基于单片机的电子导盲杖设计

智能仪表设计基础课程设计课题名称电子导盲杖学生学号学生姓名所在班级指导教师二〇一二年九月目录1.功能要求及性能指标1.1课程设计的目的和设计任务………………………………………………（1）1.2课程设计的要求和技术指标………………………………………………（1）2.方案设计2.1硬件方案……………………………………………………………………（2）2.1.1测距模块方案选择…………………………………………………（2）2.1.2语音模块方案选择………………………………………………（3）2.1.3显示模块方案选择………………………………………………（4）2.1.4震动模块方案选择…………………………………………………（4）2.2软件方案…………………………………………………………………（4）3.硬件设计3.1STC89C52单片机介绍……………………………………………………（6）3.1.1引脚分布及定义……………………………………………………（6）3.1.2定时器……………………………………………………………（8）3.2HC-SR04超声波模块介绍…………………………………………………（8）3.2.1模块实物图及说明………………………………………………（9）3.2.2测距电路设计……………………………………………………（9）3.2.3测距程序设计……………………………………………………（11）3.3ISD1420语音芯片介绍…………………………………………………（12）3.3.1芯片引脚图及功能说明…………………………………………（12）3.3.2语音录放电路的设计……………………………………………（13）3.3.3语音程序设计……………………………………………………（14）3.4震动模块及LED灯的控制………………………………………………（15）3.5总原理图…………………………………………………………………（16）3.6仪器仪表清单……………………………………………………………（18）4.软件设计4.1程序程序设计……………………………………………………………（18）4.2程序调试结果……………………………………………………………（22）5.设计小结………………………………………………………………………（23）参考文献附录一：课程设计任务书附录二：软件程序清单11.功能要求及性能指标1.1课程设计的目的和设计任务世界上视觉障碍者数量众多，他们只能用百分之六十的感觉来获取信息。盲人在独自行走时主要依靠导盲装置，最简单常用的导盲装置是普通的拐杖，用它在地面上敲击，可帮助盲人发现0.5米以内的障碍物。它的主要缺点是不能发现较远一点的障碍物以及悬空的障碍物。随着社会的发展，传统的导盲杖已经远远不能满足盲人的需要了。超声波导盲杖是为视觉障碍者提供环境导引的辅助工具，它通过超声波传感器对周围环境进行探测，将探测的信息反馈给视觉障碍者，帮助他们弥补视觉信息的缺失。1.2课程设计的要求和技术指标设计要求：本作品由超声波测距功能、前方障碍物语音警示功能、震动警示功能、夜间警示路人功能。在盲人走路时，如果前方1米处有障碍物，则盲杖自动语音提示“前方一米处有障碍物，请注意！”，如果前方1米处没有障碍物，无提示音；如果前方2米处有障碍物，则盲杖自动语音提示“前方二米处有障碍物，请注意！”，如果前方2米处没有障碍物，无提示音；如果前方3米处有障碍物，则盲杖自动语音提示“前方三米处有障碍物，请注意！”，如果前方3米处没有障碍物，无提示音。手柄震动警示功能，可以让盲人在嘈杂的环境中通过手柄的震动接收到前方障碍物信号，弥补了语音提示在嘈杂环境中的弊端。夜间警示路人功能，在夜间遇到4米以内障碍物时，盲杖上的指示灯亮，可以警示前方路人注意盲人的位置，注意避让盲人。盲杖具有使用方便，功耗低，实用性，是盲人出行外出的好助手。技术指标：超声波测距模块：可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达3mm。ISD1420语音芯片：具有20秒高保真语音录放功能，通过具有专利技术的模拟处理存储方式，使录放音质极佳，没有常见的的背景噪音，且电路断电后语音内容仍不丢失。2.方案设计2.1硬件设计方案电子导盲杖的总体框图如下图（图1）所示，它由超声波模块、单片机、语音模块、震动模块、警示模块、校准模块组成。2图1硬件原理框图2.1.1测距模块方案选择方案一：红外测距利用红外线测距，测距里程可达1-5公里。利用红外线传播时的不扩散原理：因为红外线在穿越其他物质时折射率很小，所以长距离测距会考虑红外线，而红外线的传播是需要时间的，当红外线从测距仪发出，碰到反射物被反射回来被测距仪接受，在根据从发射到接受的时间及红外线的传播速度就可算出距离。方案二：激光测距利用激光对目标的距离进行准确测量，测程可达40公里。激光测距在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。方案三：超声波测距超声波测距是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的，测控距离为2cm到4m。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物会立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即中断停止计时。通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所发射的回波，从而测出发射超声波和接收超声波的时间差，然后根据超声波的速度算出距障碍物的距离。选择方案三原因：方案一的红外线测距，在距离较短的情况下，从发射到接收的时间过短，用单片机很难计算出，因此红外测距适合较长距离的测量。方案二的激光测距，虽然测量精度较高，但是价格昂贵。因此，在精度要求不是很高的情况下，选择价格便宜，适合短距离测量的超声波测距模块更为合适。2.1.2语音模块选择STC89C52单片机HC—SR04超声波模块ISD1420语音模块震动模块警示模块校准模块3方案一：ZLG1730语音芯片ZLG1730语音芯片，内部采用多层次存储技术，在单个芯片上提供了自然的，高质量的录放决方案。输入语音信号直接存储在环形Flash存储器中，且能重现自然的音质。芯片带有两种操作模式：独立按键模式，微控制器（SPI）模式。在独立按键模式下，无需知道消息存储在存储器里的准确位置就可以对消息进行录制、播放、擦除和快进操作。在SPI模式下可以通过4条串行接线口来实现分段录制和播放等操作，但需要另外购买编程器。方案二：ISD1820语音芯片ISD1820语音芯片是单片8-20秒的单段语音录放电路，基本结构与ISD1420完全相同，采用CMOS技术，内含振荡器，话筒前置放大，自动增益控制，防混淆滤波器，扬声器驱动及FLASH阵列。放音模式有三种可选择，其音质比通常的话筒放大器要好很多，而且不会出现喇叭过载的情况。整个电路耗电极低，几乎为0。录入的时间越短音质越好，录入的时间越长，音质越差。方案三：ISD1420语音芯片ISD1420录放音质极佳，没有常见的的背景噪音，且电路断电后语音内容仍不丢失。通过A0-A7地址端选择不同地址进行录音，每位地址代表125毫秒的寻址，160个地址覆盖20秒的语音范围，只需要将录制的时间大致计算出来，除以125，就可以准确知道每段录音的播放首地址。在接入单片机控制后，只需要将对应地址赋值，就可以播放不同段的语音信息。录音及放音功能均从设定的起始地址开始，录音结束由停止键操作决定，芯片内部自动在该段的结束位置插入结束标志（EOM）；而放音时芯片遇到EOM标志即自动停止放音。选择方案三原因：方案一的ZLG1730模块，虽然可以通过软件分段录放音，但是需另外购买下载编程器，价格和其他两种方案比，较昂贵。方案二的ISD1820模块只能进行单段语音的录放，不能实现要求的分段播放功能，因此不宜选择。方案三的ISD1420模块就在同等条件下较合适，能直接用单片机控制分段播放，价格便宜实惠。综合考虑，选择方案三。2.1.3显示模块方案选择方案一：ZLG7290数码管显示ZLG7290数码管，内部有显示RAM，能自动将显示RAM中的内容动态显示在相应的数码管上。内部有I2C串行接口，方便与处理器相接。可驱动8位共阴数码管或64只独立LED和64个按键。它的扫描位数可控，任一数码管闪烁可控，无需外接元件即可直接驱动LED。方案二：1602液晶屏显示1602液晶模块采用标准的16脚接口。它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。选择方案一原因：电子导盲杖中不需要用到专门的显示部分，而加入显示只是为了在测距的时候能够知道测量的距离是否准确，或者校正时使用。因此，若选择4方案二有点浪费单片机的IO口。从经济角度考虑，实验室有集成的ZLG7290模块，而没有1602液晶屏，另外购买会造成浪费。综合考虑，选择方案一。2.1.4震动模块的选择方案一：直流电机加偏振块震动是在电机转动时由于偏振块的作用而产生的。直流电机的应用广泛，可直接加上电压而不会烧坏，但对电流要求较高，价格便宜，方便购买。方案二：偏振电机偏振电机在手机等众多领域有广泛应用，可直接加很小的电压就可以驱动，所需电流相对较小。选择方案二原因：方案一中虽然直流电机购买方便，但是偏振块却难以实现，市场上也没有单独的偏振块购买，从网上订货不方便。而且直流电机虽然震感强烈，但所需电流一般单片机难以直接提供。方案二的偏振电机市场上也几乎没有，但可以直接从手机等废弃的电子产品上拆下，只需要很小的电流电压就可以驱动，无需另外增加驱动电路。综合考虑，选择方案二。2.2软件设计方案本课程设计的软件设计部分主要采用C语言编程，简单易懂。分别对每个模块独立编程，再将所有整合，即可实现需要的功能。主程序中，先将各个模块初始化，定义变量及赋初值。给超声波一个脉冲触发它开始工作，然后开始计时，在收到回波信号后，立即停止计数。此计数值就是从发射到接收的时间，乘以超声波此时的速度，就可以算出障碍物距超声波的大致距离，可以将此距离直接显示。根据距离的不同，发出不同的语音提示和震动。下图（图2）为软件设计框图：5主程序单片机初始化；超声波初始化；语音初始化；定义变量及赋初值；定时器设置工作模式；开启总中断；设置警示灯为熄灭态；关闭总中断；用20us脉冲启动超声波；有回波？清测量成功标志位；开各中断允许；定时器1赋初值；启动定时器1；延时等待测量结果；关闭定时器中断；测量成功标志位为1？数据处理数据清零显示与语音播报；NYYN图2软件流程图63.硬件设计3.1STC89C52单片机介绍STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。3.1.1引脚分布及定义图3STC89C52RC引脚图STC89C52RC引脚分布如图三所示，引脚功能说明如下：VCC（40引脚）：电源电压7VSS（20引脚）：接地P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“