(天津財(cái)經(jīng)大學(xué) 天津 300202)

一、緒論

(一)設(shè)計(jì)的目的和意義

在21世紀(jì)發(fā)展的今天，由于壓力以及各種原因所造成的視覺(jué)障礙者以及盲人眾多，而我國(guó)又是世界上盲人數(shù)量最多的國(guó)家[1]，對(duì)于導(dǎo)盲產(chǎn)品的需求日趨加大，傳統(tǒng)的導(dǎo)盲手杖明顯不能夠適應(yīng)現(xiàn)代的快節(jié)奏生活，所以新型導(dǎo)盲產(chǎn)品的出現(xiàn)是一種必然趨勢(shì)。本文所研究并設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的超聲波導(dǎo)盲杖可以利用超聲波測(cè)距以及蜂鳴器報(bào)警的形式幫助這些人更好地避讓障礙，具體實(shí)現(xiàn)的功能是當(dāng)使用者距離障礙物的距離不同時(shí)，通過(guò)延時(shí)程序，定時(shí)器以及計(jì)數(shù)器還有中斷原理來(lái)控制蜂鳴器發(fā)出不同的聲音，從而提醒人們障礙物的方位以及自己距離該障礙物的長(zhǎng)度。與此同時(shí)，距離障礙物的長(zhǎng)度會(huì)通過(guò)1602液晶屏來(lái)進(jìn)行顯示，可以方便別人幫助使用者來(lái)校準(zhǔn)精確度，還可以起到警示別人的作用，具有價(jià)格低廉，使用方便等優(yōu)勢(shì)，不必依賴(lài)于傳統(tǒng)的精度不高的盲杖或者訓(xùn)練起來(lái)頗為麻煩的導(dǎo)盲犬，從而使這些人的生活更加便捷舒適。

(二)研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)今世界上盲人眾多，并且根據(jù)調(diào)查顯示，我國(guó)是世界上目前擁有盲人數(shù)量最多的國(guó)家[1]，為了提高這些人行走的能力，從而改善他們的生活質(zhì)量以及品質(zhì)，各個(gè)國(guó)家一直在致力于有關(guān)導(dǎo)盲產(chǎn)品的研究，以前大多使用的是傳統(tǒng)的盲杖，這種盲杖不僅測(cè)量障礙的精度極低，而且使用起來(lái)十分不方便，還有一種方式是訓(xùn)練導(dǎo)盲犬，但這種方法不僅花費(fèi)高昂，適應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，還有很大的不確定因素。因此在21世紀(jì)的今天，隨著科技的進(jìn)步，這種基于單片機(jī)控制的超聲波導(dǎo)盲杖由于具有測(cè)量精度高，功能齊全，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)占據(jù)導(dǎo)盲產(chǎn)品的主要市場(chǎng)，成為導(dǎo)盲產(chǎn)品的必然趨勢(shì)。

(三)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和思路

根據(jù)研究的目的和意義，結(jié)合現(xiàn)有條件和能力，本文對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)的構(gòu)想是將整個(gè)設(shè)計(jì)分為三個(gè)模塊，首先是超聲波測(cè)距模塊，第二個(gè)模塊為液晶屏顯示模塊，最后為蜂鳴器報(bào)警模塊，使用STC89C52單片機(jī)來(lái)進(jìn)行控制，主要原因是STC89C52單片機(jī)完全不需要使用專(zhuān)門(mén)的仿真器和編程器，而是利用p3.0或p3.1串行口直接下載編輯好的程序來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)編程，因此省去了每次編程和仿真時(shí)都要將單片機(jī)連接到編程器和仿真器上的麻煩，我們可以將單片機(jī)固定在開(kāi)發(fā)板上，然后直接下載用戶(hù)程序并進(jìn)行調(diào)試。超聲波模塊我們使用的是HC-SR04，液晶屏使用的是SCM1602A液晶顯示屏，蜂鳴器報(bào)警模塊使用單片機(jī)開(kāi)發(fā)板上自帶的蜂鳴器，使用keil軟件進(jìn)行編譯，并輸出可以在單片機(jī)上運(yùn)行的hex文件，最后用ISP軟件將該hex文件燒錄進(jìn)單片機(jī)，使其運(yùn)行。該導(dǎo)盲杖應(yīng)該可以測(cè)量一定范圍內(nèi)距離障礙物的距離，并實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上可供他人確認(rèn)以及校準(zhǔn)，當(dāng)距離障礙物的距離不同時(shí)，蜂鳴器會(huì)據(jù)此發(fā)出不同的聲音提示使用者，這一功能需要應(yīng)用定時(shí)器，計(jì)數(shù)器以及中斷的原理來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。借助各種元器件轉(zhuǎn)換單片機(jī)的電平為電腦可以識(shí)別的電平。

二、超聲波測(cè)距模塊

超聲波技術(shù)經(jīng)常被用于測(cè)量距離，主要是由于超聲波的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先超聲波的指向性強(qiáng)，其次超聲波在介質(zhì)中的傳播距離相對(duì)較遠(yuǎn)，最后超聲波檢測(cè)的測(cè)量精度高，足夠滿(mǎn)足工業(yè)或者實(shí)用的要求，方便控制。日常生活中常見(jiàn)的物位測(cè)量?jī)x以及測(cè)距儀等都用到了超聲波技術(shù)。其測(cè)距原理是：首先由超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波，然后由超聲波接收器進(jìn)行接收，計(jì)算出接收與發(fā)射的時(shí)間差，再根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s就可以計(jì)算出使用者與障礙物的距離(即:s=340t/2)。這與雷達(dá)測(cè)距原理較為相似。需要注意的是超聲波也屬于聲波，其聲速v與溫度變化有關(guān)，在使用時(shí)，若溫度變化不大，則可以認(rèn)為聲速是不變的。如果對(duì)于精度的要求較高，則應(yīng)該采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕?zhǔn)。在這里，由于我們對(duì)于精度的要求不是特別高，故認(rèn)為聲速不變，即340m/s。HC-SR04超聲波測(cè)距模塊共包括三個(gè)部分，分別為超聲波發(fā)射器，超聲波接收器還有控制電路。該模塊的測(cè)距精度最高可達(dá)3mm，還可以提供非接觸式測(cè)距功能，測(cè)量范圍是2cm-400cm[2]。其工作原理是TRIG為觸發(fā)口，高電平有效，持續(xù)時(shí)間不少于10US；超聲波模塊采用自動(dòng)發(fā)送方波的方法，方波頻率為40khz ，數(shù)量為8個(gè)，隨后自動(dòng)檢測(cè)是否接收到返回信號(hào)；若接收到返回信號(hào)，則通過(guò)ECHO引腳輸出一個(gè)高電平，超聲波接收器接收信號(hào)與發(fā)射器發(fā)射信號(hào)之間的時(shí)間差就是高電平應(yīng)持續(xù)的時(shí)間。從而計(jì)算出測(cè)試距離=(高電平的持續(xù)時(shí)間*聲速(340m/s))/2。測(cè)距原理如下圖：

三、蜂鳴器報(bào)警模塊

在電路中字母“H”或“HA”就表示蜂鳴器，它是一種結(jié)構(gòu)一體化的電子訊響器[3]。蜂鳴器的供電方式是直流電壓供電，它能夠發(fā)出某個(gè)固定頻率或者某一單調(diào)的聲音，比如如嘟嘟嘟，嘀嘀嘀等。蜂鳴器的類(lèi)型主要有兩種，分別為電磁式蜂鳴器和壓電式蜂鳴器。每種蜂鳴器又分為有源和無(wú)源兩種，我們本次設(shè)計(jì)所使用的HC6800-MS單片機(jī)開(kāi)發(fā)板的蜂鳴器是無(wú)源蜂鳴器。有源蜂鳴器和無(wú)源蜂鳴器的區(qū)別在于內(nèi)部是否帶有震蕩源，內(nèi)部帶有震蕩源的就是有源蜂鳴器，內(nèi)部沒(méi)有震蕩源的就是無(wú)源蜂鳴器，給有源蜂鳴器接通電源后它就會(huì)發(fā)聲，但如果給無(wú)源蜂鳴器接通直流電源，它不會(huì)鳴叫，要想令其發(fā)出響聲，就必須用范圍2K-5K的方波來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。正是由于有源蜂鳴器內(nèi)部含有振蕩電路的這種特性，所以一般情況下有源蜂鳴器比無(wú)源蜂鳴器要昂貴。本設(shè)計(jì)中蜂鳴器報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)思路是根據(jù)蜂鳴器的原理圖，將Beep設(shè)置為單片機(jī)的p21口，利用定時(shí)器，計(jì)數(shù)器以及中斷原理，將蜂鳴器發(fā)聲的頻率加以改變，當(dāng)距離障礙物不同距離時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出不同的聲音來(lái)進(jìn)行警示。具體為當(dāng)距離障礙物的長(zhǎng)度在100cm到150cm之間時(shí)，延時(shí)函數(shù)運(yùn)行一次，當(dāng)距離障礙物的距離在50cm到100cm之間時(shí)，延時(shí)函數(shù)運(yùn)行兩次，當(dāng)距離障礙物的距離小于50cm時(shí)，延時(shí)函數(shù)運(yùn)行三次，與此對(duì)應(yīng)的蜂鳴器發(fā)出的聲音也會(huì)不同，從而使用者就可以根據(jù)蜂鳴器所發(fā)出的不同的警示音來(lái)辨別障礙物的方位以及障礙物與自己相隔的距離。在具體程序的設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了一個(gè)名為bee()的子函數(shù)，在這個(gè)函數(shù)中利用if語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)距離不同，延時(shí)函數(shù)運(yùn)行的次數(shù)不同這一功能。蜂鳴器原理圖如下：

四、液晶屏顯示模塊

(一) LCD1602模塊簡(jiǎn)介

1、1602液晶能夠很好地顯示符號(hào)、字母和數(shù)字等，但不能夠很好地顯示圖片。原因如下：1602字符型液晶是一種點(diǎn)陣型液晶模塊，由無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)陣字符位(5x7或者5x11)構(gòu)成，每個(gè)字符位都能夠顯示字符，1602液晶顯示模塊可以同時(shí)顯示2行16列(即共計(jì)32)個(gè)字符，各行與各行之間以及兩兩字符位之間都有間隔，所以字符之間和每行之間都存在間距[4]，因此，該模塊不能很好地顯示圖片。

2、每次我們?cè)谧x寫(xiě)控制器內(nèi)的狀態(tài)字之前，都要先進(jìn)行一次讀寫(xiě)檢測(cè)(即讀忙)。是否進(jìn)行讀寫(xiě)操作取決于D7的值，當(dāng)D7的值為1時(shí)，禁止讀寫(xiě)操作；當(dāng)D7的值為0時(shí)，允許讀寫(xiě)操作。所以為了使LCD液晶顯示模塊能夠正常工作，我們就要依據(jù)上述原理以及LCD1602的操作時(shí)序表來(lái)正確設(shè)置寄存器。在LCD1602的16個(gè)引腳中，我們最常用到引腳6(E：使能信號(hào)端)、引腳4(RS：寄存器選擇端)和引腳5(RW：讀寫(xiě)信號(hào)端)這三個(gè)引腳。其中使能信號(hào)端用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)初始化，寄存器選擇端用來(lái)進(jìn)行寫(xiě)命令，讀寫(xiě)信號(hào)端用來(lái)進(jìn)行寫(xiě)數(shù)據(jù)[5]。其基本操作時(shí)序如下圖：

(二) LCD1602顯示模塊程序設(shè)計(jì)

LCD1602液晶顯示模塊程序的編寫(xiě)思路為：首先要表明LCD1602的引腳(包括寄存器選擇端RS、讀寫(xiě)信號(hào)端RW、使能端E等)分別與單片機(jī)的哪些I/O口相接，即對(duì)這些引腳分別進(jìn)行定義。接下來(lái)要實(shí)現(xiàn)的是顯示的初始化(延時(shí)和寫(xiě)入指令)，具體包括設(shè)置顯示方式，延時(shí)子程序，設(shè)置顯示模式以及清理顯示緩存等。最后要實(shí)現(xiàn)設(shè)置顯示字符的具體位置以及顯示字符的具體數(shù)值。編寫(xiě)代碼時(shí)分為了讀LCD狀態(tài)、忙等待、LCD寫(xiě)指令、LCD寫(xiě)數(shù)據(jù)、LCD初始化、設(shè)置液晶顯示位置、液晶顯示程序、以及延時(shí)子程序幾個(gè)部分。設(shè)計(jì)最后呈現(xiàn)出來(lái)的效果是LCD液晶屏?xí)逦仫@示出使用者距離障礙物的長(zhǎng)度，同時(shí)蜂鳴器會(huì)根據(jù)不同的距離從而發(fā)出不同的聲音來(lái)提醒使用者。