《基于單片機的盲人避障播報系統(tǒng)設計》6700字【論文】

-基于單片機的盲人避障播報系統(tǒng)設計目錄TOC\o"1-2"\h\u11776基于單片機的盲人避障播報系統(tǒng)設計 175231.設計方案 1306761.1功能描述 1154641.2設計方案 2189121.3方案論證 2192092.硬件電路設計 3228612.1STM32F103概述 335788M晶振：主要是用于設置單片機系統(tǒng)的頻率為72MHZ。 5213722.2超聲波測距電路 547472.3顏色識別電路 7143502.4LCD液晶顯示電路 8110472.5語音播報電路 9173803.軟件系統(tǒng)設計 1132663.1軟件主程序架構 11320873.2超聲波測距流程圖 12319363.3顏色識別流程圖 12130493.4LCD液晶顯示流程圖 13151373.5語音播報流程圖 1324644.制作調試 15294244.1軟件調試 15234344.2硬件調試 1528884.3系統(tǒng)調試結果 1531194結論 171.設計方案1.1功能描述本設計是以STM32F103單片機作為核心，一種低成本、微型化、高精度，并有數字顯示和聲音報警功能的盲人避障語音播報器。該設計最初計劃是在一個房間里做一個小規(guī)模的試驗，其限制距離大約為1.5米。

基于STM32F103單片機所具備的功能，外接了顏色識別模塊和超聲波測距模組。超聲波發(fā)出信號，當信號接觸到障礙物后再反射回來，反射后的超聲波經超聲波接收器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此型號進行技術判斷后，得到的計算結果將被送到LCD顯示電路中進行顯示，同時顏色識別電路檢測色彩是否為紅色，并進行語音報警。這就是一個示例的盲人避障語音播報器。1.2設計方案本次設計主要分為檢測、顯示和報警三大部分。單片機采用STM32F103單片機作為CPU處理器，檢測部分采用聲波模塊進行距離測量，LCD1602液晶顯示屏顯示檢測到的距離，按鍵用于設置警示的最小距離，TSC3200傳感器用于檢測顏色，揚聲器進行語音播報。圖1.1是整體設計框圖：LCD1602顯示器顏色識別模塊LCD1602顯示器顏色識別模塊按鍵設置按鍵設置WT588D語音播報器器WT588D語音播報器器超聲波測距單片機處理單元單片機處理單元圖1.1整體設計框圖1.3方案論證1.3.1主控核心芯片選擇方案一：以STC89C52作為主模塊的主控核心芯片。STC89C52芯片是一種八位的具有低功耗和高性能良好性能的CMOS微控制器，可提供可反復擦寫數據傳輸率的高性能Flash只讀程序存儲器的容量多達8k多個bytes的大小，擁有高性能隨機存取數據存儲器單元（RAM）容量則高達256個bytes的大小，在現(xiàn)代各種數字電子行業(yè)硬件設計應用中有著極其廣泛的硬件設計應用。方案二：STM32F103主控芯片。STM32是一ARM內核Cortex－M系列架構為基礎，具有高性能、低成本、低功耗和高集成度等特點的芯片，無需額外的時鐘芯片進行外部連接，具有SV的IO管腳與外設信息交互。通過對比，考慮到STM32有很強的運算能力并更具備非常多的外設模式，故采用方案二。1.3.2語音播報模塊的選擇方案一：ISD1402語音芯片采用CMOS技術，內部振蕩器，話筒放大器得到高質量的長達二十秒的錄音，且能非常自然地還原出聲音本質。方案二：WT588D語音芯片是一種款具有強大功能的語音單片機芯片，除了可以反復擦除燒寫外，還有支持多種語音處理算法的特點，并擁有著豐富的接口功能，有著非常好的可擴展性和可移植性。該語言芯片體積較小易于攜帶。

WT588D所擁有的高度集成的單片機技術足以取代復雜的外圍控制電路。配套WT588DVoiceChip上位機操作軟件，講信息下載到SPI-Flash上，即可隨意更換WT588D語音單片機芯片的任何一種控制模式。

其軟件操作方式簡單明了且撮合了語音組合技術，減少了語音編輯時間。通過對比，我們發(fā)現(xiàn)WT588D使用更為方便簡潔，更適合于本次設計，故采用方案二。1.3.3顯示模塊的選擇方案一：LCD12864液晶顯示屏，帶有中文字庫，像素數是128×64，能同時顯示出8字符、4字符及圖形。該顯示器采用了新型的電子元件和工藝，具有低噪音、高亮度、低功耗等特點，特別適合在大屏幕、大尺寸的電腦上使用。方案二：LCD1602液晶顯示器,具有顯示質量高的優(yōu)點,因為該液晶顯示器在接收信號時每個點都會保持相同的顏色與亮度,且恒發(fā)光,該特點使其就算使用普通的電源供電也能長時間地穩(wěn)定工作。LCD1602液晶顯示器還可以根據用戶的不同需求選擇不同的顏色和模式，更易于操作，在體積與重量上相比同等顯示面積的傳統(tǒng)顯示器更小更輕，液晶顯示器的功耗主要作用于其內部的電極和驅動IC上，這也使得他功耗遠小于其他顯示器。通過對比，在本設計中，我們對顯示模塊的要求僅用于顯示設置按鍵參數及測距數值顯示，不需要太多功效，故選擇方案二。2.硬件電路設計2.1STM32F103概述STM32F103單片機是STC公司較早生產用于工業(yè)控制的微控制器，具有低功耗高性能的特點,常用來控制傳感器及外設產品，然后自行處理計算出的數據及信號，出色的性能使得STM32F103單片機在工業(yè)生產中的常扮演重要角色。STM32F103單片機作為微小電路集成系統(tǒng)被廣泛應用于各行各業(yè)，為人們的生活帶來了極大的便利，給企業(yè)的管理與控制工作提供了巨大的幫助。單片機在生活當中應用非常廣泛，例如，對電器的控制，大到對空調、洗衣機、電視機等家電進行控制，小到對遙控器、鼠標、鍵盤和鬧鐘的控制等等，都包含了一個或多個不同型號的單片機。

但是隨著科技的不斷發(fā)展,單片機已經逐漸發(fā)展成為一種比較成熟的技術產品。它不僅能完成一般的數據處理功能，還具有強大的通信能力。為了滿足人們更智能化得需求，更多樣傳感器被應用到單片機中，這就使得單片機的功能更加強大也更具有多樣性。對于本次設計，我們選擇的單片機是STM32F103單片機。這款單片機與51系列的單片機相比較多出了不少的功能，其運行速度更快，自帶兩個AD轉換，STM32F103有著很強大的通信功能和控制功能。這一點是51單片機無法比擬的，STM32F103單片機的串口數量更多，所以對一些要求用串口進行通信的模塊就不需要通過CD4052等雙串口模塊來轉換，這一點被廣泛應用于市場，STM32F103單片機因為本身可以進行多種不同的時鐘模數來進行工作，所以在功耗要求比較嚴格的產品中占有一席之地。STM32F103特點：STM32F103系列的起振晶部分相較于傳統(tǒng)的廉價圓柱晶振，采用了RTC，低負載的方式。引腳個數為48個。工作頻率為72MHZ。單片機擁有三個普通定時器和一個高級定時器。單片機具有2個2位/16通道的ADC模數轉換。采用了3.3V穩(wěn)壓芯片，用以保證最大輸出300MA電流。支持ST-LINK和JTAG調試下載。存儲資源為64kbbyteFLASH和20byteSram。STM32F108實物圖如圖3.1所示：圖3.1STM32F103實物圖電源指示燈LED(PWR通常為紅色):如果電源指示燈亮亮說明單片機正常運行，如果較暗或者閃爍，表示此單片機可能存在故障。用戶LED(PC13):這個功能的使用大大的方便了我們進行一些比較簡單的功能測試，如單片機的運行狀態(tài)等，方便初學者進行更好的測試。單片機上采用了跳帽的方式，我們可以對STM32進行3種編程方式。如用戶的SARM、閃存和系統(tǒng)的存儲器。RESET：為單片機的復位電路。8M晶振：主要是用于設置單片機系統(tǒng)的頻率為72MHZ。32.768KHz晶振：可供內置RTC使用，避免了需要專門的時鐘芯片進行定時器處理等。2.2超聲波測距電路2.2.1超聲波測距電路的功能超聲波測距電路利用超聲波模塊進行測距，該模塊發(fā)射超聲波，當超聲波遇到障礙物后會折射回來并由接收器接收。通過計算超聲波發(fā)出到接收的時間差，再利用超聲波在空氣中的傳播速度，就可以方便快捷的算出障礙物與超聲波模塊之間的距離，然后發(fā)送給單片機，顯示在液晶屏上。2.2.2超聲波測距電路的工作原理該模塊的使用方法非常簡便，先在控制口發(fā)送10us高電平而后在接收口等高電平的輸出。定時器計時到低電平時，再把信號送到定時器，此時進行測距。此算法是通過對脈沖計數與計算得到距離。其優(yōu)點是一是速度快；二是精度高，可達毫秒級。由于采用了計數器和單片機技術，因此具有體積小，成本低等特點。這樣，一個連續(xù)周期測距就能實現(xiàn)。本次設計的測距范圍為1.5m。其主要工作原理是由超聲波探頭T將超聲波送出，在超聲波遇到障礙物時超聲波反射回超聲波探頭R。依據超聲波的傳播理論，利用超聲波發(fā)射和接受換能器之間的時間差來檢測物體與超聲波接收器間的距離。這種測量方式具有靈敏度高、測量速度快等優(yōu)點。距離是由超聲波應用于空氣中時計算出來的。測距公式如下：測試距離=(高電平時間×聲速(340M/S)/2)。2.2.3超聲波測距電路的接口設計IO口給出至少10us高電平信號并用TRIG觸發(fā)器測距，模塊自動發(fā)出8個40khz方波并檢測有無信號回傳;ECHO經IO口以高電平輸出，該高電平持續(xù)時間為超聲波自發(fā)出至回傳的時間。在本設計中超聲波電路2口接主單片機RX口，3口接主單片機TX口。

超聲波測距電路的電路圖如圖2.2所示： 圖2.2超聲波電路測距電路圖2.3顏色識別電路2.3.1顏色識別電路的功能顏色識別模塊是由TCS3200色彩傳感器組成的，其中包括4只白光LED燈以及全彩色彩檢測器（TAOS

TCS3200RGB感應芯片），TCS3200色彩傳感器在一定范圍內對幾乎全部的可見光進行探測與測量。在本設計中，該傳感器用于辨別盲人過馬路時，交通燈是否為紅燈，是否可通行。2.3.2顏色識別電路的工作原理白平衡告訴系統(tǒng)什么是白色。

在實際工作中，我們需要通過測量光源發(fā)出來的光量得到光源發(fā)出的光與被測物體反射回來的光之間的亮度差，從而得出被測物體的顏色。理論上白色是等量三原色的混合物，實際上白色中三原色并不相同，TCS3200光傳感器對3種基本色的敏感度是不同的，因而TCS3200三原色的RGB輸出值是不同的，因此在試驗之前必須必須要對該傳感器進行白平衡先進行白平衡調整，使TCS3200與被測“白色”三原色相當。該設備中白平衡調節(jié)的具體步驟及方法是將空試管置于傳感器之上，并將白色光源置于試管之上，使得入射光可以通過試管照射TCS3200;按照前文所述方法依次選擇紅，綠，藍濾波器分別測量紅，綠，藍三色數值，進而可以計算出所需的三個調節(jié)參數。在使用TCS3200進行顏色識別時，首先要調節(jié)被測顏色的RGB值。最后根據測量結果，確定是否需要重新選擇濾波器或調整濾波器中濾波單元的中心頻率。其次是將定時器設為固定時間(如10ms),然后選擇三色濾波器計算TCS3200在此期間輸出脈沖數并計算比例因子，由比例因子可將這些脈沖數轉化為255。實際測試中，用相同時間計數并將所測脈沖數與所得比例因子相乘，則可獲得相應的RGB值。

測試實現(xiàn)程序參見附件D。2.3.3顏色識別電路的接口設計輸出比例因子和電源關斷模式是通過S0,

S1來選擇的,

S2,

S3可以用來選擇濾波器的類型,

OE是頻率輸出的使能引腳還可以控制輸出狀態(tài)，在多個芯片的引腳和微處理器的輸入引腳公用的情況下也可以作為片選信號,

OUT是頻率輸出的引腳,

GND是芯片接地的引腳,

VCC是芯片的工作電壓。本設計中TCS3200的S2口接主電路板A12口，TSC3200的S3口接主電路板A15口，TSC的OUT口接主電路板B3口。TCS3200傳感器的引腳如圖2.3所示：圖2.3TCS3200傳感器電路圖2.4LCD液晶顯示電路2.4.1LCD液晶顯示電路本次設計中LCD1602液晶顯示屏上展示檢測到的避障器與障礙物之間的距離以及通過按鍵設計的最小提示距離。2.4.2LCD液晶顯示電路的工作原理本設計是以LCD1602型液晶顯示器作為輸出顯示器，LCD1602為工業(yè)字符型液晶顯示器，該顯示器有兩行輸出，每一行都有16個字符，可同時顯示16×2或32個字符。LCD1602液晶屏采用液晶特性，通過改變電壓控制相關區(qū)域進行顯示，最后顯示所需的數字。2.4.3LCD液晶顯示電路的接口設計圖2.4是LCD1602液晶屏的引腳圖，從圖中可以看出，引腳1是電源的接地引腳，V0和單片機的GND相連，引腳3—VO引腳是用來調節(jié)顯示屏的顯示亮度，引腳2為工作電壓5V的VCC電源的輸入引腳，引腳4—RS引腳用來將寄存器中讀出的高電平轉換為可在數據寄存器中存儲的低電平，并向指令寄存器發(fā)送由引腳5產生的RW（讀寫信號）信號，引腳6與EN的使能端相連接，將高電平轉換為低電平。引腳9-ED引腳與單片機之間沒有直接聯(lián)系，只用來傳輸中斷信號。引腳10、11分別與單片機的I/O端口相連接。引腳12與MCU相連，并通過控制背景燈的亮滅來切換不同的電源引腳；

在與單片機的通訊中，與P0口相連的，中間應有一個上拉電阻。在本設計中，LCD1602液晶顯示電路的D0到D7接口分別連接主電路板的A7到A0接口，顯示電路的EN接口接主電路板的B0接口，顯示電路的RW接口接主電路板的B1接口，顯示電路的A口接主電路板的C15口。圖2.4LCD1602液晶顯示電路圖2.5語音播報電路2.5.1語音播報電路功能本設計中WT588D語音芯片，用于語音播報報警提示。通過對采集的數據進行分析處理，當外界顯示紅燈或超聲波檢測到距離低于安全距離STM32F103單片機控制WT588D語音芯片來播報當前的內容。2.5.2語音播報電路的工作原理WT588D語音芯片他通過外minu下載器來下載對應的語音文件，例如播報歡迎光臨等，那我們就要通過minu下載器對這段語音歡迎光臨進行編輯。在播放一段音頻時，單片機根據這個時間來判斷是否需要播報一段語音。如果不需要播報的話，單片機則可以直接將這段聲音傳輸到其他地方去。揚聲器是用于語音播報的喇叭。2.5.3語音播報電路的接口設計P02為復位引腳，除P03口為數據引腳外，其余均可不接，在本設計中，語音播報電路的P03引腳接入主電路板的VB引腳。如圖2.5為語音播報電路圖：圖2.5語音播報電路

3.軟件系統(tǒng)設計3.1軟件主程序架構本次設計中硬件端設計調試完成后，就開始對外設傳感器和單片機進行軟件設計。系統(tǒng)設計的第一步是明確構思，確定一張流程圖，首先,要對每個硬件都開始初始化，之后各個模塊開始工作，實時超聲波測距并進行相應的語音播報操作。啟動的步驟為：STM32開始配置引腳，顯示模塊初始化，超聲波模塊初始化同時顏色識別模塊初始化，最后語音模塊初始化，進行語音播報，按鍵設置報警下限。當低于報警下限值時，或當顏色識別檢測為紅色時，單片機驅動語音進行報警，本次設計的主流程圖如圖3.1所示：圖3.1主流程圖3.2超聲波測距流程圖首先超聲波模塊進行供電，然后單片機控制超聲波模塊工作，通過發(fā)射超聲波進行折射檢測的原理，計算出距離，并通過RX和TX引腳與單片機進行通信，將信息發(fā)送給點騙局。超聲波測距流程圖如圖4.2所示：圖3.2超聲波測距流程圖3.3顏色識別流程圖

系統(tǒng)初始化之后，

測試白平衡調整的必要性。

如果是，則進入白平衡子程序；

否則，則轉入下一步，檢測顏色識別的必要性。

如不需要，

則轉入下一步；如果需要進行顏色識別，則將其存為CCED文件。然后啟動顏色識別子程序，判斷該文件是否是指定的顏色。若不是。則

返回顏色識別,調用顏色識別子程序。

一直到顏色識別。

顏色識別流程圖見圖3.3：圖3.3顏色識別流程圖3.4LCD液晶顯示流程圖LCD1602液晶顯示屏通電后，先執(zhí)行初始化操作，首先將屏幕清零并清空內部存儲，

單片機通過雙向通信將數據傳送給單片機控制顯示屏顯示內容和延時，當接收到超聲波信號時，啟動液晶顯示屏。

單片機操控寫引腳寫上想要顯示的內容指令。

然后通過串口把數據傳到上位機（PC機）.最后上位機對信息做處理并保存下來；當需要查看時可直接讀取或調用，

之后顯示屏執(zhí)行命令并顯示內容，LCD1602顯示流程圖如如3.4所示：3.5語音播報流程圖主函數執(zhí)行后，一直檢測是否發(fā)生中斷，首先通過按鍵設定最小距離，然后檢測當前距離是否低于最小設定距離，一旦低于最小設定距離，單片機給語音芯片發(fā)送指令，控制揚聲器進行播報。語音播報流程圖如圖3.5所示：圖3.5語音播報流程圖圖3.4LCD1602顯示流程圖4.制作調試4.1軟件調試本次設計有效地利用Keil開發(fā)軟件對單片機程序進行編程仿真調試，通過開發(fā)板將代碼文件錄入給單片機，當系統(tǒng)通電后，由單片機主程序來完成各模塊初始化工作，并檢測各按鍵有無按鍵動作，如果有按鍵動作則執(zhí)行相應程序。對整個系統(tǒng)運行的狀態(tài)通過認真觀察，再反復地修改調試程序，最終得到一個完善的程序。4.2硬件調試準備好所有的材料和電烙鐵，按照設計好的電路板原理圖，開始單片機電路板的焊接。首先將插排焊接上去，之后焊接單片機最小系統(tǒng)的晶振和復位電路。確定好LCD1602液晶顯示屏位置，將上拉電阻焊接在P0口，之后通過導線連接顯示屏。后面分別焊接各個傳感器模塊，按鍵，電源電路。最后用導線將各個模塊按照電路圖連接起來，確保沒有出現(xiàn)短路現(xiàn)象。STM32F103單片機用燒錄器將編譯好的軟件燒錄進去，最后插入到插排上。用5V直流電源供電，按下開關，觀察LCD1602液晶顯示屏是否正常顯示，正常顯示后，表明顯示電路是正常的，然后觀察其它傳感器的工作情況，顯示屏有無輸出，若顯示正常則一切都沒問題，當出現(xiàn)問