超声波避障的智能拐杖设计
摘 要由于超声波的无接触性和高可靠性,检测迅速、方便、程序简单、成本低廉，易于做到实时控制，所以超声波在许多领域有着广泛的应用，并且能够满足有测量精度要求的工业需求。本方案的超声波避障拐杖采用74LS04反相器和CX20106搭建电路实现了超声波的发射与接收。当超声波遇到大于波长的物体阻挡时，会发生反射。假如，在介质中，声波的传播速度已知，而且声波从声源到目标物之间，传播时间可测，则可计算出声波到目标的距离。采用STC89C51单片机为控制核心，在避障的基础上，还可以添加其它人性化设计，例如拐杖的防摔倒设计、血压测量设计等。此设计易于实现，成本低廉，实用价值强，且市场前景好。
目 录
1 引言 1
1.1 背景及意义 1
1.2 课题研究内容 1
1.3 系统方案的实施步骤 2
1.4 论文章节安排 2
2 硬件电路设计 3
2.1 总体方案设计 3
2.2 总体硬件电路设计描述 4
2.3 超声波测距原理 4
2.4 超声波发送电路原理 5
2.4.1 74LS04芯片简介 5
2.4.2 超声波换能器T4016简介 6
2.4.3 超声波发射模块 6
2.5超声波接收电路原理 7
2.5.1 CX20106简介 7
2.5.2 超声波换能器R4016简介 7
2.5.3 超声波接收电路模块 7
2.6 数码管显示电路原理 9
2.6.1数码管简介 9
2.6.2 报警电路原理 11
2.7 单片机模块 11
2.7.1 STC89C51单片机原理介绍 11
2.7.2 晶振电路 13
2.7.3 复位电路 14
2.8 总体电路图 15
2.9 本章小结 16
3 软件系统设计分析 17
3.1 软件编程语言的选择 17
3.2 总体设计方式 17
3.3 超声波测距模块 18
3.4 显示报警模块 19
3
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.5 本章小结 20
4 系统调试 21
4.1 数据测试与分析 21
4.2 超声波测距误差分析 22
4.2.1 超声波发射器的发散角对测量精度的影响 22
4.2.2 发射接收时间对测量精度的影响 23
4.3 提高测量精度的方法 24
4.4 本章小结 24
5 总结 25
参考文献 26
致谢 27
附录 28 1 引言
1.1 背景及意义
根据联合国人口的数据统计，我们可以了解到，全球人口老龄化现象很普遍。在中国，这样一个泱泱大国，老龄化和残疾是时代性的问题，21世纪初，我国超过60岁的老年人，已占总人口的10%，这些老年人中存在腿脚不便情况的近2800万，而目前我国各类残疾人总数约6000万人。本设计结合超声波技术和单片机技术，应用于智能拐杖，这样的设计能为残障人士和老年人带来福音，便于他们自由行动。
技术更新日新月异，传感器和单片机控制技术也在飞速发展，非接触式检测技术被广泛使用。然而，就目前的技术而言，激光测距成本太高，雷达测距容易受到电磁波的影响，相比而言，超声波测距的优势就凸现出来了，超声波测距可以直接地测量近距离的目标，而且覆盖面积较大。如今，超声波测距在液体测量、飞行物定位等方面已经被渐渐地应用起来，本篇将它应用在避障上。在不久之后，超声波测距仪必将和其它的测距仪器融合形成多距离测量仪，最终实现自动化和智能化。随着科学技术的不断发展，测距仪必然经过当初的判断功能，再发展到后来的具有学习功能，最后发展到其创造功能。具有如此新功能的测距仪将发挥更大的作用。
1.2 课题研究内容
本毕业设计用的是以单片机为核心的数字显示超声波测距仪系统，它的软件系统和硬件系统都具有成本低廉、精确度高和微型化的特点。该系统有STC89C51单片机、超声波接收电路、超声波发射电路、超声波传感器探头，及LED数码显示管组成。利用单片机，来分析两个超声波探头的信号，可以发送和接收超声波，这样便实现了用超声波测距。所设计的测距仪能测的范围为30250cm，最大误差不超过1%。
超声波避障拐杖的原理：采用74LS04反相器和CX20106搭接电路，实现超声波发射与接收。采用STC89C51单片机为控制核心，在避障的基础上，还可以添加其它人性化设计，例如拐杖的防摔倒设计、测压设计等，为行动不便者带来更多方便，这个设计也是一个创新的设计，因为可以人性化增添许多功能，为行动不便者量身定做，所以市场前景很大，值得继续研究下去。
1.3 系统方案的实施步骤
1、了解本课题的主要内容，设计整个课程设计的任务框架，需要完成什么任务。
2、了解超声波测距的原理，以及计算公式。学习弄明白超声波发生电路以及接受电路的工作原理，保证电路的硬件连接的正确性。
3、根据已经查的资料以及基本的电路知识，设计实现超声波避障的草图，这方便在以后的程序编写（画完草图就可以把单片机使用到的端口确定，方便后期程序的修改）。
4、用protues画出本课题的仿真电路图，进行程序调试。
5、确认完成本课题所需元器件，进行实物焊接。
6、下载程序代码，并且进行程序调试，不断优化程序。
1.4 论文章节安排
第1章：主要是研究背景和意义，针对课题进行了研究，并分析了课题研究的内容，确定系统方案的实现步骤。
第2章：主要描述了课题的硬件电路设计，进行了相关介绍，包括：超声波发送电路、超声波接收电路、数码管显示电路、及单片机模块等。
第3章：主要介绍了实现超声波避障的软件系统设计分析，包括：软件编程语言的选择、总体设计方式的总结、超声波测距模块和显示报警模块的分析等。
第4章：主要介绍了超声波避障的系统调试及分析，包括数据测试与分析和超声波测距误差分析两部分，本章也总结了提高测量精度的具体方法。
2 硬件电路设计
2.1 总体方案设计
文章针对需要运用拐杖的群体，设计了一系列便民的功能，例如血压测量功能、超声波避障功能、蜂鸣报警功能、智能防撞功能、夜间照明功能、自充电功能、实时数据录入及档案保存功能等，如图21、22所示。
图21 智能拐杖功能图
图22 智能拐杖原理示意图
2.2 总体硬件电路设计描述
由于硬件电路对整个设计具有举足轻重的重要意义，所以在设计之前必须要有总体的设计思路，按照整个实验的设计思路可分为以下几大模块设计：有超声波发射模块，超声波接收模块，单片机模块，及数码管显示模块。在万用板上将上诉所有模块的器件全都焊接在万用板上（未作连线），然后在Protel软件上画出原理图、连线、仿真，然后在万用板上进行连线焊接。
目 录
1 引言 1
1.1 背景及意义 1
1.2 课题研究内容 1
1.3 系统方案的实施步骤 2
1.4 论文章节安排 2
2 硬件电路设计 3
2.1 总体方案设计 3
2.2 总体硬件电路设计描述 4
2.3 超声波测距原理 4
2.4 超声波发送电路原理 5
2.4.1 74LS04芯片简介 5
2.4.2 超声波换能器T4016简介 6
2.4.3 超声波发射模块 6
2.5超声波接收电路原理 7
2.5.1 CX20106简介 7
2.5.2 超声波换能器R4016简介 7
2.5.3 超声波接收电路模块 7
2.6 数码管显示电路原理 9
2.6.1数码管简介 9
2.6.2 报警电路原理 11
2.7 单片机模块 11
2.7.1 STC89C51单片机原理介绍 11
2.7.2 晶振电路 13
2.7.3 复位电路 14
2.8 总体电路图 15
2.9 本章小结 16
3 软件系统设计分析 17
3.1 软件编程语言的选择 17
3.2 总体设计方式 17
3.3 超声波测距模块 18
3.4 显示报警模块 19
3
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
.5 本章小结 20
4 系统调试 21
4.1 数据测试与分析 21
4.2 超声波测距误差分析 22
4.2.1 超声波发射器的发散角对测量精度的影响 22
4.2.2 发射接收时间对测量精度的影响 23
4.3 提高测量精度的方法 24
4.4 本章小结 24
5 总结 25
参考文献 26
致谢 27
附录 28 1 引言
1.1 背景及意义
根据联合国人口的数据统计，我们可以了解到，全球人口老龄化现象很普遍。在中国，这样一个泱泱大国，老龄化和残疾是时代性的问题，21世纪初，我国超过60岁的老年人，已占总人口的10%，这些老年人中存在腿脚不便情况的近2800万，而目前我国各类残疾人总数约6000万人。本设计结合超声波技术和单片机技术，应用于智能拐杖，这样的设计能为残障人士和老年人带来福音，便于他们自由行动。
技术更新日新月异，传感器和单片机控制技术也在飞速发展，非接触式检测技术被广泛使用。然而，就目前的技术而言，激光测距成本太高，雷达测距容易受到电磁波的影响，相比而言，超声波测距的优势就凸现出来了，超声波测距可以直接地测量近距离的目标，而且覆盖面积较大。如今，超声波测距在液体测量、飞行物定位等方面已经被渐渐地应用起来，本篇将它应用在避障上。在不久之后，超声波测距仪必将和其它的测距仪器融合形成多距离测量仪，最终实现自动化和智能化。随着科学技术的不断发展，测距仪必然经过当初的判断功能，再发展到后来的具有学习功能，最后发展到其创造功能。具有如此新功能的测距仪将发挥更大的作用。
1.2 课题研究内容
本毕业设计用的是以单片机为核心的数字显示超声波测距仪系统，它的软件系统和硬件系统都具有成本低廉、精确度高和微型化的特点。该系统有STC89C51单片机、超声波接收电路、超声波发射电路、超声波传感器探头，及LED数码显示管组成。利用单片机，来分析两个超声波探头的信号，可以发送和接收超声波，这样便实现了用超声波测距。所设计的测距仪能测的范围为30250cm，最大误差不超过1%。
超声波避障拐杖的原理：采用74LS04反相器和CX20106搭接电路，实现超声波发射与接收。采用STC89C51单片机为控制核心，在避障的基础上，还可以添加其它人性化设计，例如拐杖的防摔倒设计、测压设计等，为行动不便者带来更多方便，这个设计也是一个创新的设计，因为可以人性化增添许多功能，为行动不便者量身定做，所以市场前景很大，值得继续研究下去。
1.3 系统方案的实施步骤
1、了解本课题的主要内容，设计整个课程设计的任务框架，需要完成什么任务。
2、了解超声波测距的原理，以及计算公式。学习弄明白超声波发生电路以及接受电路的工作原理，保证电路的硬件连接的正确性。
3、根据已经查的资料以及基本的电路知识，设计实现超声波避障的草图，这方便在以后的程序编写（画完草图就可以把单片机使用到的端口确定，方便后期程序的修改）。
4、用protues画出本课题的仿真电路图，进行程序调试。
5、确认完成本课题所需元器件，进行实物焊接。
6、下载程序代码，并且进行程序调试，不断优化程序。
1.4 论文章节安排
第1章：主要是研究背景和意义，针对课题进行了研究，并分析了课题研究的内容，确定系统方案的实现步骤。
第2章：主要描述了课题的硬件电路设计，进行了相关介绍，包括：超声波发送电路、超声波接收电路、数码管显示电路、及单片机模块等。
第3章：主要介绍了实现超声波避障的软件系统设计分析，包括：软件编程语言的选择、总体设计方式的总结、超声波测距模块和显示报警模块的分析等。
第4章：主要介绍了超声波避障的系统调试及分析，包括数据测试与分析和超声波测距误差分析两部分，本章也总结了提高测量精度的具体方法。
2 硬件电路设计
2.1 总体方案设计
文章针对需要运用拐杖的群体，设计了一系列便民的功能，例如血压测量功能、超声波避障功能、蜂鸣报警功能、智能防撞功能、夜间照明功能、自充电功能、实时数据录入及档案保存功能等，如图21、22所示。
图21 智能拐杖功能图
图22 智能拐杖原理示意图
2.2 总体硬件电路设计描述
由于硬件电路对整个设计具有举足轻重的重要意义，所以在设计之前必须要有总体的设计思路，按照整个实验的设计思路可分为以下几大模块设计：有超声波发射模块，超声波接收模块，单片机模块，及数码管显示模块。在万用板上将上诉所有模块的器件全都焊接在万用板上（未作连线），然后在Protel软件上画出原理图、连线、仿真，然后在万用板上进行连线焊接。
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