基于單片機(jī)的導(dǎo)盲拐杖設(shè)計(jì)

引言

我國曾在上世紀(jì)九十年代進(jìn)行過視力殘疾狀況的調(diào)查，結(jié)果顯示，我國有視力殘疾患者近1400萬，其中盲人約就有620萬[1]。從全國防盲技術(shù)指導(dǎo)組辦公室得到的數(shù)據(jù)也顯示，我國有550萬盲人，占世界盲人總數(shù)的1/5。隨著人民生活水平的不斷的進(jìn)步，讓生活變得越來越簡單方便成為了人民普遍追求的生活理念[2]。盲人既是我們普通人民中的一員，又是一個(gè)特殊群體，他們由于先天或后天的生理缺陷在日常生活中比我們常人會遇到更多的不方便，不能準(zhǔn)確及時(shí)的發(fā)現(xiàn)并躲避障礙物就是一個(gè)重要的弊端[3]。如果有一種既輕巧，又便宜，同時(shí)又能及時(shí)的識別周圍障礙物并發(fā)出報(bào)警信號的智能拐杖在盲人的手中將會為盲人的生活提供極大地方便[4]。

由于超聲波的速度相對光速要小的多，其傳播時(shí)間更加容易被檢測，并且易于定向的發(fā)射，方向性較好，強(qiáng)度可以控制，因而人類采用仿真技能利用超聲波測距[5]。同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)及工業(yè)機(jī)器人的不斷出現(xiàn)，測距和識別技術(shù)在工業(yè)中已經(jīng)得到了普遍的運(yùn)用與發(fā)展，如何把這種非接觸式檢測與識別技術(shù)應(yīng)用到民用領(lǐng)域已變得十分重要了[6]。

1. ? 系統(tǒng)概述
   1. 設(shè)計(jì)研究的背景和意義

盲人既是我們普通人民中的一員，又是一個(gè)特殊群體，他們由于先天或后天的生理缺陷在日常生活中比我們常人會遇到更多的不方便和安全隱患[7]。本設(shè)計(jì)就是為了避免盲人在行走時(shí)與前方障礙相撞[8]。盲人導(dǎo)盲預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)用可極大地減輕盲人的行走不便與安全隱患，降低且避免因盲人不辨障礙而導(dǎo)致的事故的發(fā)生，同時(shí)它將對提高人體智能化設(shè)計(jì)起到重要的意義[9]。對超聲波具有傳播速度慢，指向性強(qiáng)，能級消耗緩慢，對色彩、光照度不敏感的特點(diǎn)進(jìn)行利用，同時(shí)因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E8%B6%85%E5%A3%B0%E6%B3%A2%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/">超聲波傳感器結(jié)構(gòu)相對簡單、體積小、性價(jià)比高、信息處理簡單而且可靠，易于小型化和集成化，并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制等特點(diǎn)。所以這一項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)盲產(chǎn)品中將有廣闊的發(fā)展前景[10]。

1. 1. 本次設(shè)計(jì)內(nèi)容

本設(shè)計(jì)模仿蝙蝠的超聲應(yīng)用能力和原理，在研究現(xiàn)有的電子式超聲波測距系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用回聲定位的原理，通過傳感器發(fā)送超聲波，然后獲得并分析障礙物的回波信息，研制的一套超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)[11]。系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)作為控制器，利用超聲測距的原理，設(shè)計(jì)了一種超聲波導(dǎo)盲裝置，該裝置可以對盲人前方道路上的障礙物進(jìn)行距離探測并把障礙物距離信息轉(zhuǎn)換成語音提示，盲人可以根據(jù)提示音，避讓障礙同時(shí)達(dá)到導(dǎo)盲作用。該系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量誤差小等特點(diǎn)。

主要的設(shè)計(jì)有：

主機(jī)功能

1、超聲波測距測試距離并且顯示；

2、可以按鍵設(shè)置報(bào)警距離，在閾值內(nèi)可以發(fā)出語音播報(bào)和震動(dòng)提示盲人如何行走；

3、按鍵按下可以播報(bào)當(dāng)前時(shí)間，時(shí)鐘ds1302獲?。?/p>

4、整點(diǎn)報(bào)時(shí)；

5、具有gps定位系統(tǒng)，并可以通過sim800模塊發(fā)送經(jīng)緯坐標(biāo)到家人手機(jī)上；

6、手機(jī)號可以自行設(shè)置；

7、dht11檢測濕度，當(dāng)濕度過高時(shí)，發(fā)出語音提示；

8、角度傳感器檢測角度，判斷是否摔倒，如果摔倒發(fā)送短信到預(yù)設(shè)手機(jī)號。

從機(jī)為藍(lán)牙耳機(jī)

1. 接受主機(jī)發(fā)送的提示信號；
2. 播放相應(yīng)狀態(tài)下的語音。

1. ? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體方案
   1. 主控芯片的方案論證

本次設(shè)計(jì)的導(dǎo)盲拐杖是用單片機(jī)作為核心，選擇一款適合的單片機(jī)是非常重要的。按照本次設(shè)計(jì)的要求，從之下三個(gè)方案中選擇一款。

1. 1. EPSON系列單片機(jī)：

EPSON系列的單片機(jī)是由精工愛普生(SEIKO EPSON)自主開發(fā)的CMOS32位RISCCPU為核心，加上不同的外圍電路制成多種型號的MCU，這些產(chǎn)品可以應(yīng)用于不同的領(lǐng)域：掌上電腦(PDA)，移動(dòng)信息終端，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，辦公室OA設(shè)備，PC接口設(shè)備，智能玩具，GPS應(yīng)用等，其中它的主要特點(diǎn)有強(qiáng)大的CPU內(nèi)核，采用RISC結(jié)構(gòu)，三級流水線，105條16位長指令，其大多數(shù)指令在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行，大大提高了指令的執(zhí)行效率。地址總線28條，線性尋址256MB，編程方便。當(dāng)S1C33工作在60MHz時(shí)，其性能可到60MIPS。在CPU架構(gòu)中，也采用了多種設(shè)計(jì)以提高CPU的性能；哈佛架構(gòu)，內(nèi)部RAM為獨(dú)立總線，在操作內(nèi)部RAM時(shí)可起到高速緩存的作用，而且可實(shí)現(xiàn)同時(shí)存取內(nèi)外部存儲器，提高系統(tǒng)效率。有效的利用內(nèi)部RAM和Harvard結(jié)構(gòu)可大大提高指令執(zhí)行效率，使其可進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算。擁有豐富的周邊電路，較為良好的性價(jià)比和功能消耗較低的優(yōu)點(diǎn)[12]。

1. 1. AT89C51RC單片機(jī)：

AT89C51RC單片機(jī)是Atmel公司生產(chǎn)的低功耗高性能CMOS 8位單片機(jī)，其中它具有32k Bytes Flash只讀程序存儲器(ROM)，512 Bytes內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，該微處理器采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，引腳兼容80C51和80C52芯片，單片機(jī)內(nèi)的Flash存儲器可以象常規(guī)程序存儲器樣進(jìn)行燒寫，AT89C51RC片內(nèi)總共有512字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)區(qū)，而256字節(jié)的內(nèi)部擴(kuò)展數(shù)據(jù)區(qū)需通過清SFR(8EH)的位1并用MOVX指令訪問，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，另一個(gè)256BytesRAM區(qū)與ATMEL之AT89系列8052兼容的單片機(jī)是一致的，AT89C51RC 結(jié)合通用的8位微處理器和Flash存儲技術(shù)構(gòu)成功能強(qiáng)大單片微處理器，可提供許多高性能低價(jià)位的系統(tǒng)控制應(yīng)用場合[13]。

AT89C51RC具有如下主要特點(diǎn)：40個(gè)引腳，32kBytes的程序存儲器，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，內(nèi)置時(shí)鐘振蕩器，其Flash存儲器，可反復(fù)擦寫1000 次的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。軟件設(shè)置電源省電模式，睡眠其間，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行口和中斷口均停止工作，RAM中的數(shù)據(jù)被“凍結(jié)”，直到下次被中斷激活或硬件復(fù)位方可恢復(fù)工作。

1. 1. STC89C52單片機(jī)：

STC89C52是宏晶公司的增強(qiáng)型MCS-51單片機(jī)，具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。其中的優(yōu)點(diǎn)有，支持STC的2線制下載方式，下載程序更方便。支持6T模式（在6T模式下，6個(gè)時(shí)鐘周期就是一個(gè)機(jī)器周期），片內(nèi)集成了4kB容量的EPROM；帶有P4口，具有更多的I/O。最主要的是其價(jià)格便宜，符合學(xué)生的預(yù)算[14]。

本次選擇STC89C52單片機(jī)，因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)能夠完成本次設(shè)計(jì)的全部功效之外，價(jià)格對比于其他兩個(gè)方案更為便宜，所以選擇該單片機(jī)作為本次設(shè)計(jì)的核心。

1. 1. 顯示模塊的方案論證

在本次設(shè)計(jì)的導(dǎo)盲拐杖中，還設(shè)計(jì)了顯示模塊，該模塊可以顯示其周邊信息來給有關(guān)人員進(jìn)行查看，了解當(dāng)前用戶的周邊環(huán)境信息。作為顯示數(shù)據(jù)的顯示屏，從以下方案中選擇一款作為本次數(shù)據(jù)的顯示屏。

1. LCD顯示屏：

液晶顯示屏（LCD）用于數(shù)字型鐘表和許多便攜式計(jì)算機(jī)的一種顯示器類型。LCD顯示使用了兩片極化材料，在它們之間是液體水晶溶液。電流通過該液體時(shí)會使水晶重新排列，以使光線無法透過它們。因此，每個(gè)水晶就像百葉窗，既能允許光線穿過又能擋住光線。液晶顯示器（LCD）目前科技信息產(chǎn)品都朝著輕、薄、短、小的目標(biāo)發(fā)展，在計(jì)算機(jī)周邊中擁有悠久歷史的顯示器產(chǎn)品當(dāng)然也不例外。在便于攜帶與搬運(yùn)為前題之下，傳統(tǒng)的顯示方式如CRT映像管顯示器及LED顯示板等等，皆受制于體積過大或耗電量甚巨等因素，無法達(dá)成使用者的實(shí)際需求。而液晶顯示技術(shù)的發(fā)展正好切合目前信息產(chǎn)品的潮流，無論是直角顯示、低耗電量、體積小、還是零輻射等優(yōu)點(diǎn)，都能讓使用者享受最佳的視覺環(huán)境。

1. OLED顯示屏：

OLED顯示屏是利用有機(jī)電自發(fā)光二極管制成的顯示屏。由于同時(shí)具備自發(fā)光有機(jī)電激發(fā)光二極管，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構(gòu)造及制程較簡單等優(yōu)異之特性，被認(rèn)為是下一代的平面顯示器新興應(yīng)用技術(shù)。

本次設(shè)計(jì)的導(dǎo)盲拐杖只需要顯示其周邊的數(shù)據(jù)信息和GPS 的經(jīng)緯度信息，不需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。對比兩個(gè)方案，選擇LCD顯示屏來作為本次設(shè)計(jì)的顯示模塊。

1. 1. 本章小節(jié)

將本次設(shè)計(jì)導(dǎo)盲拐杖的關(guān)鍵硬件進(jìn)行了方案的論證，通過選取不同的單片機(jī)來判斷此次適合的主控核心。在顯示模塊也通過方案選擇，選擇適合本次設(shè)計(jì)的顯示屏。

1. ? 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由單片機(jī)、超聲波發(fā)射接收電路、液晶顯示電路、聲光報(bào)警模塊、溫濕度采集模塊，GPS定位模塊、短信SIM800模塊、時(shí)鐘模塊、藍(lán)牙模塊以及運(yùn)動(dòng)軸模塊組成，控制核心為單片機(jī)。單片機(jī)在接收到傳感器的信息后，將傳感器的信號轉(zhuǎn)換為距離信息，通過語音播報(bào)或振動(dòng)提示。其中系統(tǒng)框圖如圖3-1所示。

1. 1. 單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)
      1. STC89C52芯片模塊電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的導(dǎo)盲拐杖的主控核心包含時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，其中STC89C52單片機(jī)主電源引腳(2根)VCC(Pin40)：電源輸入，接+5V電源GND(Pin20)：接地線；外接晶振引腳(2根)；XTAL1(Pin18)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端；XTAL2(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端；控制引腳(4根)；RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號；PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號；EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令?？删幊梯斎?輸出引腳(32根)；STC89C52單片機(jī)有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、P2、P3口，每個(gè)口有8位(8根引腳)，共32根。；PO口(Pin39～Pin32)：8位雙向I/O口線，名稱為P0.0～P0.7 P1口(Pin1～Pin8)：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P1.0～P1.7 P2口(Pin21～Pin28)：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P2.0～P2.7 P3口(Pin10～Pin17)：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為

P3.0～P3.7[15]。其中STC89C52單片機(jī)如圖3-2所示。

圖3-2 STC89C52單片機(jī)

1. 1. 1. 系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

時(shí)鐘電路就是產(chǎn)生像時(shí)鐘一樣準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)的振蕩電路。任何工作都按時(shí)間順序。用于產(chǎn)生這個(gè)時(shí)間的電路就是時(shí)鐘電路。時(shí)鐘電路一般由晶體振蕩器、晶振控制芯片和電容組成。以下為時(shí)鐘電路如圖3-3所示。

1. 1. 1. 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

復(fù)位電路是一種用來使電路恢復(fù)到起始狀態(tài)的電路設(shè)備，它的操作原理與計(jì)算器有著異曲同工之妙，只是啟動(dòng)原理和手段有所不同。復(fù)位電路，就是利用它把電路恢復(fù)到起始狀態(tài)。就像計(jì)算器的清零按鈕的作用一樣，以便回到原始狀態(tài)，重新進(jìn)行計(jì)算。本

次設(shè)計(jì)的復(fù)位電路是比較簡單的，是只有電阻和電容，三極管等組合就可以辦到了。其中復(fù)位電路設(shè)計(jì)如圖3-4所示。

圖3-4 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

1. 1. 顯示模塊電路設(shè)計(jì)

顯示模塊采用的是LCD1602顯示屏作為本次的顯示屏，LCD1602液晶顯示器是廣泛使用的一種字符型液晶顯示模塊。它是由字符型液晶顯示屏（LCD）、控制驅(qū)動(dòng)主電路HD44780及其擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電路HD44100，以及少量電阻、電容元件和結(jié)構(gòu)件等裝配在PCB板上而組成。顯示原理是采用了點(diǎn)陣圖形式在屏幕的頂部顯示一條由8條亮線和8條暗線組成的虛線，其引腳功能

引腳1：VSS為地電源。

引腳2：VDD接5V正電源。

引腳3：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地時(shí)對比度最高，對比度過高時(shí)會產(chǎn)生“鬼影”現(xiàn)象，使用時(shí)可以通過一個(gè)電位器調(diào)整其對比度。

引腳4：RS為寄存器選擇腳，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。

引腳5：R/W為讀/寫信號線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫入指令或顯示地址；當(dāng)RS為低電平，R/W為高電平時(shí)，可以讀忙信號；當(dāng)RS為高電平，R/W為低電平時(shí)，可以寫入數(shù)據(jù)。

引腳6：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。

引腳7~14：D0~D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。

引腳15：背光源正極。

引腳16：背光源負(fù)極。

因?yàn)閱纹瑱C(jī)的P0口是弱上拉，因此需要加一個(gè)上拉電阻增強(qiáng)輸入輸出口的輸出能力。在設(shè)計(jì)時(shí)將LCD1602的第三個(gè)引腳與滑動(dòng)變阻器相連，這是為了在硬件搭建結(jié)束后使用者可以通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來控制LCD1602的對比對變化，其顯示模塊電路設(shè)計(jì)如圖3-5所示。

圖3-5顯示模塊設(shè)計(jì)圖

1. 1. 按鍵控制電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)組成的小系統(tǒng)中，有的需要人機(jī)交互功能，按鍵是最常見的輸入方式。最常見的按鍵電路大致有，一對一的直接連接和動(dòng)態(tài)掃描的矩陣式連接兩種。本次采用的是一對一的普通按鍵式。按鍵模塊硬件設(shè)計(jì)圖如圖3-6所示。

圖3-6 按鍵模塊硬件設(shè)計(jì)圖

1. 1. 超聲波模塊

超聲換能器按照發(fā)射與接收是否同體可分為收發(fā)同體與收發(fā)分體式兩種。其中收發(fā)一體式就是發(fā)送器和接受器為一體的傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接受超聲波；收發(fā)分體式是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接受器用作接受超聲波。為了操作的簡便，本次超聲

波導(dǎo)盲系統(tǒng)選用的是HC-SRO4，其超聲波測距模塊如圖3-7所示。

圖3-7 超聲波測距模塊硬件設(shè)計(jì)

1. 1. 多功能模塊
      1. GPS定位模塊

簡單的來說，GPS定位器是內(nèi)置了一種叫"GPS 模塊”和"移動(dòng)通信模塊的終端”，通過將GPS定位模塊獲得的定位數(shù)據(jù)通過移動(dòng)通信模塊(GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò))傳到網(wǎng)站的一臺服務(wù)器，從而可以實(shí)現(xiàn)在設(shè)備查看查詢終端的地理位置。其GPS定位模塊硬件設(shè)計(jì)如圖3-8所示。

圖3-8 GPS定位模塊硬件設(shè)計(jì)

1. 1. 1. 時(shí)鐘模塊

本次設(shè)計(jì)的導(dǎo)盲拐杖在整點(diǎn)時(shí)間將會進(jìn)行整點(diǎn)報(bào)時(shí)，所以需要一個(gè)時(shí)鐘模塊來控制和記錄時(shí)間，所以本次設(shè)計(jì)采用了DS1302芯片來對設(shè)置時(shí)間。DS1302是由美國DALLAS公司推出的具有涓細(xì)電流充電能力的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。它可以對年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，并且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。為了保證其掉電依然時(shí)間準(zhǔn)確，所以在時(shí)鐘模塊中連入一顆電池，保證其不丟時(shí)間。其時(shí)鐘模塊硬件設(shè)計(jì)如圖3-9所示。

圖3-9 時(shí)鐘模塊硬件設(shè)計(jì)

1. 1. 1. 溫濕度傳感模塊

本次設(shè)計(jì)里采用了DHT11來采集用戶周邊的溫濕度，了解其周邊的狀況，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。其DHT11溫濕度傳感模塊硬件電路設(shè)計(jì)如圖3-10所示。

圖3-10 溫濕度傳感模塊硬件電路設(shè)計(jì)

1. 1. 1. 藍(lán)牙模塊

本次設(shè)計(jì)采用了主從機(jī)分機(jī)的形式來組合成本次的導(dǎo)盲拐杖，為了將信息傳輸給從機(jī)，選擇了短距離通信模塊中的藍(lán)牙模塊。藍(lán)牙模塊，是一種集成藍(lán)牙功能的PCBA板，用于短距離無線通訊，按功能分為藍(lán)牙數(shù)據(jù)模塊和藍(lán)牙語音模塊。藍(lán)牙模塊是指集成藍(lán)牙功能的芯片基本電路集合，用于無線網(wǎng)絡(luò)通訊。其藍(lán)牙模塊硬件電路設(shè)計(jì)如圖3-11所示。

圖3-11 藍(lán)牙模塊硬件電路設(shè)計(jì)

1. 1. 1. SIM800短信模塊

短信模塊是通過運(yùn)動(dòng)軸模塊了解到用戶處于跌到或者其他情況的時(shí)候，發(fā)送用戶此時(shí)的GPS位置信息給設(shè)定好的電話，讓用戶的家庭成員或者某些救援人員及時(shí)到達(dá)該位置，保證用戶的安全。其中SIM800短信模塊硬件電路設(shè)計(jì)如圖3-12所示。

圖3-12 SIM800短信模塊硬件電路設(shè)

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