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1、基于单片机的盲人避障装置的设计软件2021年第32卷第3期Software国际IT传媒品牌基于单片机的盲人避障装置的设计刘延霞谷林柱(中国矿业大学信息与电气工程学院,徐州221l16)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避障装置,且该装置带有语音提醒功能.本方案通过超声波发送接收来检测前方一段距离内是否有障碍物存在,假设有,那么语音提醒模块发出提醒信息.本文是在基于单片机控制的超声波测距原理的根底上,配以比拟电路,来确定目标范围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总体方案设计在我们日常生活中,盲人的生活有诸多不便,其中一个就是盲人在行走过程中,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.以往的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
5、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,改良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,但实验说明,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.为了防止使用红外线自动感知障碍设备时出现的接收设备本身主动发送信号的干扰问题,本文致力于设计一种形如耳机的简易便携装置,盲人在行走时把此装置戴在头上,该装置能够实时探测前方一段距离内是否有障碍物存在,并由语音系统发出语音提醒,可以有效地防止盲人撞到障碍物而受伤的情况发
6、生.探测的根本原理是:在测量范围内,由超声波发射电路向探测方向发射超声波信号,如果存在障碍物,就会把发射的信号反射回发送端.在发送端,如果收到反射回来的信号,就确认障碍物的存在.由于本设计的目的是检测短距离内(5米)障碍物的存在,因此参加比拟电路,在比拟电路设定的时间内假设接收端接收到反射回来的超声波,那么启动语音提醒模块.本设计是在单片机控制的超声波测距原理的根底上J,配以比拟电路,得出目标范围内是否有障碍物的存在.障碍物探测原理框图如图1:障碍物图1探测障碍原理框图超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,其频率超过作者简介:刘延霞(1987一),女,硕士研究生,主要研究领域为智能检测与自动化控
7、制;谷林柱(1987-),男,硕士研究生,主要研究领域为嵌入式系统开发.101软件刘延霞等:基于单片机的盲人避障装置的设计20kHz,分横向振荡和纵向振荡两种,超声波可以在气体,液体及固体中传播,其传播速度不同.它有折射和反射现象,且在传播过程中有衰减.利用超声波的特性,可做成各种超声波传感器,结合不同的电路,可以制成超声波仪器及装置,在通讯,医疗及家电中获得广泛应用.作为超声波传感器的材料,主要为压电晶体.压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器,它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波,同时它接收到超声波时,也能转变成电能,故它分为发送器和接收器.超声波传感器有透射型,反射型两种类型,常用
8、于报警器,接近开关,测距及材料探伤,测厚等.本设计采用T/R一40一l2小型超声波传感器作为探测前方障碍物体的检测元件,其中心频率为40Hz,由80C51发出的40KHz脉冲信号驱动超声波传感器发送器发出40KHz的脉冲超声波,如前方遇到有障碍物时,此超声波信号被障碍物反射回来,由接收器接收,经LM318两级放大,再经带有锁相环的音频解码芯片LM567解码,当LM567的输入信号大于25mV时,输出端由高电平变为低电平,送80C51单片机处理.2系统硬件设计超声波检测障碍是一种非接触式的测量物体间距离的方法.通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波时间来计算运动物体与障碍物间的距离.对距
9、离的测定通常采用渡越时间法,即利用超声波探头向某一方向发射出超声波,在发射的同时开始计时,当超声波在介质中碰到被测物体,就会发生反射,探头接收到反射波后立即停止计时,从而计算出发射和接收回波的时间差t,继而根据超声波在介质中的传播速度C,计算出发射点到被测物之间的距离d-=CXAt/2.本设计是根据目标距离(5米内)反算出时间,把这个时间设为比拟电路的比拟参数.2.1超声波发射电路本系统采用了一种基于直接数字合成(DDS-directDigitalFrequencySynthesis)技术的超声波发射电路.超声波信号发射电路原理图如图2所示.整个电路以单片机C805IF020为控制核心,用并行
10、输入的方式实现AD9850控制字的写入,并为其提供时钟脉冲.AD9850的输入时钟采用11MHz的晶振,系统的分辨率为0.0186Hz,频率范围可以从几Hz到几MHz,但是整个系统的输出频率范围由后级功率放大电路中的一些时间常数决定.将单片机的I/0口P0连接到AD9850的并行输入口,P6.6和P6.7联合控制单片机AD9850的输入输出.AD9850控制字写完之后,便输出相应频率的方波信号OOUT.图2直接数字合成技术的超声波发射电路2.2超声波接收电路超声波接收电路如图4所示.它由超声波接收换能器,运算放大器,选频电路及多路选通开关等局部组成.由于回波在接收传感器经压电效应产生的电压信号
11、是mV级,所以接收到的回波信号必须经放大电路放大后才能由下一级的选频检测电路处理.放大电路采用MC33202D集成运算放大器,第一级放大100倍,第二级放大10倍.选频电路由音频译码器LM567CN实现,其5,6脚外接的电阻和电容决定了内部振荡器的中心频率.,fo1/(1.1RlC.).当Input端接收到的信号中有接近LM567设定的频率且具有一定幅值的回波时,LM567的输出引脚OUTPUT由高电平变为低电平,此低电平信号被连接到STC12C54l2AD单片机的INT0引脚触发中断.STC12C5412AD单片机在发射超声波时启动定时器,在中断产生时关闭定时器,从而得到超声波传播的时间t,
12、计算人与障碍物的距离.超声波接收电路如图3所示:图3超声波接收电路?102?knILF软件刘延霞等:基于单片机的盲人避障装置的设计3系统软件设计系统软件由主程序,超声波发送子程序,中断子程序,超声波接收子程序,延时子程序,语音子程序等组成.主程序和超声波子程序的流程图分别如图4和图5所示.主程序首先在上电复位后,完成单片机及其外围功能模块的初始化,接着启动超声波的发射,在超声波发射过程中,屏蔽接收电路向单片机输入信号.同时,使能定时器T1开始计时.超声波每次发射10个周期的信号,耗时为2501xs.由于超声波在发射过程中会产生余波,同时超声波发射电路与接收电路相距较近,所以发射时会有局部余波未
13、经反射直接绕射到超声波接收器上,引起系统误差.为了防止误差,采用延迟接收的方法,在超声波发射完1ms后开放接收电路,并使能外部中断,调用延时程序,等待超声波回波.假设有回波,那么引起中断,调用中断效劳程序,读取T1计数值,经处理后,计算出接收回波所需的时间,送比较电路,同时把计算时间送至避障子程序入口,产生相应的避障指令,提醒盲人同志根据情况避障.图4主程序流程图初始化启动定时器T0,发射超声波250ms后停ij=发送延时lms接收嗣波,T1开始20ms计数程序是否在设定时间内有回波启动叶1断予程序(竺窒)?-._.HH-._,图5超声波子程序103局部程序代码如下: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儿M0V41H,#0AHJ1:MOVA,R0MOVR4.AM0VA.R1M0VR5.AM
15、0VR3,#00DM0VR2.10DLCALLDIV4BY2M0V42H.R4JNZJ2M0VA.4lHSUBBA,#0AHJNZJ2MOV42H,#0AH(下转第106页)软件王凯等:基于Multisim与LabVIEW的通风机温度监测系统设计2系统软件设计软件设计包括单片机软件设计和LabVIEw程序设计.软件采用模块化设计和调试.2.1单片机软件设计单片机选择AT89C52,采用C语言编程.单片机软件框图如图5所示,上位机通过串口通信向测量前端发送开始采样命令,启动测量前端进行温度测量,获得AD量化后的数据,将这些数据传给数据处理模块.数据处理模块将接收到的数据转化成温度.处理后的用户数
16、据被命令消息处理模块组装成消息,传入通信模块进行数据传输,命令消息处理模块还负责将对接收到得用户命令进行处理,产生相应的消息回应或设置前端的控制变量.初始化模块进行上电后初始化.图5单片机软件设计框图Fig.5SCMsoftwaredesigndiagram2.2LabVIEW软件设计由于数据采集卡价格昂贵,在一些小的系统中,常常选用单片机作为下位机,通过RS232串口与PC机之间实时通信.本设计通过LabVIEW提供的串口子VI将采集到的数据传送到PC机,在LabV【EW环境下实现对按键,数码显示的数据进行处理,分析,存储和显示的系统,风机温度检测系统LabVIEW前面板如图6所示.(上接第
17、1O5页)J2:MOV43H,R0P0PBP0PPSWP0PACCRET4结语以往的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,很容易判断失误造成虚警的现象.而本文采用超声波探测就有效地防止了上述方法的缺乏,具有价格合理,夜间测量不受影响,易于多目标测量和分类,分辨率好.另外本设计在编制系统软件时,考虑到超声波测距过程的盲区问题,在虚假反射波到来之前这段时间内禁止接收中断的发l06蠡ml#睁l.n国圈圈豳I图6LabVIEW前面板Fig.6theLabVIEWfrontpanel3结论本文采用Multisim设计传感器的信号
18、调理电路,单片机AT9C52作为下位机,功能简单可靠,降低硬件本钱.上位机采用LabVIEW,人机界面友好,编程简单,实现了对风机温度的监测.参考文献【1】尚玉沛,石林锁,张振仁.最小二乘法在高精度温度测量中的应用.2000(1):47-48.2】常敏,王涵,范江波等.51单片机应用程序开发与实践【M】.北京电子工业出版社,2021.3:279.3】王晓坤,魏思东,李哲煜等.基于LabVIEW的PC机与单片机串行通信研究【J.科技资讯.2021(7):6,8.4周润景,郝晓霞.传感器与监测技术【M.北京:电子工业出版社,2021.5】张重雄.虚拟仪器技术【M】.北京:电子工业出版社,2007.
19、8.6张英梅,傅仕杰.STM32的智能温室控制系统.软件,2021,3l(12):14-18.生,避开了虚假反射波带来的干扰.本文设计的装置简单便携具有实用价值.参考文献1戴佳,戴卫恒.51单片机应用程序设计实例精讲M】.北京:电子工业出版社,2007:255157.阮成功,蓝兆辉,陈硕.基于单片机的超声波测距系统fJ】.应用科技,2004,31(7):2224.YUBo,HANGZhanlong,HAOXiwei,eta1.StudyofultrasonictransmittingsystembasedOilDDSJ】.ChongqingTechnolBusinessUniv(NatSciED),2005,22(5):23.魏海明,杨兴瑶.实用电子电路500例M】.北京:化学【业出版社,1996:127-128.胡伟,季晓恒.单片机程序设计及应用实例【M.北京:人民邮电出版社,2003:234-236.王俊峰,孟令启.现代传感器应用技术【M】.北京:机械工业出版社,2O09:53-55.23456