《基于單片機(jī)的智能導(dǎo)盲手杖系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》11000字

基于單片機(jī)的智能導(dǎo)盲手杖系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目錄TOC\o"1-2"\h\u28453摘要 110472第一章概述 2124261.1課題研究的背景及目的 2102611.2國(guó)內(nèi)外相關(guān)設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀 3201071.3課題研究的內(nèi)容與方法 419095第二章系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和方案論證 568672.1單片機(jī)的選型 5267102.2顯示模塊的選型 5308292.3測(cè)距模塊的選型 554292.4系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)概述 629413第三章硬件電路介紹及設(shè)計(jì) 7113073.1單片機(jī)的介紹 7322653.2數(shù)碼管 9290073.3WT588語(yǔ)音芯片 9304753.4超聲波測(cè)距模塊 10144953.5光敏部分電路 10264303.6系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖 1132321第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 1325534.1系統(tǒng)的總體軟件設(shè)計(jì) 139634.2控制模塊 14161774.3超聲波模塊 15150284.4語(yǔ)音模塊 1615934.5光敏電路模塊 1721292第五章實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 1824760第六章結(jié)論 214633參考文獻(xiàn) 21摘要中國(guó)是世界上盲人數(shù)量最多的國(guó)家，但配套幫助盲人行走或者出門的設(shè)備卻不是很多。幫助盲人在行走時(shí)躲避障礙，讓盲人可以獨(dú)自出門成為了最大的問(wèn)題。受蝙蝠超聲波定位技術(shù)啟發(fā)，采用超聲波傳感器對(duì)障礙物進(jìn)行定位。超聲波傳感器發(fā)出信號(hào)，在遇到障礙物后需要一段時(shí)間才能返回，用測(cè)得的這段時(shí)間和聲速，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到與障礙物之間的距離，并將計(jì)算得到的距離經(jīng)由數(shù)碼管自動(dòng)呈現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)光敏電路和比較電路檢測(cè)光亮程度，環(huán)境過(guò)暗時(shí)指示燈點(diǎn)亮。硬件設(shè)計(jì)主要包括以STC89C52單片機(jī)為核心的主控芯片、超聲波傳感器、光敏電路、WT588語(yǔ)音模塊、振動(dòng)模塊、指示燈等。設(shè)計(jì)采用單片機(jī)為核心的控制芯片，便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及對(duì)應(yīng)用電路進(jìn)行不斷拓展等，具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)功耗少，成本低，硬件資源豐富，工作穩(wěn)定等幾大特點(diǎn)，具備較好的實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)超聲波語(yǔ)音播報(bào)第一章概述1.1課題研究的背景及目的我國(guó)在上個(gè)世紀(jì)80年做了一次對(duì)視力殘疾情況的調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示盲人的數(shù)量多達(dá)500萬(wàn)，視力障礙兒童的人數(shù)更是多達(dá)1300萬(wàn)，占全世界盲人總數(shù)的五分之一。盲人群體作為我們身邊特殊而又普遍存在的一個(gè)群體，由于他們先天的缺陷或后天發(fā)生意外，他們可能會(huì)在工作和生活中遇到很多不便，例如對(duì)于新環(huán)境適應(yīng)能力差、融入社會(huì)困難、出門不方便等，但事實(shí)上最主要的問(wèn)題還是對(duì)障礙物的躲避以及對(duì)車輛的躲避，尤其是在黑暗環(huán)境中，車輛行駛視線也受到了極大的影響，如此一來(lái)盲人獨(dú)自出行就會(huì)有很大的危險(xiǎn)。尤其是在當(dāng)今社會(huì)，電動(dòng)車的生產(chǎn)與使用也大大提高了盲人出行危險(xiǎn)性。電動(dòng)車騎行速度很快，但是相較于摩托車，其騎行所產(chǎn)生的噪音卻是大幅度的減少，這也使得盲人難以再像之前那樣通過(guò)聲音對(duì)車輛的位置進(jìn)行判斷，從而避開危險(xiǎn)，尤其是夜晚行駛在黑暗的路段時(shí)，電動(dòng)車的騎行者其視野范圍也將大幅度的降低，這無(wú)疑也使得盲人群體的出行變得更加危險(xiǎn)REF_Ref2623\w\h[1]。因此，盲人出行問(wèn)題一直是社會(huì)上廣泛關(guān)注的問(wèn)題，也是世界盲人群體想要融入社會(huì)所繞不開的最主要的問(wèn)題。雖然大多數(shù)盲人依靠導(dǎo)盲杖行走或者和家人一起出行，但這兩種方法都存在著一定的弊端。普通的導(dǎo)盲仗雖然可以加大盲人的感知范圍，但由于感知范圍僅僅只限于導(dǎo)盲仗所能觸碰到的范圍，對(duì)于距離稍遠(yuǎn)的一些危險(xiǎn)情況不能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)，所以對(duì)于盲人群體出行的幫助也十分有限。而家人也有著自己的工作，做不到全天24小時(shí)的陪同。所以這兩種傳統(tǒng)的出行方式有著非常大的局限性。導(dǎo)盲犬日益成為盲人出行的好伙伴，但是訓(xùn)練一條導(dǎo)盲犬需要耗費(fèi)極大的精力以及財(cái)力，普及起來(lái)相當(dāng)困難，目前來(lái)說(shuō)使用率極低，只有在上海、北京等一線城市才能發(fā)現(xiàn)它們的身影REF_Ref2790\w\h[2]。綜上所述，雖然我國(guó)正處于飛速發(fā)展的階段，而且對(duì)于盲人等殘疾人群福利待遇也是越來(lái)越好。但是對(duì)于盲人群體而言，出行方面依舊有著很大的潛在危險(xiǎn)。這些潛在的危險(xiǎn)不僅會(huì)影響到盲人群體的正常生活，還會(huì)使盲人群體在出行時(shí)免不了提心吊膽，長(zhǎng)此以往對(duì)于盲人的心理健康方面或多或少會(huì)產(chǎn)生一定影響，在精神上帶來(lái)負(fù)擔(dān)，不利于盲人群體心理的健康，嚴(yán)重的話將會(huì)影響到社會(huì)的穩(wěn)定、安全和發(fā)展。因此，根據(jù)當(dāng)前的情況，急需一款輕巧、方便攜帶、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠而且可以實(shí)現(xiàn)大范圍普及的導(dǎo)盲設(shè)備。1.2國(guó)內(nèi)外相關(guān)設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀隨著社會(huì)和市場(chǎng)需求量的增加，導(dǎo)盲仗的設(shè)計(jì)研究得到了大力的支持，因此其發(fā)展的也較為迅速。目前，已知的研制成功的導(dǎo)盲杖大概有以下四種類型：電子式導(dǎo)盲儀、可移動(dòng)式機(jī)器人、穿戴式導(dǎo)盲儀、引導(dǎo)式手杖。電子式導(dǎo)盲儀的超聲波傳感器發(fā)射大量的超聲波，這些超聲波在碰到障礙物后就會(huì)自動(dòng)反彈了回來(lái)，相應(yīng)的傳感器接收到這些超聲波后可以分析出障礙物的信息。它的工作原理是如果檢測(cè)到前方有障礙物就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生警報(bào)聲，從而及時(shí)提醒盲人前方存在障礙物。它的缺點(diǎn)是需要人們?cè)谑褂脮r(shí)不斷的掃描探測(cè)，才能粗略的估算一下距離。但它的優(yōu)勢(shì)也十分顯著，它具有方便、便攜而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所以它的推廣范圍較大REF_Ref2894\w\h[3]。在工廠中移動(dòng)式機(jī)器人應(yīng)用的較為廣泛，在貨物搬運(yùn)中發(fā)揮了很大的作用。基于安全和自動(dòng)化的要求，移動(dòng)式機(jī)器人身上裝有很多的傳感器，而且它還擁有計(jì)算能力十分強(qiáng)大的避障系統(tǒng)，可以探測(cè)障礙物的位置并繞開他們行走，從而制定合理的行進(jìn)路線并實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。移動(dòng)式機(jī)器人比電子導(dǎo)盲儀更先進(jìn)，但結(jié)構(gòu)卻過(guò)于復(fù)雜，造價(jià)高，而且不能實(shí)現(xiàn)上下樓梯等功能，也不滿足盲人日常出行的要求。移動(dòng)式機(jī)器人只能牽引著盲人行走，不能上坡和爬樓梯，而且需要強(qiáng)大的計(jì)算系統(tǒng)，造價(jià)成本過(guò)高，所以普及起來(lái)相當(dāng)困難REF_Ref2956\w\h[4]。穿戴式導(dǎo)盲儀是穿在身上的一種設(shè)備，和移動(dòng)式機(jī)器人的功能相似，通過(guò)大量的傳感器和先進(jìn)的計(jì)算模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)避障功能。由于穿戴式導(dǎo)盲儀是穿在腰上的，它在盲人走路時(shí)不能像導(dǎo)盲犬以及拐杖那樣可以為盲人提供安全感，故推廣程度也不是很高REF_Ref3022\w\h[5]。引導(dǎo)式手杖是較為新型的導(dǎo)盲儀器，近幾年才出現(xiàn)。在拐杖尖端有許多傳感器和微型計(jì)算機(jī)，本質(zhì)上就是將移動(dòng)式機(jī)器人的動(dòng)力部分拆除，只保留計(jì)算部分和傳感器感知部分，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了程序，降低了成本，但同樣由于傳感器眾多，計(jì)算模塊復(fù)雜，導(dǎo)致造價(jià)依然很高，不適合日常推廣REF_Ref3022\w\h[6]。這四種類型導(dǎo)盲設(shè)備各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用的情況。這四種類型的導(dǎo)盲設(shè)備的問(wèn)世，盲人群體出行以及工作問(wèn)題已經(jīng)有了明顯的改善，在日常生活中為盲人群體提供了極大程度的幫助。但是，目前市面上的各種類型的導(dǎo)盲杖之間價(jià)格相差較大，而且其功能單一，性能相對(duì)較差。而一些導(dǎo)盲功能全面的設(shè)備其適用的環(huán)境又受到了很大的限制，價(jià)格也相對(duì)比較昂貴，很多家庭無(wú)法負(fù)擔(dān)，沒(méi)有辦法大規(guī)模的推廣使用。此外，市場(chǎng)上所出售的一部分導(dǎo)盲仗還存在一些材料堅(jiān)硬程度的問(wèn)題。導(dǎo)盲仗的使用不單單只是在晴天，風(fēng)雨天氣也是導(dǎo)盲仗所要面臨的一個(gè)環(huán)境因素。因此，無(wú)論是在導(dǎo)盲仗的設(shè)計(jì)上還是在其材料的選用上，導(dǎo)盲仗的發(fā)展和完善依舊任重道遠(yuǎn)。在設(shè)計(jì)距離感知導(dǎo)盲杖時(shí)，一方面需要考慮到其材料的堅(jiān)韌程度；另一方需要考慮到導(dǎo)盲仗在使用過(guò)程中風(fēng)雨的侵蝕作用以及長(zhǎng)時(shí)間日照的老化，防止發(fā)生導(dǎo)盲杖斷裂的情況。1.3課題研究的內(nèi)容與方法基于導(dǎo)盲仗現(xiàn)階段所存在的一系列問(wèn)題，對(duì)于導(dǎo)盲仗的研究與設(shè)計(jì)需要兼顧導(dǎo)盲仗的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。同時(shí)還需要注意普通導(dǎo)盲仗的反應(yīng)遲鈍，以及其他導(dǎo)盲仗產(chǎn)品的不實(shí)用性和對(duì)使用環(huán)境適應(yīng)能力弱的缺點(diǎn)，盡可能在設(shè)計(jì)上做出一些改變。本課題主要是應(yīng)用超聲波測(cè)量距離，通過(guò)超聲波傳感器向障礙物發(fā)射超聲波，然后再利用反射回來(lái)的超聲波對(duì)其進(jìn)行分析，從而確定障礙物的位置。采用超聲波測(cè)距系統(tǒng)可以在很大程度上改善目前的導(dǎo)盲仗在不同的環(huán)境中所存在的探測(cè)系統(tǒng)失靈的問(wèn)題，可以在極大程度上避免因?yàn)樘綔y(cè)系統(tǒng)故障所導(dǎo)致的潛在危險(xiǎn)。采用STC89C52單片機(jī)作為控制模塊，測(cè)距模塊利用了超聲波傳感器來(lái)對(duì)障礙物進(jìn)行距離的測(cè)量，當(dāng)與前方障礙物之間的距離小于三米時(shí)，語(yǔ)音模塊就會(huì)自動(dòng)播報(bào)：“前方三米有障礙物”；當(dāng)與前方的障礙物距離小于兩米時(shí)，語(yǔ)音模塊將會(huì)播報(bào)：“前方兩米有障礙物”；當(dāng)與前方的障礙物距離小于一米時(shí)，語(yǔ)音模塊會(huì)自動(dòng)播報(bào)：“前方一米有障礙物”，與此同時(shí)，蜂鳴器會(huì)自動(dòng)報(bào)警，振動(dòng)馬達(dá)振動(dòng)。這樣的設(shè)計(jì)是考慮到單一報(bào)警系統(tǒng)可能存在的一些問(wèn)題，例如，在較為嘈雜的環(huán)境下單純的語(yǔ)音播報(bào)可能會(huì)被其他的聲音所掩蓋，這樣的話就會(huì)導(dǎo)致使用者不能夠及時(shí)的得到提示，從而發(fā)生危險(xiǎn)。如果加入振動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，則可以在很大程度上避免這種情況的發(fā)生，進(jìn)一步保證使用者的安全。本次設(shè)計(jì)的距離感知導(dǎo)盲杖還附加一個(gè)光敏部分電路，當(dāng)環(huán)境比較暗的時(shí)候指示燈會(huì)點(diǎn)亮，防止盲人在夜晚出行的時(shí)候由于沒(méi)有被行人以及車輛發(fā)現(xiàn)而被撞傷?？傮w而言，本設(shè)計(jì)是基于我國(guó)較為龐大的盲人群體，通過(guò)對(duì)現(xiàn)階段所存在的導(dǎo)盲設(shè)備進(jìn)行技術(shù)上的總結(jié)，同時(shí)對(duì)現(xiàn)階段市場(chǎng)上的一些導(dǎo)盲設(shè)備進(jìn)行了技術(shù)上的改進(jìn)。完善了其在一些方面所存在的缺陷，同時(shí)使其對(duì)于各種較為復(fù)雜的環(huán)境也有了更強(qiáng)的適應(yīng)能力，減少了使用者在使用過(guò)程中由于設(shè)備原因所產(chǎn)生的潛在安全隱患，設(shè)計(jì)也相較于本章第二小節(jié)中提到的四種導(dǎo)盲杖更為簡(jiǎn)單，而且價(jià)格也相對(duì)便宜，可以做到在盲人群體中大范圍推廣。第二章系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和方案論證在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)之前，首先通過(guò)查閱大量的相關(guān)資料，在有了一定的設(shè)計(jì)構(gòu)想之后，把自己的設(shè)計(jì)想法進(jìn)行反復(fù)思考，并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行及時(shí)的完善。最終完成了對(duì)于系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。2.1單片機(jī)的選型方案一：采用MSP430系列的16位單片機(jī)。該單片機(jī)是一種超低消耗功率、帶有一個(gè)精簡(jiǎn)控制指令集的新型混合式數(shù)字信號(hào)處理器。該系列單片機(jī)具備了高速信號(hào)處理、運(yùn)算執(zhí)行速率快等優(yōu)點(diǎn)。但由于該單片機(jī)功能強(qiáng)大，價(jià)格昂貴，所以不適合一般的設(shè)計(jì)開發(fā)REF_Ref3022\w\h[7]。方案二：采用STC89C52單片機(jī)。該單片機(jī)可靠性高、價(jià)格低，具有高性能的8位單片機(jī)，同時(shí)擁有32個(gè)I/O端口，而且STC系列單片機(jī)可在線編程調(diào)試，易于實(shí)現(xiàn)程序下載和整機(jī)調(diào)試，十分方便REF_Ref3022\w\h[8]。綜上所述，本次設(shè)計(jì)的主控芯片將使用方案二。2.2顯示模塊的選型方案一：采用新型點(diǎn)陣式文字?jǐn)?shù)碼顯示器進(jìn)行數(shù)字顯示。該顯示器適宜于用來(lái)進(jìn)行各種文字信息的顯示。由于本次設(shè)計(jì)的產(chǎn)品只需要顯示距離，因此使用這種顯示器顯示數(shù)字有些浪費(fèi)，而且不符合本次設(shè)計(jì)對(duì)經(jīng)濟(jì)性的要求REF_Ref3022\w\h[9]。方案二：采用LED液晶顯示屏幕。這種顯示方式的好處在于不僅可以顯示文字和數(shù)字，還可以用作顯示圖案等，而且清晰度很高。但是對(duì)于本次設(shè)計(jì)而言，使用LED液晶顯示屏幕大材小用，而且還會(huì)占用很多I/O口REF_Ref3022\w\h[10]。方案三：采用LED數(shù)碼管。LED數(shù)碼管相對(duì)于方案一和方案二中所提到的顯示器，它不僅所展示出來(lái)的數(shù)字個(gè)數(shù)也比較適中而且沒(méi)有占用過(guò)多的I/O。綜合分析，采用方案三中的數(shù)碼管作為此次設(shè)計(jì)的顯示模塊REF_Ref3022\w\h[11]。2.3測(cè)距模塊的選型方案一：采用激光測(cè)距。激光測(cè)距主要是用激光儀作為測(cè)距電源，使用激光傳感器對(duì)障礙物進(jìn)行測(cè)距，對(duì)準(zhǔn)障礙物時(shí)激光探頭就開始發(fā)射激光，在發(fā)射激光的同時(shí)也就開始了計(jì)時(shí)，當(dāng)激光觸及到障礙物時(shí)就會(huì)向各個(gè)方位進(jìn)行散射，會(huì)有部分激光信號(hào)回到傳感器，與此同時(shí)結(jié)束計(jì)時(shí)。激光測(cè)距具有精度高，可測(cè)距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但其發(fā)射的激光對(duì)人體有害，而且造價(jià)高，價(jià)格昂貴，制作方法復(fù)雜REF_Ref3022\w\h[12]。方案二：采用紅外線測(cè)距。紅外線測(cè)距主要是基于三角形原理進(jìn)行測(cè)量，紅外線傳感器可以向前方以一定的角度發(fā)射出一個(gè)紅外光束，當(dāng)前方遭受障礙物阻攔時(shí)，這個(gè)光束將被反彈，反彈回來(lái)的光束將由傳感器進(jìn)行接收，進(jìn)而根據(jù)角度和長(zhǎng)度通過(guò)三角形公式計(jì)算出距離。但是如果距離過(guò)近會(huì)導(dǎo)致偏移角過(guò)大，超過(guò)了紅外線傳感器檢測(cè)范圍，導(dǎo)致沒(méi)有辦法檢測(cè)到障礙物，可能會(huì)導(dǎo)致盲人無(wú)法通過(guò)導(dǎo)盲杖感知到障礙物，存在一定的安全隱患；如果距離過(guò)遠(yuǎn)，會(huì)導(dǎo)致角度過(guò)小，這時(shí)對(duì)傳感器的分辨率的要求就需要提高，價(jià)格也會(huì)更昂貴。盡管其安全，制作簡(jiǎn)單，但是測(cè)量障礙物時(shí)會(huì)受到方向以及距離的影響，而且測(cè)量精度低REF_Ref3022\w\h[13]。方案三：采用超聲波測(cè)距。超聲波的穿透力強(qiáng)，也不容易受到方向的影響，可以比較容易地獲得聲能。在空氣環(huán)境中的傳播速度和聲音相同。超聲波傳感器測(cè)量精確度比普通傳感器要高，價(jià)格也便宜REF_Ref3022\w\h[14]。綜上所述，測(cè)距模塊采用方案三超聲波測(cè)距。2.4系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)概述本次設(shè)計(jì)的軟硬件部分主要組成包括STC89C52單片機(jī)、HC-SR04超聲波測(cè)距模塊、WT588語(yǔ)音模塊、蜂鳴器、振動(dòng)馬達(dá)、光敏電路模塊等構(gòu)成。如圖2.1所示。當(dāng)與前方障礙物的距離大于三米時(shí)沒(méi)有提示；當(dāng)與前方障礙物的距離小于三米大于兩米時(shí)，語(yǔ)音提示前方三米內(nèi)有障礙物；當(dāng)與前方障礙物之間的距離大于一米小于兩米時(shí)，語(yǔ)音會(huì)播報(bào)前方兩米內(nèi)有障礙物；當(dāng)與前方障礙物距離小于一米時(shí)，語(yǔ)音會(huì)播報(bào)前方一米有障礙物，同時(shí)振動(dòng)馬達(dá)振動(dòng)，蜂鳴器報(bào)警，阻止行人繼續(xù)前進(jìn)。當(dāng)周圍環(huán)境過(guò)暗時(shí)，指示燈會(huì)亮起，防止盲人在環(huán)境比較暗的時(shí)候行走出現(xiàn)危險(xiǎn)。圖2.1系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖通過(guò)對(duì)比各個(gè)設(shè)計(jì)方案，采用超聲波系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)距可以在很大程度上保證了測(cè)距的準(zhǔn)確性，同時(shí)提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。采用STC89C52單片機(jī)可以很大程度減小其使用的難度，而且使用以及更新會(huì)更加簡(jiǎn)單方便。使用LED數(shù)碼管可以在滿足顯示功能的同時(shí)，也盡可能的降低設(shè)計(jì)的難度。在系統(tǒng)的選擇上極大程度地滿足了設(shè)計(jì)所要求的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性，對(duì)各種環(huán)境的適應(yīng)等問(wèn)題也得到了一定程度的解決。第三章硬件電路介紹及設(shè)計(jì)硬件電路的設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的重中之重，因此對(duì)于此次硬件電路的設(shè)計(jì)也是進(jìn)行了反復(fù)的斟酌和比較之后才逐漸的完善，達(dá)到預(yù)期的要求。3.1單片機(jī)的介紹STC89C52在本設(shè)計(jì)中將作為主控模塊的主控芯片。其基本框圖如圖3.1所示REF_Ref3022\w\h[15]：圖3.1STC89C52單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖3.1.1STC89C52單片機(jī)的性能參數(shù)介紹三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器128×8字節(jié)內(nèi)部RAM32個(gè)可編程I/O口線2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器6個(gè)中斷源1000次擦寫周期REF_Ref3022\w\h[16]3.1.2單片機(jī)的引腳及其功能單片機(jī)的引腳圖如圖3.2所示。P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/0口，每個(gè)管腳可吸收8TTL門流。P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/0口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。單片機(jī)的重要端口包括P0和P1口，它們的功能也沒(méi)有太大的變化。P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，在給出地址“1“時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口REF_Ref3022\w\h[17]。圖3.2STC89C52單片機(jī)管腳3.1.3STC89C52單片機(jī)的中斷系統(tǒng)STC89C52系列的單片機(jī)內(nèi)具有特定功能的寄存器中的中斷允許寄存器IE，它控制CPU是否會(huì)對(duì)中斷進(jìn)行響應(yīng)。由中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP分配中斷的優(yōu)先次序。當(dāng)同時(shí)向CPU請(qǐng)求中斷并且優(yōu)先級(jí)相同時(shí)，內(nèi)部查詢邏輯決定了其響應(yīng)順序REF_Ref3285\r\h[18]。3.1.4單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖3.3單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖圖3.3為單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖，該系統(tǒng)主要是由單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路三大部分共同組成，其中時(shí)鐘電路中選擇12MHZ晶振提供時(shí)鐘。按下復(fù)位按鍵之后可以使單片機(jī)進(jìn)入剛上電的起始狀態(tài)。圖中10k排阻是指一個(gè)P0口的上拉電阻，由于它的P0口跟其他I/O的電阻組成結(jié)構(gòu)不同，是一種漏極開路的結(jié)構(gòu)，因此必須在這里再分別添加一個(gè)上拉開路電阻才能使其處于正常的工作狀態(tài)REF_Ref3285\r\h[19]。3.2數(shù)碼管數(shù)碼管器件是一種主要用于發(fā)光半導(dǎo)體的發(fā)光數(shù)碼電子電路器件，它的基本組成部件就是發(fā)光二極管。按照它自己能夠顯示多少個(gè)“8”字，可以組成1位、2位、4位等數(shù)碼管REF_Ref17174\r\h[20]。它使用了8個(gè)Led發(fā)光二極管，其中七個(gè)用于顯示字符，一個(gè)顯示小數(shù)點(diǎn)，所以統(tǒng)稱為七段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。4位一體數(shù)碼管，其內(nèi)部段已連接好，數(shù)碼管電路圖如圖3.4所示（數(shù)碼管的正面朝自己，小數(shù)點(diǎn)在下方）。a、b、c、d、e、f、g、dp為段引腳，S1、S2、S3、S4分別表示四個(gè)數(shù)碼管的位。設(shè)計(jì)中采用共陽(yáng)數(shù)碼管，數(shù)碼管的片選端接單片機(jī)的P0口，選擇數(shù)碼管點(diǎn)亮的是哪一段。位選端接單片機(jī)的P2口，4個(gè)IO口用來(lái)選擇點(diǎn)亮的位數(shù)REF_Ref3285\r\h[21]。圖3.4數(shù)碼管電路圖3.3WT588語(yǔ)音芯片3.3.1WT588語(yǔ)音芯片概述本次語(yǔ)音模塊使用的是WT588語(yǔ)音模塊，WT588模塊14腳串聯(lián)了兩個(gè)二極管進(jìn)行分壓，10、11、12直接連接單片機(jī)引腳。Busy輸出：忙信號(hào)的輸出端，單片機(jī)可從Busy輸出來(lái)判斷是否有音頻輸出。WT588有一個(gè)包含DIP16和DIP28的模塊封裝(包括SPI-Flash和外圍電路)，以及一個(gè)包含DIP18、SSOP20和LQFP32的芯片封裝。同時(shí)在內(nèi)部鑲嵌一個(gè)DSP高速音頻處理器，處理速度比較快。輸出方式支持DAC/PWM這兩種方式REF_Ref3285\r\h[22]。WT588的電路圖如圖3.5所示。單片機(jī)的P37口與語(yǔ)音模塊的RESET相連接，P36口與語(yǔ)音模塊的BUSY口相連接，P35口與語(yǔ)音模塊的P01口相連接，P34與語(yǔ)音模塊的P02口相連接，P33口與語(yǔ)音模塊的P01口相連接。圖3.5WT588電路圖3.4超聲波測(cè)距模塊本設(shè)計(jì)采用了HC-SR04型超聲波測(cè)量模塊，超聲波模塊原理圖如圖3.6所示。單片機(jī)的P32口與Trig口相連接，P25口與Echo口相連接。該模塊中采用內(nèi)置單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)40千赫茲的方波驅(qū)動(dòng)器，以40千赫茲的頻率向傳感器發(fā)送一個(gè)超聲波信號(hào)，該傳感器被一個(gè)超聲波傳感器直接捕獲，并在它碰到一個(gè)障礙物時(shí)自動(dòng)接收該傳感器的信號(hào)REF_Ref18771\r\h[23]。該超聲波傳感器使用I/O端口TRIG觸發(fā)測(cè)距，模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40千赫方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回，如果有信號(hào)返回，通過(guò)I/O向ECHO中輸出高電平，高電平持續(xù)時(shí)間為超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，測(cè)試距離=高電平時(shí)間*音速(340m/S)/2REF_Ref17373\r\h[24]圖3.6超聲波模塊電路圖3.5光敏部分電路光敏部分的集成電路主要由光敏電阻和比較芯片LM393組成REF_Ref17758\r\h[25]。光敏電路模塊充分利用了光敏電阻的光照特性，當(dāng)外部環(huán)境光照強(qiáng)度越大，光敏電阻的電阻值就越小。在實(shí)際設(shè)計(jì)使用時(shí)，將R11電阻與一個(gè)光敏電阻如圖3.7所示方式進(jìn)行連接，當(dāng)光照強(qiáng)度有所增加時(shí)，光敏電阻的阻抗值就隨之下降，R11電阻上分得的電壓也就隨之有所增加。根據(jù)R11光敏電阻上分得的電壓差值就可以準(zhǔn)確判斷光照強(qiáng)度?；瑒?dòng)變阻器可以調(diào)節(jié)靈敏度，靈敏度高的時(shí)候環(huán)境稍微變暗指示燈就會(huì)點(diǎn)亮；靈敏度低的時(shí)候環(huán)境變得很暗指示燈才會(huì)點(diǎn)亮REF_Ref3285\r\h[26]。LM393是兩個(gè)獨(dú)立的高精度電壓比較器所組成的一種綜合式輸出電壓集成控制電路REF_Ref18219\r\h[27]。它專門針對(duì)需要通過(guò)寬電壓范圍供電而且使用單電源供電設(shè)計(jì)，同時(shí)也可以使用雙電源進(jìn)行供電。圖3.7光敏電路模塊原理圖3.6系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖系統(tǒng)硬件原理圖如圖3.8所示。超聲波傳感器的作用是測(cè)量距離，該傳感器的Trig口與單片機(jī)的P32口相連接，Echo口與單片機(jī)的P25口相連接，單片機(jī)給超聲波傳感器一個(gè)10微秒的脈沖觸發(fā)信號(hào)，然后超聲波傳感器開始工作；語(yǔ)音模塊的作用是當(dāng)超聲波傳感器測(cè)量的距離小于三米時(shí)，開始語(yǔ)音報(bào)警。語(yǔ)音模塊的RESET與單片機(jī)的P37口相連接，語(yǔ)音模塊的BUSY口與P36口相連接，語(yǔ)音模塊的P01口與單片機(jī)的P35口相連接，語(yǔ)音模塊的P02口與單片機(jī)的P34相連接，語(yǔ)音模塊的P01口與單片機(jī)的P33口相連接，當(dāng)語(yǔ)音模塊不正常工作時(shí)可以通過(guò)單片機(jī)的P37口輸出一個(gè)低電平將其復(fù)位，通過(guò)BUSY端可以判斷是否有音頻輸出；數(shù)碼管的作用是顯示超聲波傳感器測(cè)得的距離，數(shù)碼管的片選端接單片機(jī)的P0口，選擇數(shù)碼管點(diǎn)亮的是哪一段，位選端接單片機(jī)的P2口，4個(gè)I/O口用來(lái)選擇點(diǎn)亮的位數(shù)；光照模塊的作用是在環(huán)境較暗時(shí)點(diǎn)亮指示燈，光照模塊與單片機(jī)的P10口相連接；報(bào)警電路的作用是在與障礙物距離小于一米時(shí)，提醒盲人與障礙物的距離過(guò)近，單片機(jī)的P24口與蜂鳴器相連接，P10與振動(dòng)馬達(dá)相連接。圖3.8系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖在硬件電路的設(shè)計(jì)上，相較于第一章第二小節(jié)敘述的四種類型導(dǎo)盲仗做出了一些改善。在一定程度上完善了上述四種類型導(dǎo)盲仗所存在的一些問(wèn)題，使導(dǎo)盲仗變得更加可靠。良好的硬件電路為之后的軟件設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使軟件設(shè)計(jì)有著更大的空間去對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行一步步的完善。第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)若將整個(gè)導(dǎo)盲設(shè)備比作人體的話，那么硬件電路設(shè)計(jì)的完成標(biāo)志著一個(gè)強(qiáng)健體魄的誕生，而軟件設(shè)計(jì)則是代表著人體的大腦。一個(gè)設(shè)備是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期設(shè)計(jì)的功能，很大一部分取決于軟件的設(shè)計(jì)。因此對(duì)于軟件的設(shè)計(jì)是對(duì)于導(dǎo)盲設(shè)備能否實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的關(guān)鍵所在。4.1系統(tǒng)的總體軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)程序是用C語(yǔ)言編寫的。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，定時(shí)器就會(huì)開始進(jìn)行初始化，超聲波傳感器開始檢測(cè)距離，并且將測(cè)量得到的距離通過(guò)LED數(shù)碼管顯示出來(lái)；當(dāng)超聲波傳感器感知到導(dǎo)盲杖與障礙物之間的距離小于三米時(shí)，語(yǔ)音模塊就會(huì)自動(dòng)開始播報(bào)：“前方三米有障礙物”，此時(shí)蜂鳴器不響，振動(dòng)馬達(dá)不會(huì)振動(dòng)；當(dāng)距離感知導(dǎo)盲杖與障礙物的距離小于兩米時(shí)，語(yǔ)音模塊就會(huì)開始播報(bào)：“前方兩米有障礙物”，此時(shí)蜂鳴器不響，振動(dòng)馬達(dá)也不會(huì)振動(dòng)；當(dāng)前方一米有障礙物時(shí)，語(yǔ)音模塊就會(huì)自動(dòng)開始發(fā)聲：“前方一米有障礙物”，此時(shí)蜂鳴器報(bào)警，振動(dòng)馬達(dá)振動(dòng)。當(dāng)周圍光線過(guò)暗時(shí)，指示燈會(huì)點(diǎn)亮。整體的流程框圖如圖4.1所示：圖4.1整體流程框圖4.2控制模塊本次設(shè)計(jì)主要采用的是以STC89C52單片機(jī)為主要核心的控制模塊，通過(guò)編寫程序燒錄進(jìn)單片機(jī)，并通過(guò)單片機(jī)引腳與超聲波模塊、語(yǔ)音模塊、光敏電路模塊等模塊的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)這些模塊的控制，通過(guò)編寫程序利用單片機(jī)內(nèi)自帶的定時(shí)系統(tǒng)和中斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超聲波傳感器每隔100毫秒刷新一次以及切換到語(yǔ)音播報(bào)程序和點(diǎn)亮指示燈等功能REF_Ref18679\r\h[21]?？刂颇K主程序如圖4.2所示圖4.2控制模塊主程序圖4.3超聲波模塊在本次設(shè)計(jì)中，STC89C52單片機(jī)的P3.2口和HC-SR04的Trig端口連接，P3.3口和HC-SR04的Echo端口進(jìn)行連接，超聲波在空氣中傳遞的過(guò)程中一旦遇到障礙物會(huì)立刻反彈，當(dāng)HC-SR04模塊在接收器中檢測(cè)到超聲波信號(hào)的同時(shí)向Echo口輸送一個(gè)高電平，單片機(jī)在接受到Echo發(fā)送的高電平后開始啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，直到Echo變?yōu)榈碗娖綍r(shí)結(jié)束計(jì)時(shí)REF_Ref18885\r\h[28]。超聲波模塊工作流程圖如圖4.3所示，主要程序如圖4.4所示。高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到接收的往返時(shí)間，往返距離即為：S＝v*t/2圖4.3工作流程圖圖4.4主要程序圖4.4語(yǔ)音模塊本次設(shè)計(jì)將語(yǔ)音模塊的RESET與單片機(jī)的P37口相連接，語(yǔ)音模塊的BUSY口與P36口相連接，語(yǔ)音模塊的P01口與P35口相連接，語(yǔ)音模塊的P02口與P34相連接，語(yǔ)音模塊的P03口與P33口相連接。語(yǔ)音模塊的工作流程圖如圖4.5所示，主要程序如圖4.6所示。圖4.5語(yǔ)音模塊工作流程圖圖4.6語(yǔ)音模塊的主要程序圖4.5光敏電路模塊本次設(shè)計(jì)通過(guò)連接一個(gè)電壓比較器，還有一個(gè)滑動(dòng)變阻器，通過(guò)手動(dòng)調(diào)整滑動(dòng)變阻器，進(jìn)行設(shè)置光敏電阻的靈敏度，LM393比較器2、3引腳分別輸出兩個(gè)不同的電壓REF_Ref3285\r\h[29]REF_Ref14172\r\h，LM393比較兩個(gè)電壓的大小(用輸出電壓的高電平或低電平，表示兩個(gè)輸入電壓的大小關(guān)系)：當(dāng)“＋”輸入端電壓高于“－”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為高電平；當(dāng)“＋”輸入端電壓低于“－”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為低電平REF_Ref14250\r\h[30]；外界光照變強(qiáng)時(shí)，光敏電阻阻值變小，R11分得的電壓變大，3引腳輸入電壓高，由此單片機(jī)檢測(cè)LM393輸出端高低電平判斷光照強(qiáng)度。光敏電路模塊工作流程圖如圖4.7所示，主要程序圖如圖4.8所示。圖4.7光檢測(cè)模塊工作流程圖圖4.8光檢測(cè)模塊主要程序圖軟件設(shè)計(jì)在兼顧第一章第二小節(jié)提到的四種導(dǎo)盲仗原先的功能的情況下，增加了語(yǔ)音報(bào)警模塊和振動(dòng)馬達(dá)以及蜂鳴器嗎，使其報(bào)警及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有了明顯的改善。從單一的報(bào)警改變?yōu)槎嘣膱?bào)警形式，使得盲人在使用時(shí)可以從多個(gè)角度獲得信息，明顯的解決了單一報(bào)警系統(tǒng)所存在的漏洞，減少了由于設(shè)備本身的設(shè)計(jì)缺陷所帶來(lái)的安全隱患問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證根據(jù)第二章的選型、第三章的硬件設(shè)計(jì)，搭建出了如圖5.1所示的實(shí)物模型。該模型由兩部分組成：一是拐杖部分，考慮到制作難度、經(jīng)濟(jì)性、綠色環(huán)保以及廢物利用等因素，采用廢棄的晾衣桿充當(dāng)；另一部分為測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)?？紤]到需要與拐杖相結(jié)合，所以用萬(wàn)用板和電線將他們焊接起來(lái)；根據(jù)第四章的軟件設(shè)計(jì)將程序燒錄進(jìn)單片機(jī)，將語(yǔ)音燒錄進(jìn)WT588后，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)想的功能。圖5.1實(shí)物模型圖按下開機(jī)鍵后，如圖5.2所示。顯示器顯示數(shù)字0，超聲波傳感器以及定時(shí)器初始化，蜂鳴器報(bào)警，振動(dòng)馬達(dá)振動(dòng)。圖5.2開機(jī)實(shí)物圖在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，與障礙物的距離可以通過(guò)顯示器顯示出來(lái)，當(dāng)光線較暗時(shí)，指示燈會(huì)點(diǎn)亮，如圖5.3所示。超聲波傳感器每隔100毫秒刷新一次；在遇到障礙物時(shí)，可以及時(shí)做出有效提醒。圖5.3實(shí)物圖在宿舍的走廊里用暖壺模擬障礙物時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)以下功能：當(dāng)距離感知導(dǎo)盲杖與前方障礙物之間的距離小于三米時(shí)，語(yǔ)音模塊就會(huì)自動(dòng)開始發(fā)出播報(bào)：“前方三米有障礙物”，此時(shí)蜂鳴器不報(bào)警，振動(dòng)馬達(dá)不振動(dòng)；當(dāng)距離感知導(dǎo)盲杖與障礙物的距離小于兩米時(shí)，語(yǔ)音模塊就會(huì)自動(dòng)開始播報(bào)：“前方兩米有障礙物”，此時(shí)蜂鳴器不報(bào)警，振動(dòng)馬達(dá)沒(méi)有振動(dòng)；當(dāng)與前方障礙物距離小于一米時(shí)，語(yǔ)音模塊就會(huì)自動(dòng)開始播報(bào)：“前方一米有障礙物”，此時(shí)蜂鳴器就會(huì)報(bào)警，振動(dòng)馬達(dá)振動(dòng)。第六章結(jié)論經(jīng)過(guò)實(shí)際生活場(chǎng)景驗(yàn)證，該導(dǎo)盲杖可以基本實(shí)現(xiàn)幫助盲人獨(dú)自出行、在黑暗中提醒行人以及車輛等可以注意到盲人、提醒盲人前方有障礙物等功能。同時(shí)，本設(shè)計(jì)還兼顧了經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性等，符合以人為本的理念，為盲人的生活提供了便利，減輕了盲人家庭的負(fù)擔(dān)，也為社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步貢獻(xiàn)出了自己的力量。經(jīng)過(guò)第二章的選型對(duì)比、第三章的硬件設(shè)計(jì)以及第四章的軟件設(shè)計(jì)，兼顧了實(shí)用性、安全性、以及經(jīng)濟(jì)性等因素，以STC89C52單片機(jī)為核心控制模塊，測(cè)距模塊采用超聲波模塊HC-SR04，語(yǔ)音模塊采用WT588語(yǔ)音模塊，不僅實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，而且還能在盲人群體內(nèi)大范圍推廣。在與障礙物距離過(guò)近時(shí)可以做到及時(shí)提醒；在較暗的環(huán)境中指示燈可以自動(dòng)點(diǎn)亮，提示周圍行人和車輛，基本上可以杜絕由于路人或者司機(jī)沒(méi)有注意到盲人而發(fā)生的危險(xiǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)，該導(dǎo)盲杖可以基本實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，而且可以重復(fù)利用，滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。如果選擇強(qiáng)度硬度較大的拐棍作為拐杖部分，可以使用很多年。雖然本次設(shè)計(jì)出來(lái)的導(dǎo)盲杖還有很多不足，但是通過(guò)設(shè)計(jì)這次的導(dǎo)盲杖學(xué)習(xí)到了很多經(jīng)驗(yàn)，提高了自己的動(dòng)手能力，仔細(xì)學(xué)習(xí)了本次設(shè)計(jì)使用到的模塊，為之后的工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)[1]王傳福.2021年將是我國(guó)電動(dòng)車快速發(fā)展的元年[N].人民政協(xié)報(bào),2021-01-19(007)[2]LloydJanice,BudgeClaire,LaGrowSteve,StaffordKevin.TheEndofthePartnershipWithaGuideDog:EmotionalResponses,EffectsonQualityofLifeandRelationshipsWithSubsequentDogs[J].FrontiersinVeterinaryScience,2021.[3]杜宇崧,袁嘯宇,馬雪嬌.基于多傳感器融合技術(shù)的智能導(dǎo)盲杖的設(shè)計(jì)[J].電子制作,2021(07):80-81+19.[4]李澳,許建明,熊小山,戴海濱,李優(yōu).無(wú)線遙控移動(dòng)式機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界,2020(07):197.[5]藍(lán)曉玉,劉穎,曹星月,劉歡歡,田印紅.結(jié)合導(dǎo)盲杖使用的智能公交車站臺(tái)語(yǔ)音提示器——基于大創(chuàng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)構(gòu)思[J].現(xiàn)代信息科技,2020,4(14):54-56[6]童星.基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距導(dǎo)盲杖設(shè)計(jì)[J].電子制作,2019(24):31-33.[7]趙俊杰,張艷芬,崔凱.基于STC89C52單片機(jī)控制的智能小車設(shè)計(jì)[J].電子制作,2020(23):26-27+25.[8]譚銘明,姚玲英,阮煜琴,梁俊焱,鐘楚洪.基于52單片機(jī)智能貼心時(shí)鐘的研究與設(shè)計(jì)[J].電子制作,2021(09):16-19.[9]石巧云.基于單片機(jī)的LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2020,19(06):32-35.[10]李榮遠(yuǎn),彭思慧,梁慧瑩,蘇崇星,李劍.基于機(jī)器視覺(jué)的電子秤數(shù)碼管字符識(shí)別系統(tǒng)[J].軟件導(dǎo)刊,2021,20(03):232-237.[11]陳毅博.基于STC89C52單片機(jī)的多地形智能輪椅的控制設(shè)計(jì)[J].無(wú)線互聯(lián)科技,2020,17(16):85-86+111.[12]孟軍紅.基于激光傳感器的數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)電路控制方法研究[J].激光雜志,2021,42(02):130-133.[13]王瑞榮.基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試,2021(05):22-23+33.[14]吳愛(ài)萍.多功能導(dǎo)盲器的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2021,34(04):136-137.[15]許永安,王懂,孫軍和,譚慶偉,梁永海,張巖.超聲波測(cè)距和單片機(jī)技術(shù)在解決石油勘探作業(yè)問(wèn)題中的應(yīng)用研究[A].西安石油大學(xué)、成都理工大學(xué)、陜西省石油學(xué)會(huì).2020油氣田勘探與開發(fā)