智能导盲杖的设计与制作
随着科技的发展,社会上对于弱势群体的关注力度越来越大，例如盲人。盲人独自行走时通常依靠的是一根普通的小棍，用它敲击前方地面来感知有无障碍物。它的主要弊端是，没有办法感知到较远和悬空的障碍物。为了更好的辅助盲人出行,本文提出了用超声波探测系统的设计方案,采用STC89C51单片机作为主控器，选用便宜可靠的HC-SR04超声波模块作为探测器，用按键电路来调整报警距离值的大小，探测到障碍物后通过语音电路来提示使用者避让障碍物，以达到辅助盲人安全行走的目的。
目录
一、引言 1
二、 导盲杖的整体设计及原理 1
（一）超声波的概述 1
（二）超声波传感器 1
（三）超声波测距原理及实现 2
（四）超声波的衰减特性 2
三、导盲杖的硬件设计 3
（一）系统原理 3
（二）单片机系统 3
（三）超声波模块 4
（四）按键电路 5
（五）显示电路 5
（六）语音电路 6
（七)报警电路 6
四、导盲杖的软件设计 6
（一）系统的主程序 6
（二）显示数据子程序 7
（三）报警子程序 7
（四）按键子程序 7
五、系统调试与优化 8
六、实物展示 10
七、总结 11
致谢 12
参考文献 13
附录 14
（一）系统原理图 14
（二）程序 15
一、引言
人类在生活中95%的信息是通过视觉来获取的。盲人由于视觉的缺失，长期处于黑暗的世界里,给他们的日常生活带来了极大的不便。盲人日常生活中面对的最大问题是如何平安出行。传统的手杖在使用过程中会有很多不便，而导盲犬价格昂贵，训练周期过长，不利于普及。
随着社会的进步,人们对电子产品的需求转变成了用电子产品为人类服务。超声波测距的原理可用于制作成超声波导盲杖来引导盲人行走。它是通过超声波的探测传感器来对周围的环境进行有效距离的探测,然后将探测到的信息反馈到处理器上，再由处理器反馈给盲人,从而帮助他们进行前方的障
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
碍探测。在分析现有制导工具特点的基础上，确定了总体设计方案，详细描述了系统的硬件设计和软件设计。STC89C51单片机被用作本系统中导盲杖的主控制器,而后对前方道路上的障碍物进行有效距离的探测，利用的是超声波测距的原理。然后把探测到的数据传输到单片机中，再以声音的形式反馈, 盲人就可以根据收到的提示音,进行判断自己是否应该继续向前行走，从而使盲人的日常出行更为安全可靠。
二、 导盲杖的整体设计及原理
（一）超声波的概述
声音振动的频率是指声音在每秒振动的次数，单位是赫兹（Hz）。所谓的振动就是指物体进行状态的改变，即物体进行往返运动的形式。比如说,经过敲打后,鼓面会进行上下波动,这种波动的状态通过空气向四周扩散,这便是声波。所以说声波是物体在进行机械振动状态后的传播形式。人耳的听力范围在20赫兹到20000赫兹之间，我们将频率大于20000赫兹的声波称作"超声波”。超声波和平常声波的实质是一样的,都是一种能量的传播形式，都是一种机械振动,都是以纵波的形式在媒介中传播； 波长短，频率高，能在特定距离内进行直线传输，有很好的方向性以及很好的束射性[4]，这是超声波和普通声波的区别。
超声波在介质中的传播与普通声波的传播规律相同。但是随着它发出的频率愈来愈高,绕射的能力就会随之降低,从而反射的能力就愈来愈强。因此,超声波适合被制作成超声波传感器。
（二）超声波传感器
它是一种将电能转化成所需特定频率的超声波能的器件,利用这种传感器的工具进行测量得到的结果精度高还方便实现。又因为声波在传播的过程中具有一定的覆盖性,所以用少量的超声波传感器就可以测量比较大的范围。这种传感器普遍应用于国防、生物、工业和医学等领域。
本论文采用的是由压电陶瓷晶片、一对发射接收探头、金属壳组成的一个超声波传感器。该传感器的核心是压电陶瓷片，发射和接收探头能够发射和接收超声波，金属外壳的主要作用是保护，避免或减少外界因素对压电陶瓷晶片、发射和接收探头造成直接损害，同时不会超声波的发射和接收造成干扰。该传感器模块选用的是IO口进行触发式的测距, 一个高电平信号会经过电路系统发送给IO脚，该模块就会由发射头发射出4万赫兹的超声波方波，接收头会进行检测是否有信号返回；当有信号返回是模块的输出端便会输出一个电平信号，由系统的内部定时器记录发射到接收的时间，该超声波模块的测量距离=(发射到接收的时间/2)*声速 [4]。
（三）超声波测距原理及实现
由于在传输过程中能量消耗缓慢，传播距离大，方向性还比较好，因此超声波测距仪可对实际测量结果进行快速、简便、准确的计算，也可以在测量过程中进行实时控制，所以测量和计算出的数据均能满足精度要求。因此，利用超声波这一工作原理生产的测距仪器在工业中得到了很大范围的应用。
因为超声波在传播的过程中能量消耗的慢，传播的距离远，具有良好的定向性。所以，超声波测距仪可对实际测量结果进行快速、简便、准确的计算，可在测量过程中进行实时控制，测量和计算数据均能满足精度要求，因此，利用超声波的测距仪器在工业中得到了广泛的应用。
超声波测距仪的具体实现如图1所示：
图1 系统框图
原理:由超声波的发射头发射一段频率为 40000HZ 的声波信号,此信号在传播的过程中被物体反射回来后由接收头进行接收,接收后接收头会把声波信号转化为微弱的电压信号，控制器收到电信号后计算传播距离。
（四）超声波的衰减特性
超声波主要有三个方面的衰减特性：
1. 声波的传播引起的衰减：扩散衰减
在声波传播的时候，由于声能的总量是固定的，单位空间内的声能随着传播距离的增加而不断地减小，扩散衰减。
2. 声波散射引起的衰减：散射衰减
在人类所使用的材料中其内部的物质并不都是均匀的，比方说材料中含有其他种类的杂质、材料中的晶体排列的不定向性都会导致声波的散射，被散射出的声波又会在其他媒介中继续散射下去。
3. 媒介吸收引起的衰减：吸收衰减
由于超声波在媒介中的传播，会引起媒介中质子间的内耗，使部分声能转化为热能。又因为传播的媒介都具有热传导性，媒介的内部进行热交换，这会造成声能的损失，由于媒介的吸收，致使超声波传播系数的衰减。
被测物表面材质会严重影响测量的结果，比如毛制品、布制品对超声波的反射率很小[4]，致使测量结果产生很大偏差。
目录
一、引言 1
二、 导盲杖的整体设计及原理 1
（一）超声波的概述 1
（二）超声波传感器 1
（三）超声波测距原理及实现 2
（四）超声波的衰减特性 2
三、导盲杖的硬件设计 3
（一）系统原理 3
（二）单片机系统 3
（三）超声波模块 4
（四）按键电路 5
（五）显示电路 5
（六）语音电路 6
（七)报警电路 6
四、导盲杖的软件设计 6
（一）系统的主程序 6
（二）显示数据子程序 7
（三）报警子程序 7
（四）按键子程序 7
五、系统调试与优化 8
六、实物展示 10
七、总结 11
致谢 12
参考文献 13
附录 14
（一）系统原理图 14
（二）程序 15
一、引言
人类在生活中95%的信息是通过视觉来获取的。盲人由于视觉的缺失，长期处于黑暗的世界里,给他们的日常生活带来了极大的不便。盲人日常生活中面对的最大问题是如何平安出行。传统的手杖在使用过程中会有很多不便，而导盲犬价格昂贵，训练周期过长，不利于普及。
随着社会的进步,人们对电子产品的需求转变成了用电子产品为人类服务。超声波测距的原理可用于制作成超声波导盲杖来引导盲人行走。它是通过超声波的探测传感器来对周围的环境进行有效距离的探测,然后将探测到的信息反馈到处理器上，再由处理器反馈给盲人,从而帮助他们进行前方的障
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
碍探测。在分析现有制导工具特点的基础上，确定了总体设计方案，详细描述了系统的硬件设计和软件设计。STC89C51单片机被用作本系统中导盲杖的主控制器,而后对前方道路上的障碍物进行有效距离的探测，利用的是超声波测距的原理。然后把探测到的数据传输到单片机中，再以声音的形式反馈, 盲人就可以根据收到的提示音,进行判断自己是否应该继续向前行走，从而使盲人的日常出行更为安全可靠。
二、 导盲杖的整体设计及原理
（一）超声波的概述
声音振动的频率是指声音在每秒振动的次数，单位是赫兹（Hz）。所谓的振动就是指物体进行状态的改变，即物体进行往返运动的形式。比如说,经过敲打后,鼓面会进行上下波动,这种波动的状态通过空气向四周扩散,这便是声波。所以说声波是物体在进行机械振动状态后的传播形式。人耳的听力范围在20赫兹到20000赫兹之间，我们将频率大于20000赫兹的声波称作"超声波”。超声波和平常声波的实质是一样的,都是一种能量的传播形式，都是一种机械振动,都是以纵波的形式在媒介中传播； 波长短，频率高，能在特定距离内进行直线传输，有很好的方向性以及很好的束射性[4]，这是超声波和普通声波的区别。
超声波在介质中的传播与普通声波的传播规律相同。但是随着它发出的频率愈来愈高,绕射的能力就会随之降低,从而反射的能力就愈来愈强。因此,超声波适合被制作成超声波传感器。
（二）超声波传感器
它是一种将电能转化成所需特定频率的超声波能的器件,利用这种传感器的工具进行测量得到的结果精度高还方便实现。又因为声波在传播的过程中具有一定的覆盖性,所以用少量的超声波传感器就可以测量比较大的范围。这种传感器普遍应用于国防、生物、工业和医学等领域。
本论文采用的是由压电陶瓷晶片、一对发射接收探头、金属壳组成的一个超声波传感器。该传感器的核心是压电陶瓷片，发射和接收探头能够发射和接收超声波，金属外壳的主要作用是保护，避免或减少外界因素对压电陶瓷晶片、发射和接收探头造成直接损害，同时不会超声波的发射和接收造成干扰。该传感器模块选用的是IO口进行触发式的测距, 一个高电平信号会经过电路系统发送给IO脚，该模块就会由发射头发射出4万赫兹的超声波方波，接收头会进行检测是否有信号返回；当有信号返回是模块的输出端便会输出一个电平信号，由系统的内部定时器记录发射到接收的时间，该超声波模块的测量距离=(发射到接收的时间/2)*声速 [4]。
（三）超声波测距原理及实现
由于在传输过程中能量消耗缓慢，传播距离大，方向性还比较好，因此超声波测距仪可对实际测量结果进行快速、简便、准确的计算，也可以在测量过程中进行实时控制，所以测量和计算出的数据均能满足精度要求。因此，利用超声波这一工作原理生产的测距仪器在工业中得到了很大范围的应用。
因为超声波在传播的过程中能量消耗的慢，传播的距离远，具有良好的定向性。所以，超声波测距仪可对实际测量结果进行快速、简便、准确的计算，可在测量过程中进行实时控制，测量和计算数据均能满足精度要求，因此，利用超声波的测距仪器在工业中得到了广泛的应用。
超声波测距仪的具体实现如图1所示：
图1 系统框图
原理:由超声波的发射头发射一段频率为 40000HZ 的声波信号,此信号在传播的过程中被物体反射回来后由接收头进行接收,接收后接收头会把声波信号转化为微弱的电压信号，控制器收到电信号后计算传播距离。
（四）超声波的衰减特性
超声波主要有三个方面的衰减特性：
1. 声波的传播引起的衰减：扩散衰减
在声波传播的时候，由于声能的总量是固定的，单位空间内的声能随着传播距离的增加而不断地减小，扩散衰减。
2. 声波散射引起的衰减：散射衰减
在人类所使用的材料中其内部的物质并不都是均匀的，比方说材料中含有其他种类的杂质、材料中的晶体排列的不定向性都会导致声波的散射，被散射出的声波又会在其他媒介中继续散射下去。
3. 媒介吸收引起的衰减：吸收衰减
由于超声波在媒介中的传播，会引起媒介中质子间的内耗，使部分声能转化为热能。又因为传播的媒介都具有热传导性，媒介的内部进行热交换，这会造成声能的损失，由于媒介的吸收，致使超声波传播系数的衰减。
被测物表面材质会严重影响测量的结果，比如毛制品、布制品对超声波的反射率很小[4]，致使测量结果产生很大偏差。
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