基于单片机的导盲系统的设计Word格式.docx

1、1.1 研究背景和意义11.2 国内外已经研制成功的超声波导盲装置21.2.1 电子导盲仪31.2.2 移动式机器人31.2.3 穿戴式导盲仪41.2.4 引导式手杖51.3 本系统的主要研究内容52 超声波测距的工作原理72.1 超声波72.1.1 超声波概述72.1.2 超声波衰减82.2 超声波传感器92.2.1 超声波传感器的特点92.2.2 超声波传感器的结构及原理102.2.3 传感器的主要参数102.3 超声检测的原理和方法113 GPS 和 GSM 的工作原理133.1 GPS 系统的构成及基本定位原理133.1.1 GPS 系统的构成和特点133.1.2 GPS 的定位原理1

2、53.2 GSM 技术173.2.1 GSM 综述183.2.2 GSM 模块中的 AT 指令和短消息184 单片机导盲系统总体方案设计204.1 总体实现的功能204.1.1 障碍物检测204.1.2 GPS 采集数据214.1.3 GSM 通信214.1.4 ISD 语音播放214.2 系统方案选择214.2.1 系统总体方案214.2.2 系统控制芯片选择224.2.3 无线通信方式选择23II5 单片机导盲系统的的硬件设计245.1 系统的结构框图245.2 系统的硬件组成245.2.1 控制中心255.2.2 超声波测距模块255.2.3 GPS 采集模块275.2.4 GSM 短信

3、模块275.2.5 语音提示模块286 单片机导盲系统的软件设计306.1 系统的总体流程图306.2 GPS 模块程序设计316.2.1 GPS 数据与 GPS 协议316.2.2 GPS 模块程序设计326.3 GSM 模块程序设计346.3.1 GSM 模块指令346.3.2 GSM 模块程序设计367 系统调试 3. 87.1 系统软件调试387.2 GPS 数据调试397.3 系统硬件调试397.4 测距调试407.5 GSM 电话短信调试40结论 4. 1致谢 4. 2参考文献： 4. 3附录 4. 5源程序：45外文资料翻译571 绪论1.1 研究背景和意义我国曾在上世纪80 年

4、代进行过视力残疾状况调查，结果显示，我国有视力残疾患者近1300 万，其中盲人约就有550 万。从全国防盲技术指导组办公室得到的数据也显示，我国有500 万盲人，占世界盲人总数的1/5 1。随着人民生活水平的不断进步，让生活变得越来越简单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。虽然在现实生活中大多数的盲人都是由普通的拐杖来辅助行走的，但这种拐杖只是一根普通的长杆，存在着太多的不足，比如不能探测上方悬挂的障碍物，不能识别稍远一点的障碍物等2。导

5、盲犬虽然是引导盲人行进的不错选择，然而训练的不易、耗时及成本高昂也使得导盲犬的使用率并不高。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。GPS 全球定位系统是一个基于卫星导航定位技术的全天候、被动式无线电3导航、定位、授时系统 。目前我们所用到的导航定位产品几乎全部是以GPS 全球定位系统为基础应用的产品，GPS 导航定位系统以其高定位精度、全天候定位等优势被广泛应用到各个领域中，同时也带来了美好的市场前景，其拥有着不可替代的地位。GPS 全球定位系统目前已经成为应用最为广泛的、具有80广阔的应用前景的一种定位系统。

6、目前，全球90% 以上的导航定位设备都在向GPS 定位靠笼。GSM 移动通信系统是我国国内目前发展最成熟和市场占有量最大的一种数字蜂窝移动通信系统，其新业务、新功能也是层出不穷。当然在利益的驱使之下，许多的新业务及功能都是为了满足用户的移动定位需求，面对国内人数超过5 亿的用户群体，移动定位技术的快速发展也就显得迫在眉睫了6。随着GPS 全球定位技术和 GSM 通信技术的广泛应用和发展，通信链路的建立、数据信息的传输显然已经成为实际应用中尤为突出的问题了。GSM 系统短消息业务的快速发展使人们看到了一种全新的解决问题的途径，同时也使得GSM 网络和GPS 技术的应用领域更加广阔，他们之间的联系

7、愈加紧密。GPS 和GSM 的联合定位早在2007 年的欧洲，就已经有了长足的发展，随着国内的快速发展，GPS 和GSM 的联合定位的需求也呈现快速的增长态势。本课题就是利用GPS 定位和GSM 移动定位两种技术，同时利用GSM 系统的短信技术来实现导盲系统的信息定位。1.2 国内外已经研制成功的超声波导盲装置为了提高盲人的生活质量，增加其行走能力，世界各国一直在进行着导盲系统的研制。有许多研究已经有了成功的案例，其中无线电、卫星导盲系统和红外线导向灯系统，要求改善周围的环境设施，患者借助于外来信息确定自身的方位，虽然反映的信息较多，但耗资庞大，信息量固定，发展更新迟缓，而且也很容易受到外来信

8、息的干扰或者遭到人为的破坏；电子眼镜用光导和摄像原理将景物和周围物体成像转换成相应的听觉信号，虽然结构简单，信息质量固定，但是系统复杂、成本昂贵。超声波导盲系统实现成本低、使用方便、抗。电磁干扰强、对光线不敏感、无电磁辐射，因此被广泛采用。已经研制成功的超声波导盲系统主要分为四类：基于电子技术的导盲仪、移动式机器人、穿戴式导盲仪和导引式手杖51.2.1 电子导盲仪电子导盲仪（简称ETA）的工作原理与雷达系统类似，由探头向一定方向发送一连串的超声探测波，这些超声波在传送过程中遇到障碍物会被反射回来，被指定的传感器接收，从接收到的回波中可以得到障碍物的信息。最早使用超声的ETA 产生于1965 年

9、，名字为Russell Pathsounder ， 它是将两个超声探头安放在好后挂在人的颈部，然后把它放置于位于胸部高度的板上。收到前方障碍物的信息后仪器就会产生声音报警，但这种仪器仅能产生三种滴答声，通过这种滴答声粗略地提示目标距离。完成于 1974 年的Sonicguide，它的外型类似于一个眼镜框，一个具有55 声束角的广角超声发射器安放在镜架的中央，两个超声波接收器被分别安放在镜框的两侧。两个接收器获得的信号经过频移，分别传入左右耳。使用者根据传入两耳之间的声音强度差，可以判断出障碍物的方向（声音以立体声呈现，靠近物体的那只朵听见的声音大于另一只耳朵听见的）；障碍物的距离被编码成可听低

10、频声音的频率（声调越高，距离越近）；物体的某些表面特征通过声音的特征来体现（例如，不均匀分布的声音可能表示一棵树，均匀分布的声音可能代表一面墙）。结合使用者头部的运动，能清楚的获得障碍物的位置61.2.2 移动式机器人移动式机器人目前广泛的应用在工厂自动化中，主要用于物件的搬运。由于安全与自动化的的要求，移动式机器人一般具有多种的感测器、强大的计算能 力 以 及 高 度 的 智 能 化 的 障 碍 物 躲 避 系 统 （obstacel avoidance systems,OAS），OAS 可以探测障碍物的位置，并制定出合理的行走计划，使得机器人在复杂的环境中可以进行自主的导航，例如：位置估测

11、、路径规划、轨迹追踪、障碍物闪避等复杂的功能。因此基于移动式机器人技术的导盲仪，功能上较EAT 有很大提高。移动式机器人虽然比ETA 功能更完善，更加的智能化，但是它的结构过于复杂，因此对于倾斜路面、上下楼梯或者需要跨越的障碍物的处理相当困难，在行动的范围与地形上也会受到限制；并且行走的路径是由移动机器人规定决策的，这导致盲人使用者的行进是被动式的被机器人引导；此外即时的自主式行走需要大量的复杂算法的持，导致硬件及开发成本上都会付出相当高的代价，因此并没有得到广泛的应用。1.2.3 穿戴式导盲仪NavBelt，顾名思义是一种具有导航功能的腰带，是由美国密执安大学移动机器人实验室的科技人员Bor

12、enstein 与Koren 共同发明的。NavBelt 的概念形成于1989 年，它的设计理念来自于移动式机器人与盲人两者在运动上的相似性。移动式机器人与盲人同样具有执行运动、行进的能力，但却同样需要一个探测系统来探测行进路上的障碍物并加以躲避，因此直接将移动式机器人的障碍物躲避系统穿载在盲人的身上，盲人作为半被动的接受障碍物躲避系统命令的运动工具，并且具有比移动式机器人更灵活的行动能力。该装置由安放8 个超声探头的腰带、置于背包的小型计算机和立体声耳机组成。超声探头收发一体，声束角为150 ，采用误差消除快速超声激发理论可以消除重叠干扰，均匀排列的8 个探头可以探测到120 范围的物体。O

13、AS 运用矢量场直方图技术将超声探头获得的信息加以处理，通过立体声耳机，采用立体声图像技术，指引使用者行走。NavBelt 因为是穿载在盲人的身上的，因此无法像导盲犬一样提供给盲人心理的安全感和依赖感8。1.2.4 引导式手杖较为新颖的导盲机器设计是在拐杖的末梢接上一组载有许多传感器、小型控制计算机而下方装有导轮的移动式平台，也就是将原本移动式机器人的动力系统移除，保留智能感测的部分。这样的架构特点是：舍弃动力装置，可充分减少机器的体积重量及盲人的负担，大大提高机器的可移植性；系统复杂度减小之后，可以着重在感测系统与导航辅助技术的设计上；轮子拐杖的机构设计相对于NavBelt ，在心理层面上可

14、以给予盲人较大的依赖感与安全感。因此导引式手杖的设计可以祢补目前拐杖、电子式行进辅具、移动式机器人及NavBelt 的缺点。目前已存在的此类型机器主要是Borenstein 的GuideCane 。GuideCane 的概念形成于 1995 年，它是美国密西根大学继NavBelt 之后研发的，它的外形类似一种立式吸尘器或一台割草机，可看作为电子导盲犬。这种引导手杖由三部分构成：手柄、机架和车轮。在使用时，使用者握住手柄，推动GuideCane行进。通过手柄上的微型控制杆，设定行进目标方向。根据超声探头获得的信息，运用VFH 技术，计算机产生周围环境的虚拟地图，通过伺服电机，控制转向轮的方向，引

15、导使用者行进。GuideCane 与NavBelt 相比是将原先有人背负的设备转至拐杖末端的移动式平台上，减少了机器的体积重量给使用者带来的负担，提高了可操作性。GuideCane 的缺点是体积还是过于庞大，不便于携带，而且成本较高，所以不便于推广。1.3 本系统的主要研究内容随着超声波检测技术的发展，避障的方法也越来越多样，本系统主要的研究内容是基于单片机的超声波导盲系统设计，设计的理念是低成本，操作简单， 功能完善，便于携带的导盲产品。系统的核心硬件采用ST 公司新推出的基于STC89 系列处理器，通过其对外围电路的控制以自身强大的信号处理能力实现对周围障碍物的检测功能。在探路模式下系统能

16、够实现超声波测距，当距离为警戒距离时，语音模块将提示信息通过语音模块提醒用户，同时 LED 灯明灭以通知路人；在通信模式下用户可拨打固定电话实现通信功能。如遇到紧急情况， 用户可实现一键紧急报警功能，将 GPS 定位信息通过 GSM 发送到固定手机，以便得知用户信息. 2 超声波测距的工作原理蝙蝠擅长在黑夜中飞行，在漆黑的环境里仍能够准确的判断物体的方位及距离，并能有效的避开树、建筑物等障碍物，以极快的速度精确地飞翔，蝙蝠的这种功能是通过回声定位来实现的。所谓回声定位，就是某些动物能通过口腔或鼻腔把从喉部产生的超声波发射出去，利用折回的声音来定向。根据蝙蝠的这种仿生学原理，超声检测与识别技术得

17、到了广泛的应用，特别是医用以及工业领域中，如医学超声检测，超声探伤等。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，同时超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制的特点3。2.1 超声波超声波具有定向好、穿透性好、测距范围宽和准确度高的特点，通过发射具有特征频率的波对被射目标进行探测，超声波传感器比较耐脏污，即使传感器上有尘土也可以测量，便于盲人在使用过程中适应不同的环境。2.1.1 超声波概述声波按频率高低不同可分为四种 7：频率在16KHz 20KHz 之间的机械波，能为人耳所闻，称为声波；低于16KHz 的

18、机械波称为次声波；高于20KHz 的机械波称为超声波；高于10MHz 的机械波称为特超声波。声波产生的条件是首先要有一个作机械振动的质点作波源，其次要有传播振动的弹性介质。此外，当振动传播时，振动的质点并不随波而移走，只是在自己的平衡位置附近振动而已，这与电磁波是完全不相同，与光波也不同8。因此超声波作为一种高于人的听觉范围的声波，与光波与电磁波不同，是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播；电磁波的传播速度为 3000Km/s，而超声波的传播速度为340m/s ，其速度相对电磁波是非常慢的，对于相同频率的情况下波长较短，因此可以提高测量的分辨率；超声波在相同的传播媒体里传播速度相同，

19、即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，作为纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的10。超声波作为一种特殊的声波，同时又具有方向性好，加速快等特点，而且波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米，因此与可听声波比较，超声波在传播特性和功率特性都有一定的优势。在传播特性上，超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播， 超声波的波长越短，这一特性就越显著。在功率特性上，当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下

20、，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。2.1.2 超声波衰减声波在媒质中传播时，其强度随传播距离的增加而逐渐减弱的现象，统称为声波的衰减。声波的衰减主要分为三种主要类型11：吸收衰减、散射衰减和扩散衰减。其中，吸收衰减主要是由于传播介质的粘滞性，使超声波在介质中传播时造成介质间的内摩擦，从而使一部分声能转化为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗；散射衰减是由于声波在遇到媒质界面时，向不同的方向产生散射，从而导致声波减弱；扩散衰减则是由声源特性引起的，是因为声波传播过程中因波阵面的面积扩大导致的声强减弱，若声源辐射的是球面

21、波，其波阵面随r增大，声强随r减弱。在理想介质中声波的衰减仅来自于声波的扩散。在实际的应用中，一般选用30K 200KHz 的超声波进行距离测量，比较典型的频率为40KHz 。2.2 超声波传感器超声波传感器具有测量方式原理简单、易于实现和测量的精度高的特点。由于超声波传感器有一定的覆盖性，所以可以用较少的传感器数量覆盖较大的测量范围。2.2.1 超声波传感器的特点超声和可闻声在本质上是一致的，它们都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量的传播形式，都能在媒质中发生反射、折射、衍射、散射等传播规律，其不同点是超声频率高，波长短。由于声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复

22、振动而对微粒做功，而且在相同强度下声音的频率越高做功也越多，因此与一般的声波相比，超声波的功率要大得多。同时超声波的波长非常短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍， 因此超声波的衍射特性也很差，在均匀介质中能够沿直线定向的传播。超声的这些特性被广泛的应用于超声波探伤、测距以及超声成像技术中。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的用于产生和接收超声波的器件，它既能够把其他形式的能转化为所需频率的超声能又能够把超声能转化为其他形式的能11。2.2.2 超声波传感器的结构及原理15目前常用的超声波传感器主要分为电声型与流体动力型两类。其中电声型主要有压电传感器、磁致伸缩传感器和静电传感器。在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨” 或“笛”。包括有气体与液体两种类型的哨笛。超声探头以压电式最为常用。传感器超声探头的工作原理如图2.1 所示。它的材料主要是压电晶体和压电陶瓷，利用压电材料的压电效应来工作的,逆压电效应是将高频电振动转化为高频机械振动，从而产生超声波；而正压电效应，是将超声振动波转化为电信号。正压电效应机械能压电介质电能负压电效应 图2.1 超声波发送接收原理图2.2.3 传感器的主要参数超声传感器有许多不同的结构，根据压电晶片的直径和厚度的不同，每个探头的性能是不同的，其主要的性