单片机的盲人防障系统的设计
目 录
引言 1
一、系统组成 1
二、超声波测距原理 2
三、主要元件介绍 3
（一）超声波传感器 3
（二）单片机介绍 4
四、系统的硬件设计 6
（一）硬件设计思路 7
（二）单片机最小系统 7
（三）超声波发射电路 8
（四）超声波接收电路 9
（五）避障报警电路 10
（六）显示电路 10
（七）其它电路 11
五、系统的软件设计 12
（一）系统程序结构 12
（二）系统主程序设计 13
（三）液晶显示子程序设计 14
（四）定时器中断子程序设计 16
结束语 17
参考文献 18
附录一 原理图 19
附录二 源程序 20
致谢 29
引言
随着近几年科技的迅速崛起，电子测量手段领域也是发展快速。超声波技术作为一种新型的测量技术也使测量变的更加精确，在国家经济快速发展下，电子测量技术在越来越多的方面得到了使用，超声波测量准确性高、花费低、性能稳定也越来越受到人们的看重。频率声波在20千赫兹以上的，我们将其称为超声波，在物理的领域内，它被划分为机械波的种类里面。根据弹性介质中的机械波传播的一般规律是超声波，如在两种介质界面产生的折射和吸收辐射能量衰减后的媒介现象。由于超声波具有的这些物理性质，在距离测量领域中超声波作为一种测量方法得到了应用。通常我们会在液位或固定物位的测量中，应用超声波测距系统。
由于超声波测量技术属于一种间接的、非接触性检测技术，不会像红外线一样因为被测物质颜色以及外界 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
环境的光线而影响测量。超声波检测技术应用通常计算简单迅速且方便控制，而且在测量精确，能够符合工业实用的指标要求。在与红外测量及其它的传统测量仪器中，相比较之下，超声波测量的系统往往更加卫生，也不会轻易被各种恶劣环境所影响，比如高温、潮湿、粉尘等等。而超声波测距系统的这些优点也使其在机器人视觉方面得到了较多的应用与研究。
一、系统组成
本测距仪电路中AT89C52 SCM作为远程检测系统的核心。超声波发射、时钟电路、接收电路、复位电路、温度测量电路、LCD液晶显示电路和声音报警电路这些电路组成了避障系统的电路部分。当系统工作的时候，发射电路发射方形波、接收电路接收返回波开始距离测量，经过ATC89C52单片机进行数据处理并增加了DS18B20的温度补偿模块以消除环境温度的影响，最后将补偿修正后的测量的障碍物距离显示到LCD液晶显示器上，当系统测量的障碍物距离小于系统预先设定的比较值时，就会启动报警电路发出鸣叫，提醒盲人注意安全避开前方障碍物。系统框图如下图所示。
图1 系统设计总框图
通过系统单片机AT89C52内部程序产生高电平（宽度为10us以上），通过系统指定的引脚输出到超声波发射电路，然后超声波发射电路接收到高电平。当超声波放射部分检测到系统输出，即输出的电平为高电平时，就会通过电路中的放大电路进行夸大，然后驱动超声波发出探头，发出测距超声波。超声波作为一种机械波，当其遇到阻挡物时会被反射回来，而超声波接收测头将会接收到被障碍物反射回的信号，此时超声波接收电路中的放大器、滤波器、检波整形电路等就会开始对返回信号进行处理，测距系统程序指定的中断口就会变为低电平，接着便会中断停止计时，并开始读取SCM中，计时器在超声波发出至返回超声波的过程中的累积数值。单片机采用脉冲遇到障碍物反射波在介质中传播的回波间隔时间，声波在介质中的传播速度，然后计算出盲人与前方检测方向障碍物之间的距离，并由SCM（单片机）处理和DS18B20的补偿后，通过控制显示装置的方式表现出来。
二、超声波测距原理
在此盲人避障系统的设计电路中，单片机通过内部程序输出的一系列的方波，然后经过推挽式电路放大得到可以满足测距要求的方波，最后由超声波发射端向探测方向发射出去。发射超声波的时间间隔取决于方波的宽度，而探测方向检测出的障碍物距离避障仪的距离越大，方波脉冲的宽度也会因为障碍物距离而相应地变大，避障系统所输出得方波脉冲的个数与前方被测障碍物距离测距仪的距离成正相关。超声波测距的方法一般可以通过这样两种方法来实现：一种是因为系统输出脉冲电压与障碍物距离成正比，因此计算系统输出脉冲电压的平均值，也就可得到障碍物与超声波之间距离；另外一种则是系统发射超声波与遇到障碍物反射回超声波的时间间隔t，而t等于输出脉冲的宽度，因此可通过测量输出脉冲宽度也就是时间间隔t来获得距离，也就是如图2所示，因此被测障碍物距离为 S= vt／2。本系统测量运用第二种方案。由于超声波在介质中的速度与环境温度有关，当环境温度的变化不是太明显时，我们就可认为超声波在此介质中的速度基本不变。如果系统是应用于高精度测量，则需要消除环境温度的影响，因此需要度温度影响进行补偿来保证测量精度。超声波测距的物理特点使它在长距离高精度测量方面具有优势。基于超声波在理想状态下（即标准环境）中传递的速度是固定的原因，是331.45米/秒，而测距仪地控制器，单片机采用地晶振是12.0MHz的，因此系统的在测量精度方面，可达到毫米级。
图2 超声波测距原理
假设盲人避障系统与障碍物之间的距离为S，而t（s）为系统测量得到的时间，在介质中v（m/s）为超声波的传播速度，就会有如下计算关系式(1)
S=vt／2 (1)
当在系统对测量精度有要求的较高时，则需要考虑环境温度对超声波传播速度产生的干扰，按式(2)进行温度补偿修正，来降低系统由于有温度而导致的测量中的误差。温度与声波速度的关系参照表1。
v=331．4+0．607t (2)
式中：t：实际温度，单位为℃；
V：单位为米／秒，为超声波的传播速度。
考虑到实际环境的温度变化不可控，盲人避障对精度的要求较高，所以本设计使用关系式（2）来作为参考公式。
表1 温度与声速参照表
三、主要元件介绍
（一）超声波传感器
本设计前方障碍物的检测元件采用T／R —40一l2分体式超声波传感器如下图3。40KHZ是它的中心频率，Φ12毫米是它的外径长度，使用时T作为超声波发射端；R为超声波接收端；TR—收发兼用?。由STC89C52发出的40K H z脉冲信号驱动超声波传感器发生器发出40K H z的超声波脉冲 ，遇到前方障碍物返回，有超声波接收电路接收，由于接收到的信号比较微弱因此需要进行放大，本设计通过 LM 318来进行两级放大实现，再进行解码时，通过LM 567 音频解码芯片，随着输入信号到锁相环芯片时，L M 567音频芯片高于25毫伏，从高到低电平输出，送达给STC89C52单片机处理。
（1）主电源引脚2根
引言 1
一、系统组成 1
二、超声波测距原理 2
三、主要元件介绍 3
（一）超声波传感器 3
（二）单片机介绍 4
四、系统的硬件设计 6
（一）硬件设计思路 7
（二）单片机最小系统 7
（三）超声波发射电路 8
（四）超声波接收电路 9
（五）避障报警电路 10
（六）显示电路 10
（七）其它电路 11
五、系统的软件设计 12
（一）系统程序结构 12
（二）系统主程序设计 13
（三）液晶显示子程序设计 14
（四）定时器中断子程序设计 16
结束语 17
参考文献 18
附录一 原理图 19
附录二 源程序 20
致谢 29
引言
随着近几年科技的迅速崛起，电子测量手段领域也是发展快速。超声波技术作为一种新型的测量技术也使测量变的更加精确，在国家经济快速发展下，电子测量技术在越来越多的方面得到了使用，超声波测量准确性高、花费低、性能稳定也越来越受到人们的看重。频率声波在20千赫兹以上的，我们将其称为超声波，在物理的领域内，它被划分为机械波的种类里面。根据弹性介质中的机械波传播的一般规律是超声波，如在两种介质界面产生的折射和吸收辐射能量衰减后的媒介现象。由于超声波具有的这些物理性质，在距离测量领域中超声波作为一种测量方法得到了应用。通常我们会在液位或固定物位的测量中，应用超声波测距系统。
由于超声波测量技术属于一种间接的、非接触性检测技术，不会像红外线一样因为被测物质颜色以及外界 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
环境的光线而影响测量。超声波检测技术应用通常计算简单迅速且方便控制，而且在测量精确，能够符合工业实用的指标要求。在与红外测量及其它的传统测量仪器中，相比较之下，超声波测量的系统往往更加卫生，也不会轻易被各种恶劣环境所影响，比如高温、潮湿、粉尘等等。而超声波测距系统的这些优点也使其在机器人视觉方面得到了较多的应用与研究。
一、系统组成
本测距仪电路中AT89C52 SCM作为远程检测系统的核心。超声波发射、时钟电路、接收电路、复位电路、温度测量电路、LCD液晶显示电路和声音报警电路这些电路组成了避障系统的电路部分。当系统工作的时候，发射电路发射方形波、接收电路接收返回波开始距离测量，经过ATC89C52单片机进行数据处理并增加了DS18B20的温度补偿模块以消除环境温度的影响，最后将补偿修正后的测量的障碍物距离显示到LCD液晶显示器上，当系统测量的障碍物距离小于系统预先设定的比较值时，就会启动报警电路发出鸣叫，提醒盲人注意安全避开前方障碍物。系统框图如下图所示。
图1 系统设计总框图
通过系统单片机AT89C52内部程序产生高电平（宽度为10us以上），通过系统指定的引脚输出到超声波发射电路，然后超声波发射电路接收到高电平。当超声波放射部分检测到系统输出，即输出的电平为高电平时，就会通过电路中的放大电路进行夸大，然后驱动超声波发出探头，发出测距超声波。超声波作为一种机械波，当其遇到阻挡物时会被反射回来，而超声波接收测头将会接收到被障碍物反射回的信号，此时超声波接收电路中的放大器、滤波器、检波整形电路等就会开始对返回信号进行处理，测距系统程序指定的中断口就会变为低电平，接着便会中断停止计时，并开始读取SCM中，计时器在超声波发出至返回超声波的过程中的累积数值。单片机采用脉冲遇到障碍物反射波在介质中传播的回波间隔时间，声波在介质中的传播速度，然后计算出盲人与前方检测方向障碍物之间的距离，并由SCM（单片机）处理和DS18B20的补偿后，通过控制显示装置的方式表现出来。
二、超声波测距原理
在此盲人避障系统的设计电路中，单片机通过内部程序输出的一系列的方波，然后经过推挽式电路放大得到可以满足测距要求的方波，最后由超声波发射端向探测方向发射出去。发射超声波的时间间隔取决于方波的宽度，而探测方向检测出的障碍物距离避障仪的距离越大，方波脉冲的宽度也会因为障碍物距离而相应地变大，避障系统所输出得方波脉冲的个数与前方被测障碍物距离测距仪的距离成正相关。超声波测距的方法一般可以通过这样两种方法来实现：一种是因为系统输出脉冲电压与障碍物距离成正比，因此计算系统输出脉冲电压的平均值，也就可得到障碍物与超声波之间距离；另外一种则是系统发射超声波与遇到障碍物反射回超声波的时间间隔t，而t等于输出脉冲的宽度，因此可通过测量输出脉冲宽度也就是时间间隔t来获得距离，也就是如图2所示，因此被测障碍物距离为 S= vt／2。本系统测量运用第二种方案。由于超声波在介质中的速度与环境温度有关，当环境温度的变化不是太明显时，我们就可认为超声波在此介质中的速度基本不变。如果系统是应用于高精度测量，则需要消除环境温度的影响，因此需要度温度影响进行补偿来保证测量精度。超声波测距的物理特点使它在长距离高精度测量方面具有优势。基于超声波在理想状态下（即标准环境）中传递的速度是固定的原因，是331.45米/秒，而测距仪地控制器，单片机采用地晶振是12.0MHz的，因此系统的在测量精度方面，可达到毫米级。
图2 超声波测距原理
假设盲人避障系统与障碍物之间的距离为S，而t（s）为系统测量得到的时间，在介质中v（m/s）为超声波的传播速度，就会有如下计算关系式(1)
S=vt／2 (1)
当在系统对测量精度有要求的较高时，则需要考虑环境温度对超声波传播速度产生的干扰，按式(2)进行温度补偿修正，来降低系统由于有温度而导致的测量中的误差。温度与声波速度的关系参照表1。
v=331．4+0．607t (2)
式中：t：实际温度，单位为℃；
V：单位为米／秒，为超声波的传播速度。
考虑到实际环境的温度变化不可控，盲人避障对精度的要求较高，所以本设计使用关系式（2）来作为参考公式。
表1 温度与声速参照表
三、主要元件介绍
（一）超声波传感器
本设计前方障碍物的检测元件采用T／R —40一l2分体式超声波传感器如下图3。40KHZ是它的中心频率，Φ12毫米是它的外径长度，使用时T作为超声波发射端；R为超声波接收端；TR—收发兼用?。由STC89C52发出的40K H z脉冲信号驱动超声波传感器发生器发出40K H z的超声波脉冲 ，遇到前方障碍物返回，有超声波接收电路接收，由于接收到的信号比较微弱因此需要进行放大，本设计通过 LM 318来进行两级放大实现，再进行解码时，通过LM 567 音频解码芯片，随着输入信号到锁相环芯片时，L M 567音频芯片高于25毫伏，从高到低电平输出，送达给STC89C52单片机处理。
（1）主电源引脚2根
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