盲人自动避障装置毕业设计.docx
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盲人自动避障装置毕业设计
摘要
针对盲人行走过程中无法了解到前方是否存在障碍物的问题,本文设计了一种新型的基于单片机控制的盲人自动避障装置,且该装置带有语音提醒功能。
本方案通过超声波的发送和接收来检测前方一段距离内是否有障碍物存在,若有,则语音提醒模块发出提醒信息。
语音电路根据障碍物距离发出不同频率的报警声音,以提醒使用者。
此时使用者可按下按键,报警响声中断。
报警声响起时,电路板上的LED灯会亮起,以提醒路人让路。
本文所采用的主要芯片有超声波测距模块US-100,语音芯片ISD4004,音频功放TDA2822。
本装置的设计所采用的主要方法是:
采用两个超声波模块进行测距,其中一个模块的超声波探头垂直向下,另一个模块的超声波探头斜向下。
二者夹角为60°。
由于超声波模块US-100的测距范围是:
2㎝-450㎝。
因而采用这样的方式进行测距,水平测距范围是0.6㎝-389㎝。
采用这样的方法进行测距与只采用一个超声波模块平行进行测距相比较的优点是:
(1)当前方的有坑时,也能检测出来并及时报警
(2)能检测到高于地面的所有障碍物。
语音芯片ISD4004可存储8分钟的录音时间,本芯片录了四段录音:
当离障碍物389㎝-200㎝时播放第一段录音,当离障碍物200㎝-100㎝时播放第二段录音,当离障碍物100㎝-0㎝时播放第三段录音,当前方有坑或沟时播放第四段录音。
通过多次实物验证,能实现预期目标。
本文是在基于单片机控制的超声波测距原理的基础上,配以其他的外围电路来实现避障功能的。
此装置简单实用且便携,设计在很大程度上解决了盲人行走中的安全问题。
关键字:
单片机AT89S52;超声波测距US-100;语音提醒ISD4004;音频功放TDA2822
Abstract
Inviewoftheproblemthattheblindcan’tunderstandwhetherthereareobstaclesinfrontduringwalking,anewobstacle-avoidanceautomaticdevicewasdesigned,whichisbasedonsingle-chip.Inaddition,ithasthefunctionofvoice-reminding.Theschemeisbymeansofultrasonic’ssendingandreceivingtodetectadistanceaheadwhetherthereexistwithintheobstacles.Ifany,voiceremindermoduleisareminder.Voiceremindermodulesendsthefrequencyofalarmsoundaccordingtothedifferentobstacledistance,toremindtheuser.Atthistimetheusercanpressthesetkey,alarmsoundinterruption.Whenalarmsoundup,thecircuitboardswilllightupLEDtowarnthestrangerforitsway.
ThispaperprovidesthechipshaveultrasonicrangingmoduleUS-100,ISD4004voicechip,TDA2822audiopoweramplifier.
Thedesignofthisdevicewithmainmethodis:
thetwoultrasonicmodulesequence,oneofthemodulesofultrasonicprobeverticallydown,theotheramoduleofultrasonicprobeinclineddown.BothanAngleof60°.BecauseoftheultrasonicmoduleUS-100rangeis:
2㎝-450㎝.Soitisthiswaysequence,levelrangeis0.6㎝range-389㎝.Usingsuchmethodsandonlyusearangeofultrasonicmoduleparallelsequenceadvantageis:
thecurrentpartytherepits,alsocantestoutandeventhepolice.ISD4004voicechipcanbestored8minutesrecordingtime,thechiptorecordfourrecording:
whentheobstacles389㎝-200㎝playedthefirstrecording,whentheobstacles200㎝-100㎝playedthesecondrecording,whentheobstacles100㎝-0㎝playedthethirdrecording,thecurrentpartyapitorgroovefourthrecordingplayed.
Thispaperisbasedonsinglechipmicrocomputercontrolonthebasisoftheprincipleofultrasonicranging,matchwithotherperipheralcircuittoachieveobstacleavoidanceofthefunction.Thisdeviceissimpleandapplicableportable,intheverygreatdegreetheblindmanwalktosolvethesecurityissue.
Keywords:
MonolithicintegratedcircuitAT89S52;UltrasonicrangingUS-100;VoiceremindISD4004;TDA2822audiopoweramplifier
1前言
1.1设计的目的和意义
在我们日常生活中,盲人的生活有诸多不便,其中一个就是盲人在行走过程无法了解到前方是否有障碍物存在,难免出现撞到障碍物的情况。
针对这个问题,本次设计致力于设计一种新型的基于单片机控制的盲人自动避障装置。
该装置的功能是:
通过超声波测距的原理来检测前方一段距离内是否有障碍物或者坑存在,若有,则语音提醒模块发出提醒信息。
语音电路会根据障碍物距离的不同发出不同频率的报警声音,以提醒使用者。
此时使用者可按下按键,报警响声中断。
报警声响起时,电路板上的LED灯会亮起,以提醒路人让路。
本设计检测障碍物所基于的基本原理就是超声波测距的原理。
超声波测距方法主要有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法三种。
其中,相位检测法精度高,但检测范围有限;声波幅值检测法易受反射介质的影响。
因此,当前超声波测距一般使用渡越时间法。
本设计所采用的就是渡越时间法。
超声波测距的工作原理:
发射换能器向外发射超声波,超声波在介质中传播,遇到障碍物后反射,产生回波,接收换能器接收回波。
渡越时间法就是通过检测发射超声波与接收回波之间的时间差,求出目标障碍物距信号发射源的距离。
本设计所采用的安全避障技术对于很多检测和识别技术的研究也有一定的参考价值。
障碍物与物体之间距离的获得是研究安全避障的前提。
超声波测距可以直接测量近距离目标,纵向分辨率高,适用范围广,方向性强,并具备不受光线、烟雾、电磁干扰等因素影响,且覆盖面较大等优点。
目前,超声波测距凭借其原理简单、易于实现以及成本低等优点,在液位测量、移动机器人定位和避障、汽车防撞和曲面仿形检测等领域得到了广泛的应用且前景广阔。
在本设计中对所要求测量范围0.6cm~389cm内的平面物体做了多次测量发现,其最大误差为0.5cm,可见基于单片机设计的超声波测距系统具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小等特点。
因此,它不仅可用于盲人自动避障,还可用在其它检测系统中。
由于盲人出行时必需手持盲杖不停地探测道路情况,并且使用及携带盲杖很不方便,使用盲杖经常会打到人造成不必要的麻烦,辅助盲人出行的盲道利用率很低,大多被非法占用导致不能正常使用。
此作品可以令盲人不必再依靠盲杖进行障碍的探测,从而避免了使用和携带盲杖所带来的不便。
此装置简单实用且便携,设计在很大程度上解、决了盲人行走中的安全问题,具有实用价值。
1.2盲人避障技术的研究现状
盲人避障技术的关键是非接触式检测技术,随着传感器和单片机控制技术的不断发展,非接触式检测技术已经在不断完善。
以往的盲人避障技术设计中常使用红外线探测障碍物的存在与否,但是在实际应用中,红外干扰源较多;而且在有反射光的情况下,由于光线的干扰,很容易判断失误,出现虚警。
因此,有些设备在发射信号时,改进为发送一串连续的红外脉冲,然后接收反射的信号。
如果接收到的红外脉冲数量超过某一门限值时,就判断障碍存在。
这种方法尽管在一定程度上可以降低虚警率,但在较强的反射光和使用电子镇流器方式的日光灯起辉时,仍很容易出现干扰现象。
还有其他典型的非接触式检测方法有CCD探测、雷达检测、激光检测、超声波检测等其中,CCD探测具有使用方便无需信号发射源,同时获得大量的场景信息等特点,但视觉检测需要额外的计算开销。
雷达检测具有全天候工作,适合于恶劣的环境中进行短距离高精度检测的优点,但容易受电磁波干扰。
激光检测具有高方向性、高单色性、高亮度、测量速度快等优势,尤其是对雨雾有一定的穿透能力,抗干扰能力强,但其成本高数据处理复杂。
与前几种检测方式相比,超声波检测可以直接测量近距离目标,纵向分辨率高,适用范围广,方向性强,并具备不受光线烟雾电磁干扰等因素影响,且覆盖面较大等优点,目前超声波检测已普遍应用在液位测量移动机器人定位和避障等领域,应用前景广阔。
超声波检测作为非接触式检测技术的典型方法之一,以其价格低廉、信号处理可靠、不受电磁、天气影响等优势,必将拥有广阔的市场前景。
综合分析国内超声波研究现状,本文对超声波检测研究趋势做以下三点展望:
1)目前,超声波换能器多采用压电陶瓷材料和磁致伸缩材料来制造。
这两种材料制造的换能器存在一定的阻抗失配问题,即在驱动脉冲结束后,由于惯性会继续振动产生盲区,进而影响系统的测量精度。
因此,超声换能器制造材料的改进是超声波检测技术发展的一个重要方向。
2)随着回波信号处理方法的逐渐完善,选择更合理的超声波发射脉冲、研发更高性能的超声波换能器,来提高超声波测距系统的有效作用距离、分辨力、测量精度和抗干扰性等性能,是超声波测距理论的又一个重要研究方向。
3)此外,基于超声波检测、CCD探测、雷达检测、激光检测等多种非接触式检测技术均具有各自优点。
本文认为将多种非接触式传感器合理地冗余复合使用,充分发挥各检测方法的优势,可以得到更精确的检测结果,这也将成为检测技术发展的一个热点。
此作品结合了超声波检测及单片机技术,能...(查看更多)够准确识别障碍并出相应判断,提示盲人躲避障碍,与其他盲人避障装置相比具有轻便、准确、操作简单和性价比高的特点。
2设计所用的主要技术
2.1硬件技术
由于本设计是基于单片机控制的采用超声波测距原理进行测距的盲人自动避障系统,并且该系统具有语音提醒功能。
所以本作品采用的主要芯片有超声波测距模块US-100,语音芯片ISD4004,音频功放TDA2822。
系统的关键技术问题是障碍物的距离检测,和语音提醒技术,单片机控制技术。
系统采用了超声波传感器进行4.5米以内的距离测量。
超声波测距的方法为渡越时间法,发射换能器不断超声波脉冲,声波遇到障碍物后反射回来被接收换能器接收,根据声速及时间差计算出障碍物的距离。
在电子线路方面,采用了超声波测距模块,实现了障碍的自动检测。
在语音提醒方面,采用语音芯片,其模拟音频输出经功放电路放大,输出音量大,吐字清晰。
在单片机应用方面采用单片机的定时器和外部中断实现超声波的准确发送和接收;采用单片机I/O口模拟串口,传送语音合成数据。
本装置的设计所采用的主要方法是:
采用两个超声波模块进行测距,其中一个模块的超声波探头垂直向下,另一个模块的超声波探头斜向下。
二者夹角为60°。
由于超声波模块US-100的测距范围是:
2㎝-450㎝。
因而采用这样的方式进行测距,水平测距范围是0.6㎝-389㎝。
采用这样的方法进行测距与只采用一个超声波模块平行进行测距的好处是:
当前方的有坑时,也能检测出来并即使报警。
语音芯片ISD4004可存储8分钟的录音时间,本芯片录了四段录音:
当离障碍物389㎝-200㎝时播放第一段录音,当离障碍物200㎝-100㎝时播放第二段录音,当离障碍物100㎝-0㎝时播放第三段录音,当前方有坑或沟时播放第四段录音。
2.2软件技术
系统的软件设计采用C语言,可以大大提高程序编写时的效率。
设计的关键是如何利用单片机控制超声波模块US-100和ISD4004语音芯片。
以便超声波模块能够有效的控制超声波的发送、接收以及正确计算障碍物的距离,以及能够控制语音芯片进行正确的录放。
软件实现的功能包括:
(1)控制超声波的发送与接收以及信号的实时采集实现超声波测距的计算;
(2)实现语音芯片的功能,能够有效地进行录放和复位;
(3)遇到障碍物时能够根据障碍物的距离,播放不同的语音提示内容;
(4)语音提醒的同时LED灯亮,提醒路人让路;
(5)盲人按下按键,使语音提醒停止。
通过软件技术的应用希望能够实现一个用户界面美观,交互性好,功能齐全,具有以上几种基本的控制功能的装置。
由于技术水平的限制,软件所能够实现的功能可以更加的完善。
还可以使得该装置能够进一步完善化,人性化,尽量符合盲人的使用习惯。
3系统设计
3.1总体框架
基于电路设计的要求,盲人自动避障电路主要由以AT89S52为主CPU为核心的单片机最小系统、语音电路、音频功放、超声波发射电路以及超声波接收电路组成。
图3-1系统的总体框图
3.2各个模块的工作流程
图3-2各个模块的工作流程
3.3系统的软件流程图
本作品采用的主要芯片有超声波测距模块US-100,语音芯片ISD4004,以及单片机AT89S52。
所以系统的软件程序部分包括:
主程序,超声波模块子程序,语音模块程序。
软件分为两部分,主程序和中断服务程序,如图3-3,3-4,3-5所示。
主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。
定时中断服务子程序完成两个方向超声波的轮流发射,外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。
图3-3主程序流程图图3-4外部中断服务子程序图3-5定时中断服务子程序
3.4系统各个模块的设计
3.4.1超声波测距模块
US-100超声波测距模块可实现2cm~450㎝的非接触测距功能,拥有2.4~5.5V的宽电压输入范围,静态功耗低于2mA,自带温度传感器对测距结果进行校正,同时具有GPIO,串口等多种通信方式,内带看门狗,工作稳定可靠。
、
(1)超声波测距模块的主要技术参数
表3-1超声波模块的主要技术参数
电气参数超声波测距
工作电压
DC2.4V~5.5V
静态电流
2mA
工作温度
-20~+70度
输出方式
电平或UART(跳线帽选择)
感应角度
小于15度
探测距离
2cm-450cm
探测精度
0.3cm+1%
UART模式下串口配置
波特率9600,起始位1位,停止位1位,数据位8位,无奇偶校验,无流控制。
(3)超声波模块的内部结构图
模块内部的超声波发射电路是由非门构成的一个振荡器发送电路,用非门构成的电路简单,调试容易。
很容易通过软件控制。
图中把两个非门的输出接到一起的目的是为了提高其吸入电流,电路驱动能力提高。
发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成,单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极,另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极,用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端,可以提高超声波的发射强度。
输出端采两个反向器并联,用以提高驱动能力。
上位电阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力,另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果,缩短其自由振荡时间。
图3-6由非门构成的超声波发射电路
超声波接收包括接收探头,信号放大以及波形变换电路三部分,超声波接收探头必须与发送探头相同的型号,否则可能导致接收效果甚至不能接收。
由于超声波接收探头的信号非常弱,所以必须用放大器放大,放大后的正弦波不能被微处理器处理,所以必须经过波形变换。
本次设计为了降低调试难度,减少成本,提供系统可靠性,所以我们采用了一种用在彩色电视机上面的一种红外接收检波芯片CX20106,由于红外遥控的中心频率在38KHz,和超声波的40KHz很接近,所以可以用来做接收电路。
CX20106是日本索尼公司的产品,采用单列8引脚的直插式封装,内部包含自动偏置控制电路、前置放大电路、带通滤波、峰值检波、积分比较器、斯密特整形输出电路,配合少量外接元件就可以对38KHz左右的信号的接收与处理。
图3-7CX20106构成的接收电路
(4)超声波模块接口说明
本模块共有两个接口:
模式选择跳线和5Pin接口。
模式选择跳线接口如图3-8所示。
模式选择跳线的间距为2.54㎜,当插上跳线帽时为UART(串口)模式,拔掉时为电平触发模式。
图3-8模式选择跳线接口
5Pin接口为2.54㎜间距的弯排针,如图3-9所示:
图3-95pin接口
从左到右依次编号1,2,3,4,5。
它们的定义如下:
●1号Pin:
接VCC电源(供电范围2.4V~5.5V)。
●2号Pin:
当为UART模式时,接外部电路UART的TX端;当为电平触发模式时,接外部电路的Trig端。
●3号Pin:
当为UART模式时,接外部电路UART的RX端;当为电平触发模式时,接外部电路的Echo端。
●4号Pin:
接外部电路的地。
●5号Pin:
接外部电路的地。
(5)电平触发测距工作原理
在模块上电前,首先去掉模式选择跳线上的跳线帽,使模块处于电平触发模式。
电平触发测距的时序如图3-8所示:
图3-10US-100测距时序图
图3-10表明:
只需要在Trig/TX管脚输入一个10US以上的高电平,系统便可发出8个40KHZ的超声波脉冲,然后检测回波信号。
当检测到回波信号后,模块还要进行温度值的测量,然后根据当前温度对测距结果进行校正,将校正后的结果通过Echo/RX输出。
在此模式下,模块将距离值转化为340m/s时的时间值的2倍,通过Echo端输出一高电平,可根据此高电平的持续时间来计算距离值。
即距离值为:
(高电平时间*340m/s)/2。
(注:
因为距离值已经经过温度校正,此时无需再根据环境温度对超声波声速进行校正,即不管温度多少,声速选择340m/s即可。
)
(6)串口触发测距工作原理
在模块上电前,首先插上模式选择跳线上的跳线帽,使模块处于串口触发模式。
串口触发测距的时序如图3-11所示:
在此模式下只需要在Trig/TX管脚输入0X55(波特率9600),系统便可发出8个40KHZ的超声波脉冲,然后检测回波信号。
当检测到回波信号后,模块还要进行温度值的测量,然后根据当前温度对测距结果进行校正,将校正后的结果通过Echo/RX管脚输出。
输出的距离值共两个字节,第一个字节是距离的高8位(HDate),第二个字节为距离的低8位(LData),单位为毫米。
即距离值为(HData*256+LData)mm。
图3-11串口触发测距时序图
1.“超声波P89LPC932A1FDH电平触发测距”:
将超声波模块插入“US100_使用参考”中J501_Trig中,同时拔掉模块中的跳线子。
2.“超声波P89LPC932A1FDH串口测距”:
将超声波模块插入“US100_使用参考”中J601_UART中,同时插上模块中的跳线子。
3.“超声波测距测温二合一”:
1)电平触发测距模式:
拔掉US100上的模式选择跳线,将模块插入J501_Trig中,然后闭合“US100_使用参考”拨码开关S401的1,6位。
2)UART测距模式:
插上US100上的模式选择跳线帽,将模块插入J601_UART中,然后闭合“US100_使用参考”拨码开关S401的2,5位。
3.4.2语音模块设计
(1)ISD4004系列语音芯片介绍
本系统采用的是ISD4004系列的语音芯片:
ISD4004系列工作电压3V,单片录放时间8至16分钟,音质好,适用于移动电话及其他便携式电子产品中。
芯片采用CMOS技术,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。
芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口(SPI或Microwire)送入。
芯片采用多电平直接模拟量存储技术,每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和"金属声"。
采样频率可为4.0,5.3,6.4,8.0kHz,频率越低,录放时间越长,而音质则有所下降,片内信息存于闪烁存贮器中,可在断电情况下保存100年(典型值),反复录音10万次。
ISD4004系列单片语音录放功能介绍:
●单片8至16分钟语音录放
●内置微控制器串行通信接口
●3V单电源工作
●多段信息处理
●工作电流25-30mA,维持电流1μA
●不耗电信息保存100年(典型值)
●高质量、自然的语音还原技术
●10万次录音周期(典型值)
●自动静噪功能
●片内免调整时钟,可选用外部时钟
表3-2ISD系列语音芯片参数说明
型号
时间
输入采样
典型带宽
最大段数
最小段长
外部钟频
ISD4004-08
8分钟
8.0kHz
3.4kHz
1200
200ms
1024.0kHz
ISD4004-10
10分钟
6.4kHz
2.7kHz
1200
250ms
819.2kHz
ISD4004-12
12分钟
5.3kHz
2.3kHz
1200
300ms
682.7kHz
ISD4004-16
16分钟
4.0kHz
1.7kHz
1200
400ms
512.0kHz
(2)ISD4004语音芯片引脚描述
图3-12ISD4004语音芯片引脚图
电源:
(VCCA,VCCD)为使噪声最小,芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线,并且分别引到外封装的不同管脚上,模拟和数字电源端最好分别走线,尽
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