目錄 1 11.2.超聲波測距技術的發(fā)展現(xiàn)狀 2 32系統(tǒng)設計與整體方案2.1系統(tǒng)的基本原理 42.2系統(tǒng)方案的總體設計 43硬件設計3.1單片機選擇 63.2超聲波測距模塊 73.3GPS定位模塊 93.4震動模塊 3.6系統(tǒng)接線設計 4程序設計4.1手杖主程序流程 4.2超聲波測距的實現(xiàn) 4.3GPS定位的實現(xiàn) 4.4系統(tǒng)總體調試 為了使盲人的出行更加便利，本文介紹了一個將搭載有超聲波測距系統(tǒng)的STM32單片機安裝在盲人手杖上，使兩者功能相互結合的導盲避障系統(tǒng)。該系統(tǒng)由STM32開發(fā)板，超聲波測距模塊，警示燈模塊，GPS定位模塊，震動模塊組成。此設計利用超聲波測距模塊對四周障礙物進行定位，定位后發(fā)出信號給手杖的震動模塊，通過震動模塊發(fā)出震動提醒使用者有障礙物，然后使用者通過手杖和超聲波測距模塊及震動模塊共同作用確定障礙物的位置的功能。經(jīng)調試，手杖可以通過超聲波測距模塊實現(xiàn)對附近障礙物的識別并示警。關鍵詞：GPS系統(tǒng)，STM32單片機，超聲波測距1緒論1.1選題背景自二十世紀以來，科技飛速發(fā)展，在醫(yī)療方面也是同樣如此。即使如此也不能保證所有的人都沒有病，或者在得病后能夠得到及時的救治。失明不是大病，但是失明的人在日常生活中卻有各種各樣的不便之處。根據(jù)世界衛(wèi)生組織在2018年發(fā)布的數(shù)據(jù)來看，全球已有3600萬人失明；據(jù)不完全統(tǒng)計，截止2019年我國已有1700萬盲人，而且盲人的數(shù)量還在不斷增加。所以我國作為世界上失明人口最多的國家，盲人作為社會中的弱勢群體，他們的生活狀況需要社會的廣泛關注?，F(xiàn)在社會上用來輔助盲人出行和生活的方法最多的是給盲人配置一只導盲就發(fā)生了公交車司機因為公司規(guī)定不允許寵物上車而拒絕一位盲人和他的導盲如今隨著科技發(fā)展，已經(jīng)有些比較好的智能手杖在網(wǎng)上進行銷售了，但是他們大多數(shù)都是在手杖上附加上收音機，MP3;最好的也就只增加了GPS定位超聲波是科學家們于19世紀末發(fā)現(xiàn)壓電效應后利用該技術原理產(chǎn)生的。脈沖波探傷儀被第一次創(chuàng)造了出來，帶領著超聲波檢測技術進入新的歷史階段。2004年提出超聲波發(fā)射信號的激勵脈沖寬度與其發(fā)射功率間存在特定關系。2008年，提出利用兩種不同頻率的超聲波信號同時進行測距，將雙頻測距與脈單發(fā)超聲波模塊以減小隨機誤差。2015年，提出了一種新的超聲波測距方法，文設置二發(fā)三收的超聲波傳感器布局，減小測距盲區(qū)，并通過比較各方位測距數(shù)據(jù)合理規(guī)劃機器人路徑算法，實現(xiàn)機器人自主避障1。本研究的內容是手杖利用超聲波測距技術探測周圍環(huán)境中有沒有障礙物，有障礙物時手杖上的震動模塊發(fā)出震動?；谏鲜鰲l件做出設計，使手杖能夠按照設計思路一樣發(fā)揮作用。想要實現(xiàn)本設計的所有功能，方法其實是有很多的，并且還涉及到選取合適的模塊，但是在對比了幾種可探測障礙物的技術后，決定使用超聲波探測技術，它是最常用最方便的技術。為了確定使用手杖的盲人的位置可以使用GPS定位模塊；為了在發(fā)現(xiàn)周圍有障礙物時提醒使用者，可以使用震動模塊；為了使用者在光線不足的情況下被其他人注意到，可以使用光線感應設備和紅藍警示燈。為了使設備運轉起來，使用干電池供電。第4頁2系統(tǒng)設計與整體方案想要實現(xiàn)手杖的探測障礙物的功能，就要在超聲波測距模塊做文章，再給手杖上的STM32接通電源后，開啟超聲波探測模塊來檢測周圍有沒有障礙物，如果有障礙物就使震動模塊發(fā)出震動來提醒使用者。2.2系統(tǒng)方案的總體設計在本次設計中，選擇的主體為市場上常見的手杖作為載體，之后把超聲波測距模塊、GPS定位模塊、警示燈模塊、震動模塊和供電模塊附加在手杖上。有了這些模塊之后，將其按正確的線路連接在STM32單片機上即可得到總體的設計。圖1系統(tǒng)結構圖在載體的設計完成后各個模塊與整體的設計思路也就基本完成了。我們可以把手杖分為4大模塊，分別為供電模塊、信號接受模塊、信號處理模塊和信號輸出模塊。供電模塊是電池，本次設計供電電路采用二節(jié)正常的5號電池作為電源，直接將該兩節(jié)電池串聯(lián)接通至手杖的各個模塊上，穩(wěn)定后的電壓通過連接各個元器件的VCC端口進行輸出供電；信號接收模塊包括GPS定位信息的接收和超聲波探測到障礙物信息的接收；信號處理模塊就是STM32單片機；信號輸出模塊是震動器和紅藍警示燈。3硬件設計關于此次設計有可能用到的單片機器件，不是隨意一個單片機硬件就可以使用的，需要按照以下原則進行篩選：第一是單片機的芯片必須要有在處理較大量數(shù)據(jù)時順暢運行的能力，因為如果本次設計所要實現(xiàn)的功能所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息量接近或大于單片機的芯片所能處理的最大信息處理量，就可能使單片機運行速度變遲緩，讓單片機無法及時的對反饋信息做出反應，甚至可能導致單片機因數(shù)據(jù)太多而死機使本設計的任務無第二是考慮個人的操作水平和對單片機的熟悉程度，在確保單片機可以正常運行本設計的任務的前提下，盡量選擇使用過的或者使用簡單、容易掌握的單片機，這樣才可以更方便、更容易、更快速的完成并設計。第三是想要控制單片機實現(xiàn)本設計的任務，必須要有一個大眾的、好的開發(fā)工具才行，不僅方便開發(fā)程序，而且方便查找并解決在編寫程序過程中出現(xiàn)的錯誤，這樣在后續(xù)的程序編寫、修改或者給本設計添加更多功能時不會陷入尷尬之有了以上的幾個條件后，經(jīng)過篩選最終選擇了STM32F103RCT6單片機。STM32F103RCT6單片機的優(yōu)點很多，他操作相對簡單，功能比較全面，工作速度也快，這樣就不用擔心手杖在運行中接收到信息會來不及讀取并根據(jù)信息做出相應的反應。除此之外STM32系列的所有單片機都有著數(shù)量眾多的用戶群體，而且這些用戶群體里的大多數(shù)人都對STM32系列的單片機做出了好評。不僅是因為STM32系列的單片機有著數(shù)量龐大的用戶群體，還因為STM32系列單片機都有著高性能低功耗的美名，這就使得STM32系列單片機與其他類型的單片機相比它不但能夠處理更多更復雜的信息，而且還因為有眾多用戶去開發(fā)STM32系列單片機使得我們可以在單片機的功能開發(fā)上有著更多的選擇和更多可參考的實例。從而使本設計在完成任務時更加方便快捷。PA10734L IN811 BIN212PWMB1427RXAIN11625K2FMPOWERCAIN217 3.2超聲波測距模塊將該功能用于手杖行進中的障礙躲避，即該模塊的測量距離功能可以幫助手杖檢測前方是否有物體。如果有的話就引導使用者進行躲避。該模塊的測距區(qū)間大約是2-450cm。圖4US-100反面實物圖本模塊共有兩個不同的接□,分別為5pin接口和模式選擇跳線接□。5pin接□2.54mm的彎排針，彎排針從左到右的定義依次為：第一個pin引腳是接VCC電源(供電范圍2.4V-5.5V);第二個pin引腳是當為UART模式時，接外部電路UART的TX端，當為電平觸發(fā)模式時，接外部電路的Trig端；第三個pin引腳是當為UART模式時，接外部電路UART的RX端，當為電平觸發(fā)模式時，接外部電路的Echo端；第四個引腳和第五個引腳都是接外部電路的地。模式選擇跳線接□位于5pin接□的上方，模式選擇跳線接□的間距為2.54mm,當插上跳線帽時為UART(串□)模式，拔掉跳線帽為電平觸發(fā)模式。帽表示工作在UART模式.拔掉跳線帽表示工作在電平觸發(fā)模式。5pin供電及通信接口：圖5模式選擇跳線接口(左)和5pin接□(右)示意圖GPS系統(tǒng)，又稱為全球定位系統(tǒng)(英語：GlobalPositioningSystem,通常簡稱GPS),或稱全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是美國國防部研制和維護的中距離圓型軌道衛(wèi)星導航系統(tǒng)。它可以為地球表面絕大部分地區(qū)(98%)提供準確的定位、測速和高精度的標準時間。全球定位系統(tǒng)可滿足位于全球地面任何一處或近地空間的軍事用戶連續(xù)且精確地確定三維位置、三維運動和時間的需求。GPS系統(tǒng)擁有如下多種優(yōu)點：使用低頻訊號，縱使天候不佳仍能保持相當?shù)挠嵦柎┩感裕桓哌_98%的全球覆蓋率；高精度三維定速定時；快速、省時、高效率；應用廣泛、多本設計中采用的實時定位模塊是ATK-S1216F8-BDGPS/北斗模塊進行操作，實物如圖5所示4NCNC6NC3232NC4言言言該模塊默認輸出的GPS/北斗定位數(shù)據(jù)采用NMEA-0183協(xié)議，控制協(xié)議為在本設計中，定位問題也是相當關鍵的一個部分，當使用者在戶外行動時發(fā)生意外或迷路的情況，必需要及時的、精準的定位到需要被救援的使用者的位置，只有確定了該定位，才能讓施救人員對被施救者進行及時的救援。本設計的GPS模塊采用了NMEA-0183協(xié)議，根據(jù)接收到的ASCII碼來確定位置信息。在NMEA-0183協(xié)議中使用的命令如表1所示序號命令說明最大幀長1衛(wèi)星定位信息2衛(wèi)星PRN數(shù)據(jù)3可視衛(wèi)星信息4推薦定位信息5地面速度信息6地理定位信息7UTC時間和日期由ASCII碼來傳遞GPS定位信息，稱之為幀，幀長即代表某項信息的最大長度。第11頁由表1可知，衛(wèi)星定位信息的命令為$GPGGA。推薦定位信息的命令為其實這兩個數(shù)據(jù)所傳遞的信息在大體上是沒有太大區(qū)別的，只不過是較少的gps定位信息，但是依舊可以用來輸出經(jīng)緯度等定位信息，因此這兩種數(shù)而GPS模塊通過接收到的$GPRMC信息或者$GPGGA信息，可以很清楚地得到信號發(fā)出時的時間，以及信號發(fā)出是地點的經(jīng)緯度，而GPS定位系統(tǒng)采用系只是世界通用但在不同的國家有可能會使用自己國家獨有的坐標系因而不同地圖采用的地圖坐標是不盡相同的。因此在得到GPS傳出的信息后，應對經(jīng)緯度進行換算，得到適合的坐標。ATK-S1216F8-BDGPS/北斗模塊與單片機連接最少只需要連接4跟線即可：VCC,GND,TXD,RXD。其中VCC和GND是模塊的供電線路，而本模塊的TXD和RXD只需要連接單片機的TXD和RXD即可。模塊單片機模塊圖8ATK-S1216F8-BDGPS/北斗模塊與單片機連接示意圖在上圖中，ATK-S1216F8-BDGPS/北斗模塊的PPS與單片機的GPIO連接北斗模塊的正常使用。馬達發(fā)出震動以此來提醒使用者。本次設計中使用的是DJ0827型號的微型震動DJ0827微型震動馬達是通過兩根銅導線來連接馬達和電源的，該器件的啟動電壓為1.5V,額定電流為0.05A。3.5紅藍警示燈模塊在一些光線不足的環(huán)境中，為了讓其他人注意到使用者，需要手杖上加上LED紅藍警示燈，本次設計中使用的是37ARB16C型號LED燈，為了使LED燈在光線不足的環(huán)境下自動開啟，設計中需要光敏電阻來控制LED燈，光敏電阻選擇型號為SG6528B-V,其成本低和體積小的優(yōu)點是本設計需要的。LED燈和光敏電阻都只有兩個引腳，用于電流的輸入和輸出。第13頁GGNDPA1PA13V3Echo超聲波模塊GNDGND震動馬達圖11系統(tǒng)接線圖本設計的所有模塊之間的接線如上圖所示。第14頁4程序設計開始獲取定位重新定位NYN礙物?Y圖12手杖程序流程圖第15頁啟動系統(tǒng)，初始化各個模塊，啟動GPS定位，獲取定位信息，再在OLED超聲波測距的主要實現(xiàn)過程是通過發(fā)出超聲波和接收超聲波的時間差來確以上的高電平，以此來使超聲波模塊發(fā)出聲波。所以我們先要初始化GPIO,使能總線和端□,由于Trig用作輸出電平，而Echo用作讀取電平，所以將Trig腳初始化定時器，需要定時器來計時。將Trig置為高電平維持10微秒，即讓變?yōu)楦唠娖?，然后重載并開啟定時器，等待Echo變?yōu)榈碗娖?，同時定時器停止NYYN在GPS通電之后，GPS模塊實時傳輸信息給stm32單片機，其中包括了很多和我們毫無關系的信息，而我們需要的只是經(jīng)緯度和時間。為了方便使用，我們首先需要通過控制GPS模塊的軟件讓gps只給單片機傳輸有用的定位信息包括GPRMC(時間，日期，位置)和GPGLL(經(jīng)度，緯度，UTC時間),這些是定位位置所需的最有用的信息。得到的數(shù)據(jù)雖然不是混亂的，但是也不能讓人一目了然。所以需要把它們變?yōu)槿菀鬃屓丝炊臄?shù)據(jù)。程序流程如下圖所示開始開始間超聲波測距模塊的調試：將超聲波測距模塊連接單片機，啟動單片機后，使超聲波測距模塊由遠及近的接近障礙物，若到達安全距離時與單片機連接的微型震動馬達發(fā)出震動，這說明沒有問題。GPS定位模塊的調試：在將GPS定位模塊與單片機正確連接使用之前，需要使用GNSSViewer軟件對GPS模塊進行調試。通過ALIENTEKSTM32開發(fā)板板載的USB轉串口將ATK-S1216F8-BDGPS/北斗模塊連接到電腦，并給GPS/北斗模塊供電。打開GNSSViewer軟件之后，出現(xiàn)如下圖的界面：OGPSGLONASSNSD\百度網(wǎng)盤\【正點原子】北斗GPS模塊ATK-1218-BD【正點原子】北斗GPS.…Beidou?EASTNORTHW×在上述界面進行調試之前，我們需要先選擇正確的連接GPS模塊的串口端□號和點擊連接/斷開按鈕使軟件和ATK-S1216F8-BDGPS/北斗模塊進行連接。如果連接正確圖11的界面會出現(xiàn)與定位相關的衛(wèi)星號等信息。在確認連接無誤后就可以進行調試了，首先需要輸入驗證代碼，然后在選擇合適的波特率等一系列參數(shù)，設置完所有參數(shù)后會發(fā)現(xiàn)，ATK-S1216F8-BDGPS/北斗模塊會向外輸出SGMGGA,110517.000,2318.1179,N,11319.5990,E,1,11,1.8,112.9,M,-5.4SCMCL,2318.1179,N,11319.6990,E,110517.SCMCSA,A,3,07,23,30,11,09,17,28,,,,2.6,1.SCNGSA,A,3,202,203,205,208,,,22,2.6,SGPGSV,4,1,13.11,75,173,31,07,59,317,45,08,50,019,24,01,50,SGPGSV,4,2,13,30,28,321,41,09,25,231,40,27,21,040,34,23,16SGPGSV,4,3,13.16,15,084,07,22,08,132,18,28,07,297,39,17,05,$BDG3V,3,1,09.208,80,317,31,207,73,100,25,210.73,548,25,20$BDGSV,3,2,09,201,51,126,,202,44,239,43,205,24,255,36,SGNRMC,110517.000,A,2318.1179,N,11319.6990,E,000.0,072.4,280SGNTTG,072.4,T,,M,000.0,N,00SGNZDA,110517.000,28,03,2016SGMGGA,110518.000,2318.1179,N,11319.6990,E,1,11,1.8,112.9,M,-5.SCNGLL,2318.1179,N,11319.6990,E,110518.SCNCSA,A,3,07,23,30,11,09,17,28,,,,2.6,1.SCMGSA,A,3,202,203,205,208,,,,2,,,,2.6,SCNRMC,110518.000,A,2318.1179,K,11313.6990,E,000.0,072.4,230SGNVTG,072.4,T,,M,000.0,N,00SGNZDA,110518.000,28,03,2016SGNGGA,110519.000,2318.1179,N,11319.6990,E,1,11,1.8,112.9,M,-5.4,SGNGLL,2318.1179,N,11319.0990,E,110519.000,五，A*41$GNGSA,A,3,07.23,30,11,09,17,28,,,.$GNGSA,A,3,202,203,205,208,,,,,,最后進行編譯，編譯成功后，將代碼下載到STM32單片機上。然后進入下一步，打開串口調試助手，等待GPS/北斗模塊成功定位，定位完成后就可以在串口調試助手界面得知當前地點的全球通用經(jīng)緯度，之后我們把全球通用經(jīng)緯度劃算成為中國所用的坐標即可。我使用的US-100超聲波傳感器的可探測距離為2cm-450cm,再結合一般人的一步的距離，在前方障礙距離手杖100cm時啟動避障震動提醒時最合理的。完成以上調試后，把各個模塊按照正確的順序連接在一起，接通電源檢查手杖的各個模塊是否正常運行。如果沒問題，就進行整體調試，確定硬件電路方案設計無誤，可以使每個模塊都正常運行。系統(tǒng)的整體調試步驟：1.為整個系統(tǒng)接通電源，各指示燈正常亮起，各模塊正常運行。如有特殊情況發(fā)生，按照單模塊調試方法進行調整，直到完成各個模塊的正常運行。2.連接單片機與GPS定位模塊，刷新LCD屏等待顯示經(jīng)緯度，顯示經(jīng)緯度后與地圖經(jīng)緯度相比較，測試模塊定位信息是否準確。3.先燒錄超聲波避障模塊的程序到單片機進行驗證，讓手杖在空曠環(huán)境進行避障功能的實驗，當手杖遇到障礙時能跟據(jù)障礙的距離和方位提醒使用者進行躲避行為，避障模塊正常。所有模塊正常連接后，接通電源，所有模塊都正常工作，首先進行超聲波測距模塊檢測，檢測結果如下表所示：實際距離測試距離是否震動否否否否否是是是通過多次測試得到的實驗數(shù)據(jù)可以得出結果：超聲波測距模塊使用正常，可以準確的檢測出障礙物和使用者之間的距離，而且在小于安全距離時發(fā)出震動。對GPS定位模塊進行調試，在啟動單片機時，GPS啟動并開始接受定位信息，數(shù)據(jù)如下表：經(jīng)度緯度東經(jīng)113.000621北緯28.139311東經(jīng)113.00085北緯28.139423東經(jīng)113.001155北緯28.13953東經(jīng)113.00116北緯28.13953東經(jīng)113.001276北緯28.139264東經(jīng)113.001339北緯28.139132東經(jīng)113.001487北緯28.138901經(jīng)過多次測試可知：GPS定位模塊工作正常，可以精準的顯示出經(jīng)緯度。本次畢業(yè)設計其實就是為了實現(xiàn)一些功能，選擇對應的模塊將他們通過單片機整合起來，組裝成可以檢測到障礙物并做出提醒。這些模塊分別是GPS定位系統(tǒng)模塊，超聲波避障模塊，單片機模塊，電源模塊，LCD液晶顯示屏。GPS定位系統(tǒng)模塊：GPS全球定位系統(tǒng)對目標所在地點進行定位，并把定位后的信息通過協(xié)議發(fā)送給單片機。超聲波避障模塊：通過超聲波模塊的測距功能進一步進行衍生，將其用于檢測手杖前方是否有障礙物，有則檢測相距多遠，并使手杖在距離障礙物很近時發(fā)出主動提醒。電源模塊：本次設計最初采用的是普通電池為整個系統(tǒng)供電，但其長時間運行可能會因為供電不足產(chǎn)生影響，所以用電源線代替。單片機模塊：單片機模塊是另一個重中之重，正是因為有了STM32單片機作為系統(tǒng)的核心，整個系統(tǒng)才能正常運行。因為有了這些不可缺少的功能，才能夠使得設計更加的完善，而設計前的調試是必不可少的，這就是發(fā)現(xiàn)問題