1、摘 要本文介紹了一款基于51單片機為核心的語音導盲系統(tǒng)的設計方案。系統(tǒng)由兩部分組成：一時超聲眼鏡探測器，二是語音提醒器。探測器主要根據(jù)超聲獲取數(shù)據(jù)，經單片機處理后由無線模塊發(fā)送出去。語音提醒器有單片機控制，接收數(shù)據(jù)，然后驅動語音芯片提醒。該系統(tǒng)具有成本低廉、使用方便等優(yōu)點，是一款通用性較強的理想導盲設備。研究了一種基于嵌入式體統(tǒng)和超聲波測距系統(tǒng)的設計方案，應用移植嵌入式操作系統(tǒng)并給出障礙物檢測優(yōu)化方法，并且根據(jù)超聲波測距的工作原理對障礙物進行距離測量。實驗結果表明，該系統(tǒng)在自然盲道情況下達到了處理實時性和判斷的準確性要求，可較好地服務與盲人的獨立出行。關鍵詞：51單片機語音提醒超聲測距無線數(shù)傳

2、模塊 導盲系統(tǒng)；13 / 16AbstractThis page mainly introduce a design of voice guide device based on 51 MCU .The device consists of two parts:Part one ultrasound glasses detector , Part two voice alarm device.Data gotten from ultrasound glasses detector has been put into process by 51 MCU and then be sent into

3、 air by wirelessmodule. After that ,the voice alarm device will get the data from another a voice alarm .Cheap, convenience and other advantages make it a perfect device for blindman.Studies are made on theembedded systems and ultrasonic distance measurement system. Porting embedded operating system

4、 and giving optimization method for obstacle detection, and measuring the obstacles distance by ultrasonic ranging works. The experimental results she that the system achieved to deal with circumstance and judge accuracy of real-time requirements in a naturalblind road, which may provide better serv

5、es for the blinds independent travel.KEY WORD ：51 MCUVoice alarmUltrasounddetectorWireless moduleGuide system for blind目 錄摘要IAbstractII第一章緒言1第一節(jié)總體方案1第二章硬件電路的設計2第一節(jié)超聲模塊電路2第二節(jié)液晶顯示電路6第三節(jié)語音輸出電路7第四節(jié)無線模塊電路設計8第三章軟件設計9第四章結語11致12參考文獻13第一章 緒言盲人群體一直是社會中需要關心的弱勢群體，出門不便對于所有盲人患者是一個較大的難題。目前市場上有很多種導盲設備，但大多原理簡單、功能單一、

6、較機械化，出現(xiàn)的問題也較多，給經常出門的盲人使用者帶來不便。基于簡單實用、價格低廉的考慮，本文介紹一款語音導盲系統(tǒng)的設計，能在一定程度上解決廣大盲人患者出行困難。整個系統(tǒng)分為兩部分，一是眼鏡探測器，二是隨身攜帶的語音提醒裝置。都含有硬、軟件兩個部分設計。此款導盲眼鏡系統(tǒng)以超聲測距探測障礙物獲得相應數(shù)據(jù)，利用2.4G無線數(shù)傳模塊傳送，獲得數(shù)據(jù)后，單片機即進行數(shù)據(jù)處理，最后控制ISD系列語音芯片給出播報提醒，同時啟動振動提醒。該系統(tǒng)主要優(yōu)點如下：操作簡單方便；超聲測距、無線傳輸讓整個導盲設備更輕松；具有語音告知功能，兼帶振動功能，更加人性化、智能化。第一節(jié) 總體方案系統(tǒng)以51系列單片機為核心控制器

7、，利用超聲測距模塊、無線傳輸模塊、ISD4003語音芯片、LM386集成運放、NOKIA5110 LCD液晶顯示器等外設配合使用搭載的一個語音導盲設備。系統(tǒng)整體框圖如1.1所示。圖1.1 系統(tǒng)整體圖第二章 硬件電路的設計第一節(jié) 超聲模塊電路一、超聲模塊電路超聲波測距是借助于超聲脈沖回波渡越時間法來實現(xiàn)的。設超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接受所經歷的時間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為c，則從傳感器到目標物體的距離T。可用下式求處：D=ct2，如表2.1超聲模塊與單片機接口電路，如圖2.1所示。表2.1引腳功能1VCC2Trig3Echo4GND圖2.1 超聲模塊接口電路圖二、導盲杖控制系統(tǒng)導盲杖控制

8、系統(tǒng)采用分散式控制方式，如圖2.2所示。該導盲杖控制系統(tǒng)主要由控制單元、超聲波測距單元、圖像識別處理單元、語音控制單元等組成。主控制單元主要完成導盲杖各個部分的協(xié)調控制、計算和分析；超聲波測距單元完成人在行走過程中對障礙物距離的測算功能，以做出運動策略的分析；圖像識別處理單元完成人在行走過程中對障礙物的檢測識別功能；語音控制單元完成對盲人的語音提示和發(fā)出警報等。主控制單元采用AT89S52單片機，圖像識別處理單元采用ADSP-BF533（簡稱BF533）為中心處理器的圖像識別系統(tǒng)，其他單元均采用AT89S51單片機，各個部分通過串口多機通信來完成信息交換。多機通信中采用總線型從式多機系統(tǒng)。圖2

9、.2 導盲系統(tǒng)集散控制框圖三、障礙物檢測識別和超聲波測距原理我們所研究的障礙物檢測識別是基于直線段匹配的障礙物檢測識別技術。因為大多數(shù)的障礙物呈現(xiàn)為棱柱形，圓臺狀，長方體等形狀（如電線桿，箱子，桌子等），而且這兩條直線段中的像素點的梯度方向應該是對稱的，所以檢測出這些近似直線段的邊緣就可以重構無題輪廓，從而識別檢測出障礙物。本文提出的算法主要有三部分組成：首先計算原圖像中邊緣點的梯度值和梯度方向，并按照“同一直線段像素點的梯度值和梯度方向近似”的原則從邊緣點圖像中提取出直線段；然后利用提取出來的直線段的各種屬性（長度，梯度方向，位置），兩條直線段之間像素點的灰度直方圖以與背景灰度直方圖對直線進

10、行匹配，搜索出分別對應于各個物體左右邊緣的兩兩相對的直線段；最后按照匹配計算出匹配值重構“障礙物”輪廓并確定其位置。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，反射能力越強，而繞射能力越弱。利用超聲波的這種特性，常常用渡越時間檢測法進行距離的測量。其工作原理是：換能器向介質中聲速為C，回波到達時刻與發(fā)射波時刻的時間差為t，就可以計算出發(fā)射點與反射點的距離s，s=ct/2式中，c為超聲波的傳播速度（m/s）。超聲波在固體中傳播速度最快，在氣體中傳播速度最慢，而且聲速c與溫度有關。如果環(huán)境溫度變化顯著，必須考慮溫度補償問題?？諝庵新曀倥c溫度的關系可以表示為（2）C=331.4式中T為環(huán)境溫度（）。超聲波常溫下

11、在空氣中的傳播速度是340m/s，這里由于測量距離不長，測量精度要求不高，不考慮其它影響，只要測的超聲波發(fā)射和接收回波的時間差t，按式（1）計算即可4。四、超聲波測距系統(tǒng)硬件設計（一） 超聲波發(fā)送電路超聲波的發(fā)送電路原理圖見圖2.3來自單片機的信號A觸發(fā)NE555定時器電路產生頻率約為40KHz方波信號，經過CD4069六非門反相器進行功率放大，驅動超聲波發(fā)送傳感器T40-16，發(fā)送超聲波。圖 2.3 超聲波發(fā)送電路原理圖(二) 超聲波接收電路當超聲波遇到障礙物返回時，超聲波接收傳感器R40-16接收回波，由于回波電壓值只在mV量級，所以采用LM324的兩級放大電路進行幅值放大放大后的波形信號

12、送到LM567集成鎖相環(huán)路解碼器，調節(jié)電阻與電容值，將頻率鎖在40KHz左右。當放大信號大于25rnV，就會在8引腳產生高電平信號B送到單片機處理。圖2.4 超聲波接收電路原理圖（三） 單片機控制電路本文的導盲杖采用了圖像處理技術對障礙物的檢測，用來預警快速移動過來的人或物。超聲波測距系統(tǒng)在導盲杖上的應用，如超聲波收發(fā)電路主要完成數(shù)據(jù)的采集和初步處理，處理后的數(shù)據(jù)傳送到AT89S51單片機，再進行最終的數(shù)據(jù)處理。單片機控制電路主要完成發(fā)送與關閉控制信號、計時、接收回波信號與串口通信等工作。單片機對收發(fā)電路的控制主要是對發(fā)射超聲波控制電路進行計數(shù)初始化，單循環(huán)方式使3路發(fā)送電路一次發(fā)送和接受超聲

13、波，單獨進行距離的計算，其目的是使計數(shù)程序避免硬件回波間的干擾。單片機完成收發(fā)動作后就將計數(shù)器計數(shù)的計數(shù)值經處理得到距離信息送到緩存區(qū)，等待與主控制器AT89S52進行串口通訊，達成協(xié)議后即可將距離信息送入主控制器。串口通訊硬件電路由具有電平轉換功能的MAX232芯片與外圍元件組成。五、超聲波測距系統(tǒng)軟件設計本系統(tǒng)的軟件采用模塊化設計，超聲波收發(fā)器控制、數(shù)據(jù)處理和存儲、與主控制器的通訊都由AT89S51單片機來來完成，主程序流程圖如圖2.5所示。圖 2.5 超聲波測距系統(tǒng)軟件流程圖在控制系統(tǒng)得電工作，先進行初始化后，為系統(tǒng)設置一系列初始化值，包括超聲波發(fā)射間隔數(shù)、定時器定時初值、距離計算參考數(shù)

14、等。后程序控制發(fā)送0.2ms寬度的超聲波，同時啟動定時器T0計時；啟動接收回波程序，等待接收回波，有回波則停止計時，讀取時間差，用式（1）計算距離，然后通過串行通訊將數(shù)據(jù)傳送給主控制器，最后返回重新開始。第二節(jié) 液晶顯示電路一、液晶顯示電路系統(tǒng)使用nokia5110液晶顯示模塊進行顯示。5110LCD是一塊8446點矩陣顯示設備，部采用PCD8544控制器進行顯示控制，該模塊是串行控制設備，遵循串行總線協(xié)議進行通信，接口電路提供八個引腳（引腳功能如圖2.2所示），與單片機連接如圖2.6所示。表2.2液晶模塊引腳功能引腳功能1VCC2GND3SCE4RST5DC6DN(MOSI)7SCLK8LE

15、D圖2.6液晶接口電路第三節(jié) 語音輸出電路一、語音輸出電路ISD4003語音芯片與普通的錄音/重放芯片相比，具有如下特點：首先是記錄聲音沒有段長度限制，并且聲音記錄不需要A/D轉換和壓縮。其次，快速閃存作為存儲介質，無電源可保存數(shù)據(jù)長達100年，重復記錄10000次以上。此外，ISD4003具有記錄時間長可達4分鐘，本文采用的為4分鐘的ISD4003語音芯片的優(yōu)點。ISD在任何事操作（包括快進）中檢測到EOM或OVF時，本段變低并保持，中斷狀態(tài)在下一個SPI周期開始時被清除。中斷狀態(tài)也可以用RINT指令讀取。OVF標志指示ISD的錄放操作已經到達存儲器的末尾。EOM標志指示在放音中檢測到部的E

16、OM標志時。此狀態(tài)位才置1.語音芯片與單片機之間的連接非常簡單：SS（接P00）、MOS（接P01）、MISO（接P0）、SCLK（接P03）、INT（接P32）、RAC（接）。至于芯片外加電容等連接方式參加ISD400304數(shù)據(jù)手冊。第四節(jié)無線模塊電路設計一、無線模塊電路設計nRF24L01是一款工作在2.4GHz2.5GHz世界通用ISM頻段的單片機無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型SchockBurst模式控制器。功率放大器、晶體振蕩器、調制器、解調器。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過SPI借口進行（如表2.3和圖2.7）。表2.3 超聲模塊引腳功能引腳功能1VCC

17、2Trig3Echo4GND圖2.7 超聲模塊接口電路圖第三章 軟件設計軟件使用C語言編程開發(fā)。語音芯片和單片機通信SPI串行口實現(xiàn)的，單片機對語音芯片的控制必須遵循SPI串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。軟件設計分為兩個部分：一、眼鏡探測器的設計。2051mcu構建最小系統(tǒng)。初始化各模塊。啟動超聲模塊開時器，最后計算并發(fā)送距離數(shù)據(jù)。二、語音提醒器的設計。初始化各模塊。進入接受狀態(tài)，接收數(shù)據(jù)，進行信息處理并處理語音提醒（如圖3.1和圖3.2）。圖3.1 眼睛探測器程序流程圖圖3.2 語音提醒器程序流程圖第四章 結語本文介紹的一種語音導盲系統(tǒng)的設計方案在使用價值上還是值得認同的，但尚有很多不足之處，例如若遇到復

18、雜的外部環(huán)境就很難提供準備的路況信息；該設計采用的是單探頭測距蔽障，只能固定一個方向的探測，在360度全景的環(huán)境下顯得有所不足，但可以用探頭按時序分別掃描探測的改進方案得以彌補?？傊?，該方案在一般環(huán)境下還是適用的，而且操作簡單、價格低廉，適合于國非特殊精確水平級別上推廣，對廣大盲人朋友也是一個很好的幫助。致 在論文的寫作過程中遇到了無數(shù)的困難和障礙，都在同學和老師的幫助下度過了。尤其要強烈感我的論文指導老師XX老師，她對我進行了無私的指導和幫助，不厭其煩的幫助進行論文的修改和改進。另外，在校圖書館查找資料的時候，圖書館的老師也給我提供了很多方面的支持與幫助。在此向幫助和指導過我的各位老師表示最中心的感！感這篇論文所涉與到的各位學者。本文引用了數(shù)位學者的研究文獻，如果沒有各位學者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫作。感我的同學和朋友，在我寫論文的過程中給予