1、本科毕业论文（20 届）基于单片机的盲人壁障器的设计所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 苏州大学本科生毕业设计（论文）- i -基于单片机的盲人壁障器的设计目 录第 1 章 前言 .2第 1.1 节 背景及意义 .2第 1.2 节 本系统主要研究内容 .2第 1.3 节 设计方案 .2第 2 章 系统硬件设计 .3第 2.1 节 STC89C52 单片机简介 .3第 2.2 节 ISD4004 语音模块简介 .5第 2.3 节 超声波传感器简介 .7第 2.4 节 超声波发射和接收电路设计 .9第 2.5 节 复位电路设计 .10第 2.6 节
2、双电压比较器 LM393 简介 .11第 3 章 系统软件设计 .14第 3.1 节 系统软件设计 .14第 3.2 节 主程序设计 .14第 3.3 节 子程序设计 .15第 4 章 系统调试 .20第 4.1 节 硬件调试 .20第 4.2 节 软件调试 .20实验测得数据 .20结论 .21参考文献 .21致谢 .22附录 .22附录 1：实物照片说明 .22附录 2：原理图 .23附录 3：部分源程序 .23苏州大学本科生毕业设计（论文）第 1 页基于单片机的盲人壁障器的设计【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避障装置
3、，且该装置带有语音提醒功能。超声波指向性强，能量消耗相对缓慢，传播距离远。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，若有，则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基础上，配以比较电路，来确定目标范围内障碍物的存在，相关部分附有硬件电路图、程序流程图。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。本设计是以 STC89C52 作为主控模块。盲人导航器的有效壁障距离为 3.5m，测量精度为 10cm。【关键词】：单片机；超声波；语音提醒Abstract: In view of the problem that the blind
4、cant understand whether there are obstacles in front during walking, a new obstacle-avoidance device was designed, which is based on single-chip. In addition, it has the function of voice-reminding. Because the ultrasonic wave has the features , for example the strong point, energy consumption slow
5、and a long distance transmission in the medium. It detects whether there exist obstacles within a distance in front by means of ultrasonic-sending and ultrasonic-receiving. If having, voice-reminding module will issue information to remind the blind. On the basis of the principle of ultrasonic dista
6、nce measurement, this design added the comparison circuit to ascertain the existence of obstruction in the target range. In the paper, relevant hardware circuit diagram and program flow chart are introduced in detail. This device is simple, utility and portable. To a large extent, it solved the secu
7、rity problems during the blinds walking, which is of practical significance. The STC89C52RC single chip microcomputer is used as the main controller in the system. The experiment indicates that the effective distance of Blind Navigation is 3.5m, and the precision of measurement is 10cm.Key words: si
8、ngle-chip; ultrasonic; voice-reminding苏州大学本科生毕业设计（论文）第 2 页第 1 章 前言第 1.1 节 背景及意义世界上盲人最多的国家是中国，视力障碍或全盲者，中国的盲人数约占全世界盲人总数的 20%左右。由于生理缺陷，盲人有着很多不便，尤其在生活、工作等方面，其中，盲人生活中最大的困难是如何行走安全。随着社会和科学技术的发展，导盲机器人、导盲犬、电子盲人眼镜、GPS 导盲导航系统等导盲手段渐渐地于盲人接触，改善了盲人的走路能力，提高了盲人生活上的质量。然而旧时的盲人导航装备都有一定不好的弊端，比如价格昂贵、定位范围窄、环境影响等。因此本文推荐别利用
9、超声波壁障，由于超声波的单一性强、能量容易集中、传播的距离比较远，并且对障碍物的定位具有很好的精确性、体积相对较小、易于携带、价格便宜等特点，具有一定的实用价值。第 1.2 节 本系统主要研究内容本系统设计制作一个基于单片机的超声波盲人壁障器。能实现以下几种功能：（1）测壁障：通过超声波发射和接收电路，超声波传感器发射超声波，遇到障碍物返回，测得与障碍物的距离。（2）语音播报：根据测得障碍物的距离，通过语音模块播报对应距离的语音内容。（3）电源检测：通过改变电阻的大小，用来实现当电源电量不足时，给出对应的提示。第 1.3 节 设计方案方案一是前方 1 米内有障碍语音播报，同时检测当前位置左右是
10、否有障碍（当前位置 50cm 的宽度的左右方的 50cm） ，假如前方有障碍，左方有障碍右方无障碍，语音播报向右走多少，同理相反。方案二是将最大测距距离 3.5分为 6 个区间，分别为:01.00；1.001.50；1.502.00；2.002.50；2.503.00；3.003.50；每个区间分别对应一段语音内容（障碍 A 障碍 B 等）电量不足再语音提示（大约 20%左右）。本系统设计选择方案二。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 3 页第 2 章 系统硬件设计第 2.1 节 STC89C52 单片机简介STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有
11、 8K 在系统可编程 Flash 存储器。STC89C52 使用经典的 MCS-51 内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。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 4KB EEPROM， MAX810 复位电路，3 个 16 位定时器/ 计数器，4 个外部中断，一个 7 向量 4 级中断结构（兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构） ，全双工串行
12、口。另外STC89C52 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。图 1 STC89C52RC 引脚图STC89C52RC 引脚功能说明VCC（40 引脚）：电源电压VSS（20 引脚）：接地苏州大学本科生毕业设计（论文）第 4 页P0 端口（P0.0P0.7，3932 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
13、能驱动 8 个 TTL 负载，对端口 P0 写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0 口也可以提供低 8 位地址和 8 位数据的复用总线。此时，P0 口内部上拉电阻有效。在 Flash ROM 编程时，P0 端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。P1 端口（P1.0P1.7，18 引脚）：P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P1 的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式） 4 个 TTL 输入。对端口写入 1 时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1 口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻
14、，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。在对 Flash ROM 编程和程序校验时，P1 接收低 8 位地址。P2 端口（P2.0P2.7，2128 引脚）：P2 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O端口。P2 的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4 个 TTL 输入。对端口写入 1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。P2 作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器和 16 位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX DPTR”指令）时，P2 送出高 8 位地址。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行
15、“MOVX R1”指令）时，P2 口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中的 P2 寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对 Flash ROM 编程和程序校验期间，P2 也接收高位地址和一些控制信号。P3 端口（P3.0P3.7，1017 引脚）：P3 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口。P3 的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式） 4 个 TTL 输入。对端口写入 1 时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3 做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流。在对 Flash ROM 编程或程序校验时，P3 还接收一
16、些控制信号。引脚号 复用功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 （外部中断 0）P3.3 （外部中断 1）P3.4 T0（定时器 0 的外部输入）P3.5 T1（定时器 1 的外部输入）P3.6 （外部数据存储器写选通）P3.7 （外部数据存储器读选通）图表 1 P3 口的第二功能表苏州大学本科生毕业设计（论文）第 5 页RST（9 引脚）：复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。看门狗计时完成后，RST 引脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR（地址 8EH）上的 DISRTO 位可以使此功能
17、无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/（30 引脚）：地址锁存控制信号（ALE ）是访问外部程序存储器时，锁存低 8位地址的输出脉冲。在 Flash 编程时，此引脚也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE 脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址位 8EH 的 SFR 的第 0 位置 “1”，ALE 操作将无效。这一位置“1”，ALE 仅在执行 MOVX 或 MOV 指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个 ALE使能标志位（地址位 8EH 的 SFR 的第 0
18、位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。（29 引脚）：外部程序存储器选通信号是外部程序存储器选通信号。当 AT89C51RC从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而访问外部数据存储器时，将不被激活。VPP（31 引脚）：访问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000H 到 FFFFH 的外部程序存储器读取指令，必须接 GND。注意加密方式 1 时，将内部锁定位 RESET。为了执行内部程序指令，应该接 VCC。在 Flash 编程期间，也接收 12 伏 VPP 电压。XTAL1（19 引脚）：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2（18 引脚）：振荡器
19、反相放大器的输入端。第 2.2 节 ISD4004 语音模块简介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)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
20、.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。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 6 页图 2 语音模块引脚图引脚功能说明电源(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，尽可能在靠近供电端处相连，而去耦电容应尽量靠近器件。地线(VSSA， VSSD)：芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。同相模拟输入(ANA IN+)：这是录音信号的同相输入端。输入放大器可用单端或差分驱动。单端输入时，信号由
21、耦合电容输入，最大幅度为峰峰值 32mV，耦合电容和本端的3K 电阻输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。差分驱动时，信号最大幅度为峰峰值 16mV，为 ISD33000 系列相同。反相模拟输入(ANA IN-)：差分驱动时，这是录音信号的反相输入端。信号通过耦合电容输入，最大幅度为峰峰值 16mV。音频输出(AUD OUT) ：提供音频输出，可驱动 5K 的负载。片选(SS) 此端为低，即向该 ISD4004 芯片发送指令，两条指令之间为高电平。串行输入(MOSI)：此端为串行输入端，主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端，供 ISD 输入。串行输出(MISO)：ISD 的串行
22、输出端。ISD 未选中时，本端呈高阻态。串行时钟(SCLK)：ISD 的时钟输入端，由主控制器产生，用于同步 MOSI 和 MISO的数据传输。数据在 SCLK 上升沿锁存到 ISD，在下降沿移出 ISD。中断(/INT)：本端为漏极开路输出。ISD 在任何操作(包括快进)中检测到 EOM 或 OVF 时，本端变低并保持。中断状态在下一个 SPI 周期开始时清除。中断状态也可用 RINT 指令读取。 OVF 标志-指示 ISD 的录、放操作已到达存储器的未尾。 EOM 标志-只在放音中检测到内部的 EOM 标志时，此状态位才置 1。行地址时钟(RAC)：漏极开路输出。每个 RAC 周期表示 I
23、SD 存储器的操作进行了苏州大学本科生毕业设计（论文）第 7 页一行(ISD4004 系列中的存贮器共 2400 行)。该信号 175ms 保持高电平，低电平为25ms。快进模式下，RAC 的 218.75s 是高电平，31.25s 为低电平。该端可用于存储管理技术。外部时钟(XCLK) ：本端内部有下拉元件。芯片内部的采样时钟在出厂前已调校，误差在+1%内。商业级芯片在整个温度和电压范围内, 频率变化在+2.25%内。工业级芯片在整个温度和电压范围内，频率变化在-6/+4%内，此时建议使用稳压电源。若要求更高精度，可从本端输入外部时钟(如前表所列)。由于内部的防混淆及平滑滤波器已设定，故上述
24、推荐的时钟频率不应改变。输入时钟的占空比无关紧要，因内部首先进行了分频。在不外接地时钟时，此端必须接地。自动静噪(AMCAP)：当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时，自动静噪功能使信号衰弱，这样有助于养活无信号(静音)时的噪声。通常本端对地接 1mF 的电容，构成内部信号电平峰值检测电路的一部分。检出的峰值电平与内部设定的阈值作比较，决定自动静噪功能的翻转点。大信号时，自动静噪电路不衰减，静音时衰减 6dB。1mF 的电容也影响自动静噪电路对信号幅度的响应速度。本端接 VCCA 则禁止自动静噪。第 2.3 节 超声波传感器简介2.3.1. 超声波传感器构成超声波传感器是利用超声波的特性
25、研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作
26、探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波） 、斜探头（横波） 、表面波探头（表面波） 、兰姆波探头（兰姆波） 、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 8 页图 3 超声波传感器2.3.2. 超声波工作原理超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波） 。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十 KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小
27、，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。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，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHZ 及 40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。
28、该种有 T/R-40-60，T/R-40-12 等（其中 T 表示发送，R 表示接收， 40 表示频率为 40KHZ，16 及 12 表示其外径尺寸，以毫米计） 。另有一种密封式超声波传感器（MA40EI 型） 。它的特点是具有防水作用（但不能放入水中） ，可以作料位及接近开关用，它的性能较好。超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为 15mm 左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测。而实际使用中，用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。
