智能导盲系统设计文档格式.docx
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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16kHz～20kHz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3×
108m/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。
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，
本科毕业设计说明书（论文）第7页共46页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：
d3355（cm0/s）t（s）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）：
1
Sct式（2.2）
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。
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
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：
8K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3.3AT89S52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：
P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出。
P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）。
P1.5MOSI（在系统编程用）。
P1.6MISO（在系统编程用）。
P1.7SCK（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：
P3.0RXD（串行输入口）、P3.1TXD（串行输出口）、P3.2INTO（外中断0）、P3.3INT1（外中断1）、P3.4TO（定时/计数器0）、P3.5T1（定时/计数器1）、P3.6WR（外部数据存储器写选通）、P3.7RD（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
本科毕业设计说明书（论文）第13页共46页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
RST
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，所以本科毕业设计说明书（论文）第14页共46页慢慢的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
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