生物之間溝通交流的工具，聲音在人類發(fā)展的初期就已經(jīng)產(chǎn)生了，在我們所存在的大千世界中存在著各種各樣豐富多彩的聲音。在科學(xué)的發(fā)展道路上，聲學(xué)早就是一個(gè)古老而又充滿活力的學(xué)科。但是人的耳朵是聽不到超聲波信號(hào)的，大概到了十八世紀(jì)，人們發(fā)現(xiàn)海豚、蝙蝠等生物的別具一格然后開始了研究，才發(fā)現(xiàn)自然界存在一種波叫超聲波。聲波是一種機(jī)械波并且在液體、氣體、固體中都是可以傳播的。按照聲波的振動(dòng)頻率來劃分，聲波可以分為四種不同高低頻率的波：頻率范圍處于16kHz～20kHz之間的機(jī)械振動(dòng)波[2]，定義為聲波，人的耳朵可以聽見；頻率小于16kHz的機(jī)械振動(dòng)聲波被稱為次聲波；頻率高于20kHz的機(jī)械震動(dòng)聲波被稱為超聲波；高于10MHz的機(jī)械振動(dòng)波被稱為特超聲波。產(chǎn)生聲波必須具備兩個(gè)條件第一要有振動(dòng)源的質(zhì)點(diǎn)，第二要有傳播聲波的介質(zhì)，聲波在某些條件下是不好傳播的。另外單單具備以上兩個(gè)條件也是不行的，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)還不能隨波的移動(dòng)而移動(dòng)，而且質(zhì)點(diǎn)只是在平衡點(diǎn)的上下進(jìn)行機(jī)械波的振動(dòng)，這就和我們大學(xué)物理所學(xué)的電磁波的原理有點(diǎn)類似，但是區(qū)別也很大，比如電磁波也是一種機(jī)械波，但是不需要要有固液氣三種形態(tài)的物質(zhì)進(jìn)行傳播，還有就是光波與聲波也是不一樣的，光波既是粒子的又是機(jī)械的也是不需要傳播介質(zhì)的；電磁波的傳播速度和光的傳播速度一樣都是3×108m/s，然而超聲波的傳播速度只有340m/s，從速度上來看超聲波的速度比電磁波的速度慢很多，根據(jù)波的理論原理兩個(gè)相同頻率的波，波長短的可以提高超聲波測距的分辨能力；超聲波在同一種介質(zhì)中的傳播速度是一樣的，就是你只要傳播的介質(zhì)是相同的頻率的不同是不會(huì)改變超聲波的傳播速度，波的波動(dòng)方向是和質(zhì)源振動(dòng)的方向是相同的，所以說超聲波是一種上下振動(dòng)的彈性機(jī)械波，它的傳播必須要借助于介質(zhì)分子的運(yùn)動(dòng)。折射、反射、散射、衍射等物理現(xiàn)象一般發(fā)生在聲波穿過兩個(gè)不同介質(zhì)的臨界面。超聲波也是一種聲波所也具備也具備人耳能聽到的可聽波的性質(zhì)。但是畢竟頻率有所不同所以超聲波總是有她的特別之處，與平常人耳所聽到的波應(yīng)該有不同的性質(zhì)，比如方向性很好不會(huì)隨意的因?yàn)橥庖蚨淖兎较颍ǖ募铀贂r(shí)間快，最顯著的特點(diǎn)就是其波長比較的短，最短的只有毫米的千分之一，足見與可聽波相比，超聲波確實(shí)有很多特別的性質(zhì)。超聲波傳播特性—超聲波的頻率高所以波長就比較短，當(dāng)超聲波穿過障礙物時(shí)，障礙的大小尺寸應(yīng)該比超聲波的波長大很多，由此我們得出超聲波穿過障礙物時(shí)衍射的將幾乎不可能發(fā)生，超聲波的傳播也是定向直線傳播除非傳播的介質(zhì)不是均勻的，根據(jù)現(xiàn)在波學(xué)的理論，當(dāng)波長越短時(shí)，波是很難發(fā)生衍射的，所以超聲波在這方面擁有其獨(dú)特的一面。超聲波功率特性—當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí)，必然將帶動(dòng)空氣中的分子或者微粒做著振源的上下周期性振動(dòng)產(chǎn)生了做功。聲波功率就是衡量聲音做功快慢的物理量。科學(xué)驗(yàn)證表明在同一頻率下，聲波的頻率越高所產(chǎn)生的功率就越大。超聲波的頻率都是大于20kHz，所以和普通的聲波相比超聲波的頻率是很大的。2.2超聲波傳感器超聲波傳感器是根據(jù)超聲波的特性研制而成的傳感器，可用于發(fā)射和接受超聲波，其既可以把超聲波轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，也可以將其他形式的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成超波的存在形式。運(yùn)用超聲波傳感器的電路具備以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）測量的原理和方法簡單，在電路中容易實(shí)現(xiàn)。測量的精確度高，能夠準(zhǔn)確的測出物體的距離。超聲波傳感器發(fā)出的超聲波具有一定的范圍，覆蓋性廣，因此測量時(shí)并不需要使用許多的傳感器，因?yàn)槊總€(gè)傳感器都是覆蓋一定的范圍，節(jié)約了成本。2.3超聲波測距中盲區(qū)及遠(yuǎn)限和近限用往返時(shí)間檢測法測量距離時(shí)，障礙物與超聲波傳感器間的距離既不能太遠(yuǎn)也不能太近，存在著距離測量的近限和遠(yuǎn)限。距離過遠(yuǎn)時(shí)，接收到的信號(hào)太弱，以致無法從噪聲信號(hào)中分辨出來，這是遠(yuǎn)限存在的原因[3]。在距離過近時(shí)，接收信號(hào)將落進(jìn)盲區(qū)中而無法分辨出來，這是近限所以存在的原因。所以，設(shè)計(jì)中要盡量減小盲區(qū)，同時(shí)提高檢測的距離精度。減小盲區(qū)措施：壓縮脈沖寬度—傳輸端采取降低振蕩脈沖或單個(gè)脈沖的幅值的措施，降低了余震（拖尾），這種方法通常用于短距離的測量使用。采用自動(dòng)距離增益控制—使用接受放大器必須具備自動(dòng)增益控制的功能，這樣近距離所產(chǎn)生的增益將會(huì)變小，距離遠(yuǎn)時(shí)的增益又比較大，這樣就可以使發(fā)射信號(hào)的余震幅值變得小了，也可以分辨并接受近處的返回信號(hào)，當(dāng)然就可以減少盲區(qū)了。另外，也可以時(shí)測量遠(yuǎn)處障礙物時(shí)返回信號(hào)的幅值變大從而提高了距離測量的精度。信噪比問題—超聲波測量的距離總是有上限的。接收信號(hào)的幅值決定了量程，返回信號(hào)的幅值必須要大于閾值。這閾值值決定信噪比，這個(gè)時(shí)候就需要對(duì)周圍環(huán)境的噪聲就行頻譜分析，盡量是使超聲波的頻率與周圍噪聲的頻率不相同。2.4超聲波測距的方案超聲波測距和超聲波檢測所使用的方法是相同的。超聲波測距大體上可以分為三種方法分別是聲波幅值法、往返時(shí)間法、以及相位檢測法。這三種方法當(dāng)中相位發(fā)的精確度是最高的，但這種方法的檢測范圍并不是很大，聲波幅法的弊端在于容易被反射波所影響，目前超聲波測距這一快使用最多的方法是往返時(shí)間法。往返時(shí)間法的基本原理就是在曉的聲波的在某種介質(zhì)中的傳播速度，然后通過計(jì)算發(fā)射和接受信號(hào)分別遇到障礙物的時(shí)間差來求的障礙物的距離，原理圖如圖2.1所示。詳細(xì)的來講只要激勵(lì)電路產(chǎn)生一個(gè)40kHz的激勵(lì)脈沖給超聲波傳感器，再由傳感器內(nèi)部電路將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，機(jī)械振動(dòng)然后通過空氣分子的振動(dòng)而傳送出去，發(fā)射的超聲波信號(hào)在空氣中時(shí)沿一條直線傳播的，一旦超聲波的信號(hào)遇到物體就會(huì)發(fā)生反射[4]。傳感器在接收到返回信號(hào)后再通過壓電原理把聲波轉(zhuǎn)換成電壓電流等電量信號(hào)。傳感器此時(shí)得到的電壓信號(hào)還是比較微弱的，需要經(jīng)過一個(gè)放大器方法后才可以被傳感器的識(shí)別芯片所采集。定時(shí)器定時(shí)器控制計(jì)算傳輸調(diào)制計(jì)時(shí)振蕩脈沖增益放大超聲波發(fā)射超聲波接受圖2.1超聲波測距原理圖超聲波傳感器使用發(fā)射頭發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)超聲波就會(huì)返回，然后用超聲波接受頭來接受超聲波反射信號(hào)，因?yàn)槌暡ㄔ诰鶆蚪橘|(zhì)中的傳播速度是固定的，所以只要知道傳播的時(shí)間就可以簡單的算出障礙物的距離，因此本設(shè)計(jì)采用雙探頭的方式。聲波是以縱波的形式在空氣中傳播的。當(dāng)尺寸大于對(duì)目標(biāo)物體的聲波的波長將阻止發(fā)生反射；反射波被人們稱為回聲。假設(shè)我們知道了超聲波在某種介質(zhì)中的傳播速度，并且我們可以通過測量知道超聲波發(fā)射和接受所知道的時(shí)間，然后算出時(shí)間差就得到了超聲波傳播的時(shí)間了，然后就可以算出障礙物的距離[5]。這就是本設(shè)計(jì)超聲波測距的原理。本設(shè)計(jì)的傳輸介質(zhì)是空氣，采用超聲波來測距。 在室溫下聲波的傳播速度為339m/s，傳播介質(zhì)是空氣，超聲波從發(fā)射開始到超聲波遇到障礙物返回并被接受的時(shí)間為t,那么振源距離障礙物的距離可以由式（2.1）求得：d3355(cm0/s)t(s)式（2.1）因?yàn)槌暡ㄋ?jīng)過的路徑是聲源和障礙物之間的兩倍，所以發(fā)射器距離障礙物的距離應(yīng)該是d/2。單探頭方式就是超聲波探頭發(fā)射超聲波，然后遇到障礙物后返回，接受返回信號(hào)使用原來的發(fā)射探頭。假設(shè)超聲波探頭與障礙物之間的距離為S，則測距如式（2.2）：1Sct式2（2.2）式（2.2）中：S是所測障礙物的距離，c是超聲波在均勻介質(zhì)中的傳播速度，t是超聲波從發(fā)射到被接受所使用的時(shí)間。從式（2.2）中可以看出，只要聲音的傳播速度已知，在測量出超聲波的傳播時(shí)間t后就可以準(zhǔn)備的計(jì)算出障礙物距離S。2.5本章小結(jié)本章對(duì)設(shè)計(jì)中用到的超聲波技術(shù)進(jìn)行了一個(gè)系統(tǒng)性的說明。包括對(duì)超聲波的說明，超聲波傳感器的優(yōu)點(diǎn)，超聲波測量中盲區(qū)及近限和遠(yuǎn)限，以及本次設(shè)計(jì)所要用到的超聲波測距技術(shù)的原理。

3智能導(dǎo)盲儀硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能超聲波測距是根據(jù)超聲波在空氣的傳播速度恒定通過記錄傳播時(shí)間來求出距離的。根據(jù)從發(fā)射超聲波到接收到回波的時(shí)間和聲音的速度在這個(gè)時(shí)候的傳播速度，它可以被用來計(jì)算該障礙物的距離。因?yàn)榭諝庵械乃p，噪音和環(huán)境以及電路本身的超聲波傳播具有一定的限制，測量的距離，障礙物限制距離的回波將不檢測；在同一時(shí)間，在接收用探頭發(fā)射的超聲波的效果，測量距離大于最小距離下，障礙物回聲將無法分辨信號(hào)和干擾信號(hào)之間的差值。系統(tǒng)所測量的障礙物的距離必須要在上下限范圍之內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)檢測到一定范圍的障礙物時(shí)，會(huì)發(fā)生警報(bào)和相應(yīng)的語音提示。語音播報(bào)模塊主要是處理超聲波返回信號(hào)，把模擬量轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)，然后通過給單片脈沖，通過單片來實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)的控制，從而實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)提醒，也可以通過語音播報(bào)模塊的按鍵來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的報(bào)距。AT89S52單片機(jī)在預(yù)警系統(tǒng)?？斓淖饔镁褪亲鳛殚_關(guān)來控制語音輸出模塊，還包括語音警報(bào)提示，夜間LED閃爍燈光，讓使用者在燈光比較暗的情況下也能確保行路的安全。穩(wěn)壓電源也是電路設(shè)計(jì)比較關(guān)鍵的部分，一個(gè)穩(wěn)定的穩(wěn)壓電源電路可以使電路各部分的運(yùn)行都比較穩(wěn)定，另外電源的穩(wěn)定性也會(huì)使電路的安全和壽命得到保障。3.2設(shè)計(jì)思路智能導(dǎo)盲拐杖硬件電路設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)的工程，它涉及到許多方面，包括單片機(jī)、超聲測距系統(tǒng)、開關(guān)控制系統(tǒng)、溫濕度采集系統(tǒng)、聲光報(bào)警系統(tǒng)、電源等的選擇。在開始設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)模塊之間的關(guān)系進(jìn)行了解。更具實(shí)物要實(shí)現(xiàn)的功能，需要把模塊進(jìn)行細(xì)節(jié)化，分析單個(gè)模塊內(nèi)部的引腳功能，本設(shè)計(jì)主要是以AT89S52單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，然后以此來控制各個(gè)模塊運(yùn)轉(zhuǎn)，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)用的是回波法的測距原理，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。發(fā)射模塊發(fā)射模塊接受模塊控制系統(tǒng)蜂鳴器數(shù)據(jù)顯示圖3.1智能導(dǎo)盲預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.3硬件電路設(shè)計(jì)該系統(tǒng)由單片機(jī)，超聲波發(fā)射和接收電路，顯示電路，語音模塊和光報(bào)警模塊，控制核心芯片。單片機(jī)在接收到傳感器的信號(hào)后產(chǎn)生對(duì)應(yīng)低電平使語音芯片開始工作，語音芯片發(fā)出相應(yīng)的振動(dòng)提示或語音提示。本系統(tǒng)工作原理示意圖如圖3.2所示。調(diào)試功能測試穩(wěn)壓電源單片機(jī)語音報(bào)距超聲波檢測快閃提示報(bào)警功能圖3.2系統(tǒng)工作原理示意圖本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)模塊：單片機(jī)控制模塊也就是單片機(jī)，是整個(gè)系統(tǒng)最智能的地方，也是整個(gè)系統(tǒng)的中央處理器，處理數(shù)據(jù)的傳輸和分析超聲換能模塊超聲波的發(fā)射模塊主要是由包括超聲波的激勵(lì)脈沖產(chǎn)生電路和超聲波探頭組成，由單片機(jī)通過軟件產(chǎn)生激勵(lì)脈沖然后傳送給超聲波探頭進(jìn)行發(fā)送?；夭ㄐ盘?hào)電路由四大部分組成，分別是前置比例放大電路、程序控制的放大電路以及超聲波的信號(hào)過濾電路。一般還需要將超聲波的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)的電壓，還需經(jīng)過放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理然后通過濾波器的濾波后才能得到幅值和信噪比符合要求信號(hào)，只有這種經(jīng)過處理后的信號(hào)才能被處理。電源模塊電源模塊是為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的供電電源，使系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)電源不穩(wěn)定影響運(yùn)行的現(xiàn)象。語音播報(bào)模塊主要是實(shí)時(shí)距離語音播報(bào)，快閃躲避的語音提醒。快閃檢測模塊該模塊是當(dāng)一個(gè)物體快速接近超聲波探頭是，系統(tǒng)能夠有躲避危險(xiǎn)的語音提示。3.4單片機(jī)主控模塊AT89S52是一個(gè)高性能CMOS的8位存儲(chǔ)單片機(jī)，擁有8K字節(jié)的可編程閃存，并具有低功耗的特點(diǎn)，使用的是Atmel國際公司高密度非丟失性存儲(chǔ)器的制造技術(shù)，引腳與采用同樣技術(shù)的8031和80C51是完全兼容的，主要得益于所采用的制造工藝的相同[6]。片上的Flash不僅可以把程序存儲(chǔ)也可也對(duì)程序進(jìn)行修改，并且他的程序與我們平時(shí)所使用的編程器也是兼容的。在單一芯片上，具有8位CPU的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash與多變的AT89S52提高了生產(chǎn)產(chǎn)品的靈活度，并超有效的解決了嵌入式控制方案在電路中的應(yīng)用。其具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)的閃存、256字節(jié)的RAM、32個(gè)I/O線、看門狗定時(shí)器、2個(gè)數(shù)據(jù)指針、3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、1個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)、全雙工串行口、片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52單片機(jī)可在0Hz的時(shí)候進(jìn)行靜態(tài)的邏輯運(yùn)算，并且還可以支持兩個(gè)軟件可選性節(jié)約用電的模式。在空閑模式下，CPU是停止工作的但是RAM還是允許被訪問的，像定時(shí)器、串口、中斷脈沖等還是可以繼續(xù)工作的。當(dāng)單片機(jī)突然失去電之后，單片機(jī)會(huì)才去保護(hù)措施，自動(dòng)保存RAM的內(nèi)容，并且停止振蕩器的工作，單片機(jī)的所有運(yùn)轉(zhuǎn)在沒有電能的情況下將被停止，知道單片機(jī)接受到下一個(gè)中斷脈沖信號(hào)或者是按了復(fù)位電路，不然單片機(jī)就會(huì)保持現(xiàn)有的狀態(tài)。AT89S52引腳如圖3.3所示。圖3.3AT89S52引腳圖引腳說明P0口：P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位都能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。在P0端口寫“1”時(shí)，該引腳用為高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也可以被用作低8位地址/數(shù)據(jù)的復(fù)用。在這種模式下，P0不具有內(nèi)部上拉電阻的特性。在使用Flash編程時(shí)，P0口也被用來接收指令字節(jié)；并且能在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻的幫助。P1口：P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖器能同時(shí)驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。P1口，寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻拉端口，它可以被用作輸入。作為輸入時(shí)，引腳被外部拉低的原因是由于內(nèi)部電阻或者輸出電流。此外，P1.0和P1.1還可以分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX）。在編程和校驗(yàn)的時(shí)候，端口接收低8位地址字節(jié)。引腳號(hào)第二功能：P1.0T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出。P1.1T2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制）。P1.5MOSI（在系統(tǒng)編程用）。P1.6MISO（在系統(tǒng)編程用）。P1.7SCK（在系統(tǒng)編程用）。P2口：P2口也是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口的輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。P2端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口，那么你可以使用作為輸入端口。當(dāng)被作為輸入時(shí)，外部向下引線由于內(nèi)部電阻和輸出電流。當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行）與位地址，端口發(fā)送高八地址。在這種應(yīng)用中，P2口必須使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉電阻來發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX@RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在Flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也能夠接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)的程序。P3口：是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的位雙向口，輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)邏輯電平。端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口，那么你可以使用作為輸入端口。當(dāng)作為輸入，外部向下引線由于內(nèi)部電阻和輸出電流。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用。Flash編程和驗(yàn)證，P3還接收一些控制信號(hào)。端口引腳第二功能：P3.0RXD（串行輸入口）、P3.1TXD（串行輸出口）、P3.2INTO（外中斷0）、P3.3INT1（外中斷1）、P3.4TO（定時(shí)/計(jì)數(shù)器0）、P3.5T1（定時(shí)/計(jì)數(shù)器1）、P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）、P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）。另外，P3還接收一些控制信號(hào)的Flash編程和驗(yàn)證。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST的引腳會(huì)發(fā)出至少兩個(gè)周期以上的高電平來使單片發(fā)生復(fù)位。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存使能）引腳輸出脈沖的低8位字節(jié)鎖存地址。一般情況下，ALE將會(huì)以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6來輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。存儲(chǔ)器編程的時(shí)候，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。PSEN：程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89S52由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，兩個(gè)PSEN每個(gè)機(jī)器周期，即輸出兩個(gè)脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過兩次PSEN信號(hào)。EA/VPP：外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。EA端為高電平（VCC接端）,CPU正在執(zhí)行。當(dāng)閃存編程，加上銷電源允許編程，當(dāng)然，這必須是一個(gè)的編程電壓的裝置。XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。本次設(shè)計(jì)是以AT89S52作為控制模塊加上其他的一些外部電路所組成，其最小系統(tǒng)如圖3.4所示，是這個(gè)導(dǎo)盲儀的核心控制部分。AT89S52是一個(gè)高性能CMOS的8位存儲(chǔ)單片機(jī)，擁有8K字節(jié)的可編程閃存，并具有低功耗的特點(diǎn)[7]。采用Atmel的高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)產(chǎn)品訂單和引腳完全兼容。片上的Flash不僅可以把程序存儲(chǔ)也可也對(duì)程序進(jìn)行修改，并且他的程序與我們平時(shí)所使用的編程器也是兼容的。在單一芯片上，具有8位CPU的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash與多變的AT89S52提高了生產(chǎn)產(chǎn)品的靈活度，并超有效的解決了嵌入式控制方案在電路中的應(yīng)用。 P101P112P101P112P123P134P145P156P167P178REST9P3010P3111P3212P3313P3414P3515P3616P3717XTAL218XTAL119GND20P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039VCC40U1AT89S52VCCC212Y1XTALR3k10C1u10VCCK1123456789P1Header9rstP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27P10P11P12P13P14P15P16P17P30P31P32P33P34P35P36P37VCCAT89S52單片機(jī)的RST引腳需要接兩個(gè)周期的高電平并且這些高點(diǎn)必須是持續(xù)不斷的，此時(shí)單片內(nèi)部就執(zhí)行著復(fù)位的指令。如果發(fā)現(xiàn)單片機(jī)的這個(gè)引腳一直是處于高電平的狀態(tài)，則表示單片機(jī)一直處于復(fù)位不斷循環(huán)的狀態(tài)。在實(shí)際的使用中，單片機(jī)的復(fù)位操作有兩種形式：第一種是上電復(fù)位，第二種就是按鍵與上電組個(gè)的復(fù)位指令，在外部請(qǐng)求打開電源就執(zhí)行復(fù)位的指令。此時(shí)RST的引腳就會(huì)很快得到一個(gè)高電平，此時(shí)電容C1就會(huì)充電，電容兩邊就有電壓，所以慢慢的RST引腳上的電壓將會(huì)一點(diǎn)點(diǎn)的下降直到平衡。RST引腳的高電平是有一定的保持時(shí)間的，一般最長為2個(gè)機(jī)器周期，在高電平消失后單片機(jī)就可以進(jìn)行復(fù)位操作了。復(fù)位電路的目的就是在需要電路復(fù)位時(shí)能夠及時(shí)的復(fù)位，從而修正之前的錯(cuò)誤，確保電路的正常循環(huán)，如圖3.5所示。圖3.5復(fù)位電路3.5超聲波換能模塊就目前世界上對(duì)測距這一領(lǐng)域主要運(yùn)用的手段有激光、毫米波雷達(dá)、攝像系統(tǒng)、紅外線、超聲波等一些測距技術(shù)，使用不同的測距技術(shù)所涉及的原理和方法也是不相同的，但是又有一點(diǎn)是相同的都必須要有一個(gè)發(fā)射和接受回波的過程。下面是各個(gè)測距技術(shù)性能之間的比較如表3.1所示。表3.1各傳感器性能比較超聲波紅外線攝像系統(tǒng)毫米波雷達(dá)激光最大探測距離10m10m大于100m大于150m可達(dá)到150m響應(yīng)時(shí)間較快約為15ms慢1103ms取決于處理時(shí)間快可達(dá)到1ms較快約10ms探頭磨損，污染等因素的影響幾乎沒有影響影響不大大，直接影響分辨能力較小很大，使探測距離減小1/2～1/3成本比較探頭約一支20元，工作機(jī)理簡單，探頭易安裝約80元大于1000元大于1500元價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜約500元環(huán)境適應(yīng)性好，可以在惡差，但在能見差，可見性不劣環(huán)中工作度低時(shí)比其他好條件下無法 光學(xué)系統(tǒng)好 工作較好，不受能差，受惡劣見度影響環(huán)境影響通過表3.1的數(shù)據(jù)我們可以對(duì)各種測距技術(shù)進(jìn)行比較，可以看出本設(shè)計(jì)使用超聲波設(shè)計(jì)方案是最簡單實(shí)用的，并且我們還需要在超聲波技術(shù)上進(jìn)行系統(tǒng)的簡化和改正。根據(jù)發(fā)射和接收超聲換能器是否同體，可以把超聲波換能器分為收發(fā)同體和收發(fā)分體兩種形式。收發(fā)同體其實(shí)就是超聲波的發(fā)射和接受都是同一個(gè)傳感器完成的，探頭能發(fā)射超聲波，亦也能接受超聲波；收發(fā)分體是指超聲波的發(fā)射和超聲波的接受使用的不是同一個(gè)探頭。為了是電路設(shè)計(jì)簡單化，考慮到電路設(shè)計(jì)的成本本次設(shè)計(jì)采用的超聲波模塊是HY-SRF05，圖3.6所示為超聲波的超聲波測距模塊的實(shí)物圖。圖3.6HY-SRF05超聲波測距模塊實(shí)物圖圖3.6HY-SRF05超聲波測距模塊實(shí)物圖HY-SRF05超聲波測距模塊可以非接觸式的測量距離在2cm～450cm以內(nèi)的基本工作原理（1）采用I/O端口TRIG觸發(fā)方式，最少要給予10us的高電平信號(hào)。（2)發(fā)射探頭能都自動(dòng)的發(fā)射8個(gè)的40kHz的方波信號(hào)，并通過接受探頭自動(dòng)檢測是否返回。（3）有信號(hào)發(fā)射或接受時(shí)，通過I/O口的ECHO端口輸出高電平，超聲波從發(fā)射到返回所使用的時(shí)間就是高電平連續(xù)工作的時(shí)間[9]。下面介紹的是一種壓電陶瓷式收發(fā)同體超聲波傳感器。其中心頻率為40kHz，10V的發(fā)射電壓，在大氣壓是0dB=0.02m/Pa的條件下是≥95dB；40kHz中心頻率是在接收靈敏度之內(nèi)的，在大氣壓是0dB=10V/pa的條件下是≥-65dB；靜電容量為1260pF～2340pF；探測距離為0.2m～3m；-6dB下的指向角為60°。這種壓電收發(fā)同體的聲壓方位發(fā)射特性圖如圖3.7所示。圖3.7發(fā)射聲壓方位特性圖HY-SRF05型超聲波集成模塊的工作電壓為5V，而且此模塊的靜態(tài)工作電流是小于2mA的，工作時(shí)候相對(duì)穩(wěn)定。測量角度為15°，減少了可能存在的角度干擾問題。這個(gè)超聲波模塊能夠進(jìn)行2cm～5m的測距，基本上符合本設(shè)計(jì)的要求，并且測量精度也比較的高可用達(dá)到0.3cm，盲區(qū)僅為2cm，完全可以能夠滿足本設(shè)計(jì)的測距要求，測距的時(shí)候數(shù)據(jù)的波動(dòng)也比較小，很穩(wěn)定[10]。在I/O觸發(fā)位置，需要給至少給我們一個(gè)10us高電平信號(hào)。HY-SRF05電氣參數(shù)如表3.2所示。表3.2HY-SR05電氣參數(shù)電氣參數(shù)HY-SRF05工作的電壓DC5V工作電流15mA工作頻率40Hz最遠(yuǎn)射程4.5m最近射程2cm測量角度15°輸入觸發(fā)信號(hào)10us的TTL脈沖輸出回響信號(hào)輸出TTL電平信號(hào)，和發(fā)射距離成正比規(guī)格尺寸45*20*15mm超聲波傳感器需要換能電路來實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)。超聲波的發(fā)射器也需要一定的脈沖信號(hào)，采用激勵(lì)就可以解決脈沖的問題。根據(jù)本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)需要發(fā)射電路需要滿足一定的要求。振蕩電路振蕩頻率可調(diào)40kHz的脈沖由振蕩電路產(chǎn)生，然后這個(gè)脈沖再提供給超聲波傳感器。當(dāng)加載頻率相同的超聲波傳感器信號(hào)頻率以共振頻率，效率高，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)械聲波。驅(qū)動(dòng)能力較高超聲波發(fā)射器需要功率足夠大的脈沖信號(hào)，這個(gè)脈沖由驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。當(dāng)脈沖信號(hào)產(chǎn)生后，我們還需要注意的是脈沖的寬度、功率以及它的頻率都是固定的否則很有可能不能去動(dòng)發(fā)射器，再由發(fā)射器將所受到的脈沖電量轉(zhuǎn)換成機(jī)械波，能量的轉(zhuǎn)換是成了機(jī)械能。I/O口控制超聲波換能器的驅(qū)動(dòng)主要是靠功率驅(qū)動(dòng)電路來對(duì)進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)的，驅(qū)動(dòng)放大電路經(jīng)過足夠大功率放大之后，才能推動(dòng)超聲波換能器發(fā)射超聲波。在空氣中傳播是超聲波的能量會(huì)隨著距離的變遠(yuǎn)而出現(xiàn)衰落，經(jīng)過目標(biāo)反射回來的超聲波的回波信號(hào)弱，如果物體的距離比較的遠(yuǎn)那么波的衰減可能只有毫伏級(jí)了，有的甚至只有微伏級(jí)。因此，為了提高超聲波測距系統(tǒng)的范圍，需要的驅(qū)動(dòng)電路。所以目前需要解決接受信號(hào)微弱問題，接受電路需要把能量微弱的信號(hào)經(jīng)過放大后然后整形濾波。此超聲波測距模塊可以非接觸式的測量距離在2cm～450cm以內(nèi)的物體，精度可達(dá)到3mm。?；竟ぷ髟恚翰捎糜蒊/O口TRIG的觸發(fā)方式來測距，至少給I/O提供10us的高電觸發(fā)平信號(hào)；超聲波模塊會(huì)自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz方波用來自動(dòng)檢測是否有一個(gè)回波信號(hào)返回；（3）當(dāng)超聲波探頭接受到回波信號(hào)時(shí)，通過I/O口ECH0輸出一個(gè)高電平，高電平脈沖持續(xù)的時(shí)間就與超聲波發(fā)出后到接受到的時(shí)間是相等的。根據(jù)已知的數(shù)據(jù)超聲波發(fā)出地到障礙物距離=（高電平時(shí)間聲速）/2。3.6語音播報(bào)模塊設(shè)計(jì)由于導(dǎo)盲儀的使用者主要是盲人，所以我們比必須采取語音提示的形式來幫助盲人行走。盲人可以通過按按鈕來使導(dǎo)盲儀實(shí)時(shí)報(bào)距，當(dāng)有快速問題接近時(shí)也有對(duì)應(yīng)的語音提示躲避。如圖3.8所示語音芯片采用ISD4004中文錄播語音芯片。該芯片繼承ISD4004語音芯片的一些優(yōu)點(diǎn)：比如采用最小SSOP28L貼片封裝、I/O接口比較簡單、功耗非常的低、音色比較清楚悅耳、價(jià)格比較低廉；除此之外，在語音合成效果上，ISD4004能夠準(zhǔn)確、智能化地識(shí)別文字、數(shù)字、較長的字符串。正是因?yàn)槠浜铣烧Z音清晰和文字的識(shí)別率高的特點(diǎn)也算代表語音芯片智能化的新起點(diǎn)，是一種值得廣泛應(yīng)用的中文語音芯片，尤其在國內(nèi)中高端市場是值得開發(fā)的。所以ISD4004語音芯片的研制成功，將會(huì)推動(dòng)整個(gè)TTS語音合成技術(shù)行業(yè)的發(fā)展和更廣的行業(yè)應(yīng)用。圖3.8ISD4004中文語音芯片引腳圖引腳定義1，3引腳接在總線模塊0的電源負(fù)極；2引腳接在總線模塊0的電源正極；低電平時(shí)芯片將不被使用，表明芯片忙時(shí)可以通過主機(jī)接收命令和數(shù)據(jù)發(fā)送高電平，表示正在進(jìn)行的語音合成和廣播；Res引腳接5引腳；6引腳接在總線模塊1的電源正極；7引腳接在總線模塊1的電源負(fù)極；語音輸出模塊電源接負(fù)極8，12引腳；語音輸出模塊電源正極接10引腳；9引腳接推送DAC語音輸出1。其功能特點(diǎn)支持GB2312、GBK、BIG5和UNICODE內(nèi)碼格式的文本；清楚、流利、準(zhǔn)確地把中文進(jìn)行語音合成；任意的中文文本也可合成語音，支持多個(gè)英文字母的合成；文本分析處理算法才用的是智能化，能夠準(zhǔn)確的讀進(jìn)數(shù)字，手機(jī)號(hào)碼，日期和時(shí)間，簡單的一些度量衡也是可以識(shí)別的；對(duì)于中文中的多音字和一些姓氏的處理能力是非常強(qiáng)的；支持多種類型的文本控制標(biāo)識(shí)，提升文本中文字的處理正確率；每次文本量的合成最多能夠達(dá)到200字節(jié)；支持多種控制命令，主要包括：暫停合成、合成、繼續(xù)合成、停止、改變波特率大小等；支持休眠功能，當(dāng)芯片不需要完成任務(wù)是可以休眠從而降低功耗；支持芯片工作狀態(tài)可以用多種方式查詢到；支持串行數(shù)據(jù)通信接口，支持三種通訊形式的波特率：9600bps，19200bps，38400bps；支持16級(jí)音量調(diào)整；對(duì)于背景音樂的音量和文本前景的音量都是可以調(diào)節(jié)的，并且二者是可以獨(dú)立控制的；支持6級(jí)詞語語速調(diào)整，可使用發(fā)送控制指令調(diào)節(jié)詞語的播報(bào)速度；芯片內(nèi)部儲(chǔ)存了一些音樂資料，比如和弦音樂、一些簡單的提示語和運(yùn)用到某些特定行業(yè)的常見語音表達(dá)句；內(nèi)部存儲(chǔ)19首聲音提示音，15首比較經(jīng)典的背景音樂，23首和弦提示音樂；內(nèi)置10字節(jié)推挽式（push-pull）、可使用獨(dú)立電源進(jìn)行功放，實(shí)現(xiàn)數(shù)模DAC輸出；實(shí)際元器件使用SSOP貼片封裝形式，體積與同類相比較??；芯片各項(xiàng)指標(biāo)均滿足室外嚴(yán)酷環(huán)境下的應(yīng)用；根據(jù)本設(shè)計(jì)方案要求和語音芯片的各項(xiàng)特性，語音模塊電路連接如圖3.9所示。1231234567899口1122334455CON5VCCSSMOSIMISOSCLKINTRACPLAYRECORD3.7燈光示警模塊設(shè)計(jì)示警方式一般是用燈光示警，用閃動(dòng)的指示燈來警告人們有一定的危險(xiǎn)；然后使用聲音示警，發(fā)出語音提示或警告提醒路人也提醒自己；在選擇警示電路時(shí)，本著使硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，編程方便的思想。本次設(shè)計(jì)除了語音警示外還加入了使用光作為開關(guān)控制LED燈示警系統(tǒng)，體現(xiàn)了以人為本的思想，主要是為了在晚上是提醒過路的行人注意躲避盲人以免造成交通事故。光敏電阻就相當(dāng)于預(yù)警等的開關(guān)，當(dāng)晚上光線變暗時(shí)，光敏電阻就會(huì)變小光控電路系統(tǒng)就會(huì)導(dǎo)通，給警示燈供電使燈變亮。光線采集電路如圖3.10所示。VCCCSCSCH0CH1GNDD1D0CLKVCCU40832VCCR5光P16R4100kP14*圖3.10光控制電路原理圖3.8LCD顯示模塊設(shè)計(jì)LCD1602最佳工作電壓是在5V左右，有數(shù)據(jù)位8個(gè)：接電源端、接地端、數(shù)據(jù)讀寫端、數(shù)據(jù)命令選擇端。在本次設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)端D0～D7是和單片機(jī)的P2口連接?；静僮鲿r(shí)序是1。在讀數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)輸入RS=L，RW=H，E=H，寫數(shù)據(jù)時(shí)輸入RS=H，RW=L。同時(shí)在與單片機(jī)連接運(yùn)行過程中要進(jìn)行上電保護(hù)對(duì)其進(jìn)行初始化。顯示電路如圖3.11。圖3.11液晶顯示電路3.9本章小結(jié)本章主要介紹硬件的模塊化。對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了總的概述闡述了硬件設(shè)計(jì)的思路和構(gòu)想，并根據(jù)要求，說明了各個(gè)模塊所實(shí)現(xiàn)的功能。對(duì)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)理念、方案做大致的介紹，并詳細(xì)講解核心部件主要器件的參數(shù)，以及硬件設(shè)計(jì)原理框圖。4智能語音導(dǎo)盲儀的軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)主要是程序的編寫，我們需要的是把導(dǎo)盲儀的功能寫成計(jì)算所能識(shí)別的代碼，這樣才可以通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)各個(gè)芯片的功能，在寫程序的時(shí)候要注意整個(gè)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性，這樣才可以通過程序來實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)所提出的功能。軟件的編寫是相當(dāng)重要的組成部分，軟件的質(zhì)量直接影響著整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的效果，當(dāng)然也必須遵照系統(tǒng)功能來確定應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)語言采用C語言作為本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)語言，其優(yōu)點(diǎn)是可以最大限度的減少我們對(duì)硬件的機(jī)械操作，良好的程序結(jié)構(gòu)是C語言是一大特點(diǎn)，所以其更加實(shí)用電路模塊化的軟件設(shè)計(jì)，因此通常情況下我們實(shí)用C語言作為單片機(jī)編程的首選語言，首先對(duì)于C語言編程我們需要將程序設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)化，其次不硬件的功能進(jìn)行模塊化，不同的功能由不同的模塊來完成，這會(huì)使整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)更加清晰，也便于進(jìn)行調(diào)試和維護(hù)工作。功能模塊不相同的，分別對(duì)應(yīng)固定的入口參數(shù)和出口參數(shù)，重復(fù)調(diào)用的一些程序我們需要將其轉(zhuǎn)換成函數(shù)，可以簡化我們編程減少了一些重復(fù)使用的程序，又方便了整個(gè)程序的管理，還可以增強(qiáng)程序的移植性和可讀型。4.2設(shè)計(jì)的軟件環(huán)境簡介對(duì)于AT89S52的控制設(shè)計(jì)，用KeilC語言軟件編程環(huán)境，使用Proteus軟件設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行電路仿真[11]。只有把這兩個(gè)軟件結(jié)合在一起才能完成電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。Keilc軟件界面，如圖4.1所示。KeilC是一款比較強(qiáng)大的軟件，可以把軟件編程和軟件仿真合于一體，還支持多種語言的編程，比如匯編、C語言甚至匯編和C語言的混合體都可以識(shí)別。軟件一般都是系統(tǒng)比較核心的部分，想做好一個(gè)設(shè)計(jì)必須有好的思想和清晰的邏輯。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，該程序被分成幾個(gè)獨(dú)立的子程序，這樣使程序的讀出變得方便簡單，同時(shí)又對(duì)程序的移植和修改提供了很大的幫助[12]。本設(shè)計(jì)的軟件開發(fā)完全是依靠Keil單片機(jī)C語言平臺(tái)，在此平臺(tái)程序調(diào)試簡單，具有良好的可續(xù)性和擴(kuò)展性。圖4.1Keilc軟件界面ProteusISIS是一款電路分析與實(shí)物仿真軟件由英國Labcenter公司開發(fā)的。軟件的運(yùn)行環(huán)境是在Windows操作系統(tǒng)中，最主要的是可以對(duì)芯片進(jìn)行仿真運(yùn)行，還可以分析各種模擬元器件和集成電路的組成和結(jié)構(gòu)。該軟件的特點(diǎn)是：基本上滿足了本次設(shè)計(jì)的本次設(shè)計(jì)的仿真標(biāo)準(zhǔn)，與其他的單片機(jī)仿真軟件相比較是非常方便的。能夠進(jìn)行多種多樣的仿真比如：數(shù)字電路仿真，模擬電路仿真，單片和各個(gè)外圍模塊之間的仿真，還有RS-232動(dòng)態(tài)仿真，SPI調(diào)節(jié)器仿真等；仿真還必須要有顯示部分，這款軟件有多種虛擬儀器,例如示波器、信號(hào)發(fā)生器等[13]。目前支持的單片機(jī)類型有：ARM7系列，68000系列，8052系列，AVR系列，PIC12系列，PIC16系列，PIC18系列，Z80系列，HC11系列以及各種其它的外圍芯片。與大量的存儲(chǔ)器和外圍芯片兼容性很好。綜上所述，此軟件是一款具有SPICE分析功能且可以仿真單片機(jī)的仿真軟件，軟件功能十分的豐富，可以仿真ARM、52、AVR、PIC各種芯片。ProteusISIS的工作和Windows界面的操作界面有點(diǎn)類似，如圖4.2所示，在屏幕的上方我們可以看到很多菜單例如：標(biāo)題欄，菜單，標(biāo)準(zhǔn)工具欄，繪圖工具欄，狀態(tài)欄，對(duì)象選擇按鈕，預(yù)覽對(duì)象方位控制按鈕，仿真過程中的控制按鈕，預(yù)覽窗口，對(duì)象選擇窗口，圖形編輯窗口等。這些界面有利于我們快速的熟悉軟件并繪制電路圖。圖4.2仿真界面雙擊圖標(biāo)就可以運(yùn)行Proteus程序，然后會(huì)進(jìn)入軟件的主界面。通過工具欄左側(cè)從一個(gè)庫中選擇元件，然后在左側(cè)窗口中輸入所需要元件的關(guān)鍵詞，然后通過鼠標(biāo)把元器件放置在合適的位子，在放置之前先調(diào)整好方向并且設(shè)置好各元器件的參數(shù)，最后再把各個(gè)元器件通過線連接起來[14]。4.3主要模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖呼叫系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的流程如圖4.3和圖4.4所示。NNNY主程序初始化清零鍵按下否？顯示屏清零調(diào)按鍵總數(shù)子程序1s定時(shí)到否？清除1s定時(shí)標(biāo)志調(diào)循環(huán)顯示子程序返回圖4.3程序的設(shè)計(jì)流程圖初始化初始化計(jì)算鍵值子程鍵標(biāo)志為0?(COUNTER)+1INCFLAG40個(gè)單元掃描完？調(diào)BCD調(diào)整子程序調(diào)顯示子程序返回開始標(biāo)志位是否為1？定時(shí)是否達(dá)到1s？調(diào)顯示子程序存儲(chǔ)單元加1NYNYYN圖4.4顯示模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖這部分主要接受的是現(xiàn)實(shí)部分的程序設(shè)計(jì)，顯示部分的程序大體上根據(jù)主程序而言，這部分涉及到按鍵程序的調(diào)用，所以編寫這部分程序需要有主次的概念，只要這部分的程序調(diào)試成功在配合超聲波模塊的程序，軟件部分難點(diǎn)就迎刃而解[15]。4.4本章小結(jié)本章主要介紹了軟件設(shè)計(jì)的整個(gè)過程,包括對(duì)所使用的軟件做出了簡單的介紹，并使用模塊化的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行軟件設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)思路清晰,這樣方便調(diào)試過程中的程序修改。同時(shí)開發(fā)一個(gè)良好的設(shè)計(jì)思維與良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣。

5系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果一個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)過程需要用系統(tǒng)調(diào)試來驗(yàn)證各個(gè)硬件的協(xié)調(diào)性，一個(gè)完整的調(diào)試系統(tǒng)應(yīng)該包含很多部分，但是必須離不開控制系統(tǒng)的硬件聯(lián)調(diào)、軟件聯(lián)調(diào)、系統(tǒng)仿真、仿真燒錄和現(xiàn)場安裝調(diào)試等幾個(gè)環(huán)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)組裝完畢后需要進(jìn)行硬件電路的調(diào)試，只有硬件電路調(diào)試真確后才能進(jìn)行軟件部分的檢查，這樣就可以分部排查錯(cuò)誤。當(dāng)所有的調(diào)試都沒問題時(shí)，為了確保其穩(wěn)定性還需要讓設(shè)計(jì)長時(shí)間運(yùn)行一些時(shí)間，這樣以后才可以驗(yàn)收合格，整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)才算完成了任務(wù)。通過實(shí)驗(yàn)表明，本次設(shè)計(jì)的導(dǎo)盲儀的采集速率和精度都很高，當(dāng)前面一定的范圍內(nèi)有物體時(shí)，導(dǎo)盲儀會(huì)自動(dòng)地發(fā)才語音提示來提醒盲人該怎樣行走。硬件系統(tǒng)的正確性必須通過實(shí)驗(yàn)才能得到驗(yàn)證。然而由于空氣中存在濕度和溫度，超聲波測距所得的數(shù)值與理論值之間總是存在著誤差。其余的子功能都良好運(yùn)行。理論測距與實(shí)際測距如圖5.1和5.2。從圖中可以看出超聲波測距的誤差在2mm之內(nèi)。圖5.1理論測距結(jié)果圖5.2圖5.2實(shí)際測距結(jié)果總結(jié)誤差原因共有兩個(gè)方面：（1）由于超聲波被測面或被測面旁其它物體的漫反射，因而所測距離不是真實(shí)的垂直距離，引起測量誤差。（2）聲速雖然在同一介質(zhì)中不容易改變速度，但是溫度的變化會(huì)影響測量的精確度，所以測量的結(jié)果也會(huì)有一定的誤差。結(jié)束語導(dǎo)盲儀的主要原理就是超聲波測距，通過本次設(shè)計(jì)也是我對(duì)超聲波的原理有了更加深入的了解。系統(tǒng)是基于AT89S52單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng),它根據(jù)超聲波在空氣中傳播的反射原理,以超聲波傳感器為檢測部件,應(yīng)用超聲波在空氣中傳播的時(shí)間差來測量距離。夜晚時(shí)利用光敏傳感器控制警示燈開關(guān)，警示來往車輛避讓。另有時(shí)間播報(bào)功能。主要由測距系統(tǒng)（包括超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊）和語音報(bào)警系統(tǒng)，快閃播報(bào)系統(tǒng)，警示燈控制系統(tǒng)，LCD顯示模塊，五個(gè)主要模塊構(gòu)成。導(dǎo)盲預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)用可幫助盲人的行走較少他們的不方便，減少盲人因?yàn)榭床灰娐访鏍顩r發(fā)生的交通事故，同時(shí)它將對(duì)提高人類智能化的設(shè)計(jì)有著非常重要的意義在做設(shè)計(jì)的時(shí)候我們需要不斷的查閱資料，了解前人的研究成果，才能取其精華去其糟粕，才能在巨人的肩膀上進(jìn)行創(chuàng)新。在本設(shè)計(jì)的開始之初，我對(duì)超聲波模塊方面的了解還是比較少的，通過查閱書籍和上網(wǎng)搜資料對(duì)超聲波模塊有了了解然后才開始原理的的繪制。在設(shè)計(jì)過程中比較難的還有軟件的設(shè)計(jì)，C語言的編程可是我的薄弱環(huán)節(jié)，編程不僅要能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的基本功能，還必須考慮到硬件的I/O端口的功能。在指導(dǎo)老師的幫助也算完成導(dǎo)盲儀軟件編程模塊。本次設(shè)計(jì)其實(shí)還有幾個(gè)問題沒有解決，如果想要提高測量的精確度必須要考慮。（1）因?yàn)槌暡ㄌ筋^的精密度限制，裝置在溫度不同的環(huán)境下測量誤差也不一樣，本設(shè)計(jì)中并沒有溫度補(bǔ)償模塊，主要是本設(shè)計(jì)做為盲人障礙導(dǎo)盲預(yù)警的使用，對(duì)精確的距離要求不高主要是起到警報(bào)的作用，如果在設(shè)計(jì)中考慮到溫度補(bǔ)償這個(gè)模塊，并添加到設(shè)計(jì)中去，那么整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)更完善。（2）為了抑制外部干擾，接收裝置可以采用過零檢測裝置，保證接收到得超聲波為物體反射回來的超聲波，從而有效地抑制超聲波發(fā)射電路的輻射干擾。但要注意接收電路中的諧振回路帶寬不能太窄，以免降低了電路的穩(wěn)定性。電路元件要選用低噪聲器件，采取合理的電路布局。致謝本次畢業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)過幾個(gè)月的不懈努力終于接近了尾聲。畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們對(duì)所學(xué)專業(yè)知識(shí)的一次綜合性考量，能夠鍛煉我們獨(dú)立分析和解決問題的能力，培養(yǎng)的也是知識(shí)的靈活運(yùn)用精神。首先我要感謝母校為了提供了一個(gè)愉快的學(xué)習(xí)環(huán)境。由于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不足，在本次設(shè)計(jì)中我也有很多考慮不全面的地方，感謝我的導(dǎo)師谷亞林的指導(dǎo)和督促以及同學(xué)們的熱心幫助。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)從選題的確定、開題報(bào)告的書寫、說明書的寫作修改到最后定稿都得到了指導(dǎo)老師谷亞林的悉心指導(dǎo)，而且每星期檢查我的畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)展情況，并對(duì)我的不足之處給予細(xì)心的指點(diǎn)。還有和我一起做畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)，你們給我提出了寶貴的建議和熱情的幫助，在不斷的幫助和鼓勵(lì)中我們相互的學(xué)習(xí)和進(jìn)步。最后再次深深感謝我的導(dǎo)師谷老師以及給予我?guī)椭耐瑢W(xué)和朋友。曾經(jīng)認(rèn)為離開學(xué)校的時(shí)候不會(huì)那么低傷心，畢竟已經(jīng)在這片土壤上生活了四年。然而當(dāng)我寫下這篇致謝詞的時(shí)候，不舍和哀愁還是在我的心里翻滾著。在這四年里，我遇到的人或事都是那么的美好，認(rèn)真負(fù)責(zé)的老師使我在大學(xué)里學(xué)到了扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，善良友好的同學(xué)使我了解到朋友情誼是我們這一生值得珍惜的回憶，這些都是我一生想用不盡的精神財(cái)富。感謝那些給予我?guī)椭睦蠋?，感謝關(guān)心我的父母，感謝使我明白友情珍貴的同學(xué)們，是你們，讓我覺得校園是那么的美好，你們是最可愛的人！參考文獻(xiàn)杜新珂.超聲波測距在智能導(dǎo)盲系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].南京：南京理工大學(xué)，2012.鄭鋒.51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)典型模塊開發(fā)大全[M].北京：中國鐵道出版社，2010.賈莉娜．高精度的超聲波測距系統(tǒng)在移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航方面的應(yīng)用[J]．計(jì)測技術(shù)，2004,（9）：23～26．事德鋼，王峰，王采堂，王麗.超聲波測距儀的研究[J].計(jì)算機(jī)自動(dòng)測量與控制,2012,（9）：15～20.田立,馬鳴鶴.51系列單片機(jī)開發(fā)實(shí)例精解[M].北京：中國電力出版社，2009.潘宗預(yù)，潘登．超聲波測距精度的探討[J]．湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，29(3)：18～2l.張和生，宋明耀，任的全．提高超聲波測距精度的設(shè)計(jì)[J]．測試測量，2004,（7）：87～89王為青，程國鋼.單片機(jī)KeilCx51應(yīng)用開發(fā)技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2007.潘仲明.大量程超聲波測距系統(tǒng)研究[D].長沙：國防科學(xué)科技大學(xué)，2006.張劍.基于Proteus的51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.甘德成，劉建欣.多功能超聲導(dǎo)盲儀設(shè)計(jì)[J].宜賓：宜賓學(xué)院學(xué)報(bào)，2012,（6）：12～15.張?zhí)m.基于ARM的超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)[D].山東：山東師范大學(xué),2010.陳小忠，黃寧.單片機(jī)接口技術(shù)實(shí)用子程序[M].北京：人民郵電出版社，2005.求是科技.8051系列單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2006.高建國.單片機(jī)實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目教程[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.附錄A主電路原理圖

VCCVCC1Trig2Echo3OUT4GND5U2VCC1Trig2Echo3OUT4GND5U3P13P20P32P33CSCH0CH1GNDD1D0CLKVCCU40832VCCVCCR5*光P14P15P16R4100k123456789P39口1122334455CON5SSMOSIMISOSCLKINTRACPLAYRECORDCCVCCVLS1BLS1BellQ1R61k12345678910111213141516VCCVR110kVCCP00P01P02P03P04P05P06P07P10P11P12R710kCCV1RCCV71P 1J CCV 附錄B部分程序//#include<reg52.h>#include"ISD4004.h"#include<intrins.h>voiddelay(unsignedinttime)//延遲n微秒{while(time--);}voidspi_send(unsignedcharisdx){unsignedchary;MOSI=0;SCLK=0;for(y=0;y<8;y++){SCLK=0;if((isdx>>y)&0x01)MOSI=1;elseMOSI=0;_nop_();_nop_();_nop_();SCLK=1;_nop_();_nop_();_nop_();}}voidspisend16(unsignedintaddr){chary;MOSI=0;//發(fā)送地址SCLK=0;for(y=0;y<16;y++){SCLK=0;if((addr>>y)&0x01)MOSI=1;elseMOSI=0;_nop_();_nop_();_nop_();SCLK=1;_nop_();_nop_();_nop_();}//發(fā)送地址結(jié)束}voidSendCmd(unsignedcharcmd,unsignedintaddr){unsignedcharar;SS=0;//ss=0,打開spi通信端delay(5);ar=(unsignedchar)(addr);spi_send(ar);//發(fā)送地址低位ar=(unsignedchar)(addr>>8);spi_send(ar);//發(fā)送地址高位spi_send(cmd);//發(fā)送命令SS=1;delay(5);SCLK=0;}voidautoplay(unsignedintaddr){SS=0;//發(fā)送開始MOSI=0;SCLK=0;spi_send(ISDPOWERUP);//上電SS=1;DelayM(50);SS=0;//發(fā)送發(fā)音地址MOSI=0;SCLK=0;spisend16(addr);MOSI=0;//放音設(shè)置命令SCLK=0;spi_send(PLAYSET);SS=1;SS=0;MOSI=0;//放音命令SCLK=0;spi_send(PLAYCUR);SS=1;}voidautorecord(unsignedintaddr){SS=0;//發(fā)送開始MOSI=0;SCLK=0;spi_send(ISDPOWERUP);SS=1;DelayM(50);SS=0;//發(fā)送開始MOSI=0;SCLK=0;//上電spi_send(ISDPOWERUP);//上電SS=1;DelayM(50);SS=0;//發(fā)送發(fā)音地址MOSI=0;SCLK=0;spisend16(addr);MOSI=0;//放音設(shè)置命令SCLK=0;spi_send(RECSET);SS=1;SS=0;MOSI=0;//放音命令SCLK=0;spi_send(RECCUR);SS=1;}voidstop(){SS=1;SS=0;MOSI=0;//放音SCLK=0;spi_send(OPERSTOP);SS=1;}voidstoppd(){SS=1;SS=0;MOSI=0;//放音SCLK=0;spi_send(ISDPOWERUP);SS=1;}voidInitISD(){SS=1;SCLK=1;MOSI=1;}功能：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)***************************************************/sbitADC0832_CS=P1^6;sbitADC0832_CLK=P1^5;sbitADC0832_DIO=P1^4;unsignedintA_D(){unsignedchari;unsignedchardat;ADC0832_CS=1;//一個(gè)轉(zhuǎn)換周期開始ADC0832_CLK=0;//為第一個(gè)脈沖作準(zhǔn)備ADC0832_CS=0;//CS置0，片選有效ADC0832_DIO=1;//DIO置1，規(guī)定的起始信號(hào)ADC0832_CLK=1;//第一個(gè)脈沖ADC0832_CLK=0;//第一個(gè)脈沖的下降沿，此前DIO必須是高電平ADC0832_DIO=1;//DIO置1，通道選擇信號(hào)ADC0832_CLK=1;//第二個(gè)脈沖，第2、3個(gè)脈沖下沉之前，DI必須跟別輸入兩位數(shù)據(jù)用于選擇通道，這里選通道CH0ADC0832_CLK=0;//第二個(gè)脈沖下降沿ADC0832_DIO=0;//DI置0，選擇通道0ADC0832_CLK=1;//第三個(gè)脈沖ADC0832_CLK=0;//第三個(gè)脈沖下降沿ADC0832_DIO=1;//第三個(gè)脈沖下沉之后，輸入端DIO失去作用，應(yīng)置1ADC0832_CLK=1;//第四個(gè)脈沖for(i=0;i<8;i++)//高位在前{ADC0832_CLK=1;//第四個(gè)脈沖ADC0832_CLK=0;dat<<=1;//將下面儲(chǔ)存的低位數(shù)據(jù)向右移dat|=(unsignedchar)ADC0832_DIO;//將輸出數(shù)據(jù)DIO通過或運(yùn)算儲(chǔ)存在dat最低位}ADC0832_CS=1;//片選無效returndat;//將讀書的數(shù)據(jù)返回}#ifndef_ISD4004_H_#define_ISD4004_H_#include<reg52.h>sbitSS=P2^5;//片選sbitSCLK=P2^2;//ISD4003時(shí)鐘sbitMOSI=P2^4;//數(shù)據(jù)輸入sbitINT=P2^1;//中斷#defineISDPOWERUP0X20//ISD4004上電#defineISDSTOP0X10//ISD4004下電#defineOPERSTOP0X30//ISD4004停止當(dāng)前操作#definePLAYSET0XE0//ISD4004從指定地址開始放音#definePLAYCUR0XF0//ISD4004從當(dāng)前地址開始放音#defineRECSET0XA0//ISD4004從指定地址開始錄音#defineRECCUR0XB0//ISD4004從當(dāng)前地址開始錄音//#defineSetHigRes(){P3M1=0x3C;}//設(shè)置為高阻態(tài)//#defineSetNormalSt(){P3M1=0x04;}//設(shè)置為普通態(tài)externvoidDelayM(unsignedinta);externvoidautoplay(unsignedintaddr);externvoidautorecord(unsignedintaddr);externvoidInitISD();externvoidspi_send(unsignedcharisdx);externvoidstop();externvoidstoppd();#endif11SS=0;1MOSI=0;//放音命令1SCLK=0;1spi_send(PLAYCUR);1SS=1;11}9495voidautorecord(unsignedintaddr){1SS=0;//發(fā)送開始1MOSI=0;1SCLK=0;1spi_send(ISDPOWERUP);//上電