基于单片机的智能导盲(拐杖)系统设计
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本设计研究为盲人提供行走时,遇到附近障碍物提前躲避的预警系统。该系统主要由测距系统(超声波测距系统和陀螺仪、磁力计测方向系统)、语音提示系统、报警振动控制系统和稳压电源,五个主要模块构成。
核心处理器为STM32,利用超声波回波的时间来计算出盲人与障碍物之间的距离,并且有语音播报距离和方向,可提前提醒使用者避让障碍物,起到避免安全隐患的作用。
智能导盲系统由单片机控制部分、超声波发射与接收部分、陀螺仪和磁力计部分、语音模块及震动模块几部分组成。单片机在接收到传感器的信息后,将传感器的信号转换为距离信息,通过语音播报或振动提示。
通过价格和功能的对比,该系统选用单片机STM32F103作为主控单元,选用的超声波传感器为SR-04,语音模块选用WT588D,陀螺仪为MPU6050,磁力计为HMC5883。
复位电路:通过复位可以将单片机的电路恢复到初始状态,本系统结构相对复杂,当有大量的数据进行处理的时候容易发生卡死,这时按下复位就可以让系统重新开始工作。复位电路极性电容容值的大小对复位时间有影响,容值越大,复位所需时间就越短。
晶振电路:晶振电路是单片机最小系统中十分重要的一部分,它可以为系统提供一个基础时钟信号,有了晶振才会有时钟周期,时钟周期又是单片机系统中必不可少的,有了时钟周期单片机才能正常工作。晶振电路可以让系统各部分保持同步,本系统采用8MHz的晶振,晶振的频率越高,单片机的处理速度越快。
1 测距电路设计
本次超声波导盲系统选用的是HC-SR04超声波测距模块,模块的工作电压为5V,工作电流为15mA,工作频率为40KHz,测量范围大约为2cm~4m,测量角度约为15°。
各种传感器测距性能比较
基本工作原理:
1)采用I0口TRIG触发式测距,至少给10us的高电平信号;
2)模块自动发出8个40KHZ的方波,自动检测是否有信号返回;
3)有信号返回时,通过I0口ECH0输出一个高电平,高电平持续时间就是超声波从发射到返回的时间。使用者到障碍物距离=(高电平时间*声速)/2。
2 陀螺仪&磁力计电路设计
普通导盲设备只采用一个传感器,通过不断改变传感器的朝向,来判别传感器所对应的方向上是否有障碍物。
而本设计采用了多个传感器,并不需要改变传感器的方向,多个方向上的传感器协同工作,通过陀螺仪与磁力计的共同作用来确定障碍物的方向与距离。而在市面上最为普遍使用的是MPU6050陀螺仪、HMC5883磁力计。
3 语音&震动电路设计
考虑到产品的使用人群为盲人,因此采用的是语音播报振动报警的形式。当前方出现从障碍物时,系统先计算出距离的远近,当小于设定值时振动系统开始振动报警,当障碍物过远时语音播报障碍物的距离与方向。
WT588D具有高效的性能,原理简单使用方便,音质较好,控制灵活,与51单片机有着极为相似的性能,不仅可以作为一般语音芯片,而且因为I/O接口多,带控制功能和经过总线扩展的芯片之外的FLASH存储器,所以能做FLASH单片机。
振动报警模块利用的是普通的电机,首先系统需要设定一个固定值,在系统检测出障碍物的距离时,要先进行判断,测出的距离比设定的距离小时,振动模块开始工作,当与障碍物的距离比设定的距离大时,振动模块立即停止。在一些喧闹的环境中,盲人可能听不清语音提示,这时振动模块也可以起到一定的警示作用。振动没款与语音系统可以同时工作,并不发生冲突。
4 软件程序设计
软件设计主要由以下几部分组成,包括绘制程序流程图、编写程序代码、总体汇编等几个部分,而软件的总体设计是在大方向上对总体设计思路的把握。本系统的程序流程图如图所示。
将超声波与盲人拐杖有机结合起来,超声波能够有效弥补盲人视力缺陷问题,我们采用以单片机为核心的低成本、高精度、微型化硬件和软件相结合的设计方法。该系统能够帮助盲人辨识半空中物体,使盲人减少意外伤害,避除障碍物。
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