基于單片機的盲人避障裝置的設計

1、基于單片機的盲人避障裝置的設計軟件2021年第32卷第3期Software國際IT傳媒品牌基于單片機的盲人避障裝置的設計劉延霞谷林柱(中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院,徐州221l16)摘要:針對盲人行走過程中無法了解到前方是否存在障礙物的問題,本文設計了一種新型的基于單片機控制的盲人避障裝置,且該裝置帶有語音提醒功能.本方案通過超聲波發(fā)送接收來檢測前方一段距離內是否有障礙物存在,假設有,那么語音提醒模塊發(fā)出提醒信息.本文是在基于單片機控制的超聲波測距原理的根底上,配以比擬電路,來確定目標范圍tionandElectricalEngineering.CUMT,Xuzhou221116,China

2、)AbstractInviewoftheproblemthattheblindcantunderstandwhetherthereareobstaclesinfrontduringwalking,anewobstacle-avoidancedevicewasdesigned,whichisbasedonsingle?chip.Inaddition,ithasthefunctionofvoice-reminding.Itdetectswhetherthereexistobstacleswithinadistanceinfrontbymeansofultrasonicsendingandultra

3、sonic-receiving.Ifhaving,voice-remindingmodulewillissueinformationtoremindtheblind.Onthebasisoftheprincipleofultrasonicdistancemeasurement,thisdesignaddedthecomparisoncircuittoascertaintheexistenceofobstructioninthetargetrange.InthepapeLrelevanthardwarecircuitdiagramandprogramflowchartareintroducedi

4、ndetail.Thisdeviceissimple,utilityandportable.Toalargeextent,itsolvedthesecurityproblemsduringtheblindSwalk?ing,whichisofpracticalsignificance.Keywordssingle-chip;ultrasonic;voice-reminding0引言1總體方案設計在我們日常生活中,盲人的生活有諸多不便,其中一個就是盲人在行走過程中,無法了解到前方是否有障礙物存在,難免出現撞到障礙物的情況.以往的設計中常使用紅外線探測障礙物的存在與否,但是在實際應用中,紅外干擾源

5、較多;而且在有反射光的情況下,由于光線的干擾,很容易判斷失誤,出現虛警.因此,有些設備在發(fā)射信號時,改良為發(fā)送一串連續(xù)的紅外脈沖,然后接收反射的信號.如果接收到的紅外脈沖數量超過某一門限值時,就判斷障礙存在.這種方法盡管在一定程度上可以降低虛警率,但實驗說明,在較強的反射光和使用電子鎮(zhèn)流器方式的日光燈起輝時,仍很容易出現干擾現象.為了防止使用紅外線自動感知障礙設備時出現的接收設備本身主動發(fā)送信號的干擾問題,本文致力于設計一種形如耳機的簡易便攜裝置,盲人在行走時把此裝置戴在頭上,該裝置能夠實時探測前方一段距離內是否有障礙物存在,并由語音系統(tǒng)發(fā)出語音提醒,可以有效地防止盲人撞到障礙物而受傷的情況發(fā)

6、生.探測的根本原理是:在測量范圍內,由超聲波發(fā)射電路向探測方向發(fā)射超聲波信號,如果存在障礙物,就會把發(fā)射的信號反射回發(fā)送端.在發(fā)送端,如果收到反射回來的信號,就確認障礙物的存在.由于本設計的目的是檢測短距離內(5米)障礙物的存在,因此參加比擬電路,在比擬電路設定的時間內假設接收端接收到反射回來的超聲波,那么啟動語音提醒模塊.本設計是在單片機控制的超聲波測距原理的根底上J,配以比擬電路,得出目標范圍內是否有障礙物的存在.障礙物探測原理框圖如圖1:障礙物圖1探測障礙原理框圖超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩,其頻率超過作者簡介:劉延霞(1987一),女,碩士研究生,主要研究領域為智能檢測與自動化控

7、制;谷林柱(1987-),男,碩士研究生,主要研究領域為嵌入式系統(tǒng)開發(fā).101軟件劉延霞等:基于單片機的盲人避障裝置的設計20kHz,分橫向振蕩和縱向振蕩兩種,超聲波可以在氣體,液體及固體中傳播,其傳播速度不同.它有折射和反射現象,且在傳播過程中有衰減.利用超聲波的特性,可做成各種超聲波傳感器,結合不同的電路,可以制成超聲波儀器及裝置,在通訊,醫(yī)療及家電中獲得廣泛應用.作為超聲波傳感器的材料,主要為壓電晶體.壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?它可以將電能轉變成機械振蕩而產生超聲波,同時它接收到超聲波時,也能轉變成電能,故它分為發(fā)送器和接收器.超聲波傳感器有透射型,反射型兩種類型,常用

8、于報警器,接近開關,測距及材料探傷,測厚等.本設計采用T/R一40一l2小型超聲波傳感器作為探測前方障礙物體的檢測元件,其中心頻率為40Hz,由80C51發(fā)出的40KHz脈沖信號驅動超聲波傳感器發(fā)送器發(fā)出40KHz的脈沖超聲波,如前方遇到有障礙物時,此超聲波信號被障礙物反射回來,由接收器接收,經LM318兩級放大,再經帶有鎖相環(huán)的音頻解碼芯片LM567解碼,當LM567的輸入信號大于25mV時,輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖?送80C51單片機處理.2系統(tǒng)硬件設計超聲波檢測障礙是一種非接觸式的測量物體間距離的方法.通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波時間來計算運動物體與障礙物間的距離.對距

9、離的測定通常采用渡越時間法,即利用超聲波探頭向某一方向發(fā)射出超聲波,在發(fā)射的同時開始計時,當超聲波在介質中碰到被測物體,就會發(fā)生反射,探頭接收到反射波后立即停止計時,從而計算出發(fā)射和接收回波的時間差t,繼而根據超聲波在介質中的傳播速度C,計算出發(fā)射點到被測物之間的距離d-=CXAt/2.本設計是根據目標距離(5米內)反算出時間,把這個時間設為比擬電路的比擬參數.2.1超聲波發(fā)射電路本系統(tǒng)采用了一種基于直接數字合成(DDS-directDigitalFrequencySynthesis)技術的超聲波發(fā)射電路.超聲波信號發(fā)射電路原理圖如圖2所示.整個電路以單片機C805IF020為控制核心,用并行

10、輸入的方式實現AD9850控制字的寫入,并為其提供時鐘脈沖.AD9850的輸入時鐘采用11MHz的晶振,系統(tǒng)的分辨率為0.0186Hz,頻率范圍可以從幾Hz到幾MHz,但是整個系統(tǒng)的輸出頻率范圍由后級功率放大電路中的一些時間常數決定.將單片機的I/0口P0連接到AD9850的并行輸入口,P6.6和P6.7聯(lián)合控制單片機AD9850的輸入輸出.AD9850控制字寫完之后,便輸出相應頻率的方波信號OOUT.圖2直接數字合成技術的超聲波發(fā)射電路2.2超聲波接收電路超聲波接收電路如圖4所示.它由超聲波接收換能器,運算放大器,選頻電路及多路選通開關等局部組成.由于回波在接收傳感器經壓電效應產生的電壓信號

11、是mV級,所以接收到的回波信號必須經放大電路放大后才能由下一級的選頻檢測電路處理.放大電路采用MC33202D集成運算放大器,第一級放大100倍,第二級放大10倍.選頻電路由音頻譯碼器LM567CN實現,其5,6腳外接的電阻和電容決定了內部振蕩器的中心頻率.,fo1/(1.1RlC.).當Input端接收到的信號中有接近LM567設定的頻率且具有一定幅值的回波時,LM567的輸出引腳OUTPUT由高電平變?yōu)榈碗娖?此低電平信號被連接到STC12C54l2AD單片機的INT0引腳觸發(fā)中斷.STC12C5412AD單片機在發(fā)射超聲波時啟動定時器,在中斷產生時關閉定時器,從而得到超聲波傳播的時間t,

12、計算人與障礙物的距離.超聲波接收電路如圖3所示:圖3超聲波接收電路?102?knILF軟件劉延霞等:基于單片機的盲人避障裝置的設計3系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件由主程序,超聲波發(fā)送子程序,中斷子程序,超聲波接收子程序,延時子程序,語音子程序等組成.主程序和超聲波子程序的流程圖分別如圖4和圖5所示.主程序首先在上電復位后,完成單片機及其外圍功能模塊的初始化,接著啟動超聲波的發(fā)射,在超聲波發(fā)射過程中,屏蔽接收電路向單片機輸入信號.同時,使能定時器T1開始計時.超聲波每次發(fā)射10個周期的信號,耗時為2501xs.由于超聲波在發(fā)射過程中會產生余波,同時超聲波發(fā)射電路與接收電路相距較近,所以發(fā)射時會有局部余波未

13、經反射直接繞射到超聲波接收器上,引起系統(tǒng)誤差.為了防止誤差,采用延遲接收的方法,在超聲波發(fā)射完1ms后開放接收電路,并使能外部中斷,調用延時程序,等待超聲波回波.假設有回波,那么引起中斷,調用中斷效勞程序,讀取T1計數值,經處理后,計算出接收回波所需的時間,送比較電路,同時把計算時間送至避障子程序入口,產生相應的避障指令,提醒盲人同志根據情況避障.圖4主程序流程圖初始化啟動定時器T0,發(fā)射超聲波250ms后停ij=發(fā)送延時lms接收嗣波,T1開始20ms計數程序是否在設定時間內有回波啟動葉1斷予程序(竺窒)?-._.HH-._,圖5超聲波子程序103局部程序代碼如下:W0RK:PUSHACCP

14、USHPSWPUSHBMOVPSW,#18HM0VR3.45HMOVR2.44HMOVR1.00DM0VR0.17DLCALLMUL2BY2M0VR3,#03HMOVR2.0E8HLCALLDIV4BY2LCALLDIV4BY2M0V40H.R4MOVA.40HJNZJ0MOV40I-I,#0AHJ0:MOVA,R0MOVR4.AM0VA.R1M0VR5.AM0VR3.00DM0VR2,#10ODLCALLDIV4BY2M0V41H.R4M0VA.41HJNZJ1M0VA.40HSlUBBA,#0AHJNZ兒M0V41H,#0AHJ1:MOVA,R0MOVR4.AM0VA.R1M0VR5.AM

15、0VR3,#00DM0VR2.10DLCALLDIV4BY2M0V42H.R4JNZJ2M0VA.4lHSUBBA,#0AHJNZJ2MOV42H,#0AH(下轉第106頁)軟件王凱等:基于Multisim與LabVIEW的通風機溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計2系統(tǒng)軟件設計軟件設計包括單片機軟件設計和LabVIEw程序設計.軟件采用模塊化設計和調試.2.1單片機軟件設計單片機選擇AT89C52,采用C語言編程.單片機軟件框圖如圖5所示,上位機通過串口通信向測量前端發(fā)送開始采樣命令,啟動測量前端進行溫度測量,獲得AD量化后的數據,將這些數據傳給數據處理模塊.數據處理模塊將接收到的數據轉化成溫度.處理后的用戶數

16、據被命令消息處理模塊組裝成消息,傳入通信模塊進行數據傳輸,命令消息處理模塊還負責將對接收到得用戶命令進行處理,產生相應的消息回應或設置前端的控制變量.初始化模塊進行上電后初始化.圖5單片機軟件設計框圖Fig.5SCMsoftwaredesigndiagram2.2LabVIEW軟件設計由于數據采集卡價格昂貴,在一些小的系統(tǒng)中,常常選用單片機作為下位機,通過RS232串口與PC機之間實時通信.本設計通過LabVIEW提供的串口子VI將采集到的數據傳送到PC機,在LabV【EW環(huán)境下實現對按鍵,數碼顯示的數據進行處理,分析,存儲和顯示的系統(tǒng),風機溫度檢測系統(tǒng)LabVIEW前面板如圖6所示.(上接第

17、1O5頁)J2:MOV43H,R0P0PBP0PPSWP0PACCRET4結語以往的設計中常使用紅外線探測障礙物的存在與否,但是在實際應用中,紅外干擾源較多,而且在有反射光的情況下,由于光線的干擾,很容易判斷失誤造成虛警的現象.而本文采用超聲波探測就有效地防止了上述方法的缺乏,具有價格合理,夜間測量不受影響,易于多目標測量和分類,分辨率好.另外本設計在編制系統(tǒng)軟件時,考慮到超聲波測距過程的盲區(qū)問題,在虛假反射波到來之前這段時間內禁止接收中斷的發(fā)l06蠡ml#睜l.n國圈圈豳I圖6LabVIEW前面板Fig.6theLabVIEWfrontpanel3結論本文采用Multisim設計傳感器的信號

18、調理電路,單片機AT9C52作為下位機,功能簡單可靠,降低硬件本錢.上位機采用LabVIEW,人機界面友好,編程簡單,實現了對風機溫度的監(jiān)測.參考文獻【1】尚玉沛,石林鎖,張振仁.最小二乘法在高精度溫度測量中的應用.2000(1):47-48.2】常敏,王涵,范江波等.51單片機應用程序開發(fā)與實踐【M】.北京電子工業(yè)出版社,2021.3:279.3】王曉坤,魏思東,李哲煜等.基于LabVIEW的PC機與單片機串行通信研究【J.科技資訊.2021(7):6,8.4周潤景,郝曉霞.傳感器與監(jiān)測技術【M.北京:電子工業(yè)出版社,2021.5】張重雄.虛擬儀器技術【M】.北京:電子工業(yè)出版社,2007.8.6張英梅,傅仕杰.STM32的智能溫室控制系統(tǒng).軟件,2021,3l(12):14-18.生,避開了虛假反射波帶來的干擾.本文設計的裝置簡單便攜具有實用價值.參考文獻1戴佳,戴衛(wèi)恒.51單片機應用程序設計實例精講M】.北京:電子工業(yè)出版社,2007:255157.阮成功,藍兆輝,陳碩.基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)fJ】.應用