引言

我国曾在上世纪九十年代进行过视力残疾状况的调查，结果显示，我国有视力残疾患者近1400万，其中盲人约就有620万[1]。从全国防盲技术指导组办公室得到的数据也显示，我国有550万盲人，占世界盲人总数的1/5。随着人民生活水平的不断的进步，让生活变得越来越简单方便成为了人民普遍追求的生活理念[2]。盲人既是我们普通人民中的一员，又是一个特殊群体，他们由于先天或后天的生理缺陷在日常生活中比我们常人会遇到更多的不方便，不能准确及时的发现并躲避障碍物就是一个重要的弊端[3]。如果有一种既轻巧，又便宜，同时又能及时的识别周围障碍物并发出报警信号的智能拐杖在盲人的手中将会为盲人的生活提供极大地方便[4]。

由于超声波的速度相对光速要小的多，其传播时间更加容易被检测，并且易于定向的发射，方向性较好，强度可以控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距[5]。同时随着计算机技术、自动化技术及工业机器人的不断出现，测距和识别技术在工业中已经得到了普遍的运用与发展，如何把这种非接触式检测与识别技术应用到民用领域已变得十分重要了[6]。

1. 系统概述

1. 设计研究的背景和意义

盲人既是我们普通人民中的一员，又是一个特殊群体，他们由于先天或后天的生理缺陷在日常生活中比我们常人会遇到更多的不方便和安全隐患[7]。本设计就是为了避免盲人在行走时与前方障碍相撞[8]。盲人导盲预警系统的运用可极大地减轻盲人的行走不便与安全隐患，降低且避免因盲人不辨障碍而导致的事故的发生，同时它将对提高人体智能化设计起到重要的意义[9]。对超声波具有传播速度慢，指向性强，能级消耗缓慢，对色彩、光照度不敏感的特点进行利用，同时因为超声波传感器结构相对简单、体积小、性价比高、信息处理简单而且可靠，易于小型化和集成化，并且可以进行实时控制等特点。所以这一项技术应用于导盲产品中将有广阔的发展前景[10]。

1. 本次设计内容

本设计模仿蝙蝠的超声应用能力和原理，在研究现有的电子式超声波测距系统的基础上，应用回声定位的原理，通过传感器发送超声波，然后获得并分析障碍物的回波信息，研制的一套超声波导盲系统[11]。系统采用STC89C52RC单片机作为控制器，利用超声测距的原理，设计了一种超声波导盲装置，该装置可以对盲人前方道路上的障碍物进行距离探测并把障碍物距离信息转换成语音提示，盲人可以根据提示音，避让障碍同时达到导盲作用。该系统具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小等特点。

主要的设计有：

主机功能

1、超声波测距测试距离并且显示；

2、可以按键设置报警距离，在阈值内可以发出语音播报和震动提示盲人如何行走；

3、按键按下可以播报当前时间，时钟ds1302获取；

4、整点报时；

5、具有gps定位系统，并可以通过sim800模块发送经纬坐标到家人手机上；

6、手机号可以自行设置；

7、dht11检测湿度，当湿度过高时，发出语音提示；

8、角度传感器检测角度，判断是否摔倒，如果摔倒发送短信到预设手机号。

从机为蓝牙耳机

1. 接受主机发送的提示信号；

2. 播放相应状态下的语音。

3. 系统设计的整体方案

1. 主控芯片的方案论证

本次设计的导盲拐杖是用单片机作为核心，选择一款适合的单片机是非常重要的。按照本次设计的要求，从之下三个方案中选择一款。

1. EPSON系列单片机：

EPSON系列的单片机是由精工爱普生(SEIKO EPSON)自主开发的CMOS32位RISCCPU为核心，加上不同的外围电路制成多种型号的MCU，这些产品可以应用于不同的领域：掌上电脑(PDA)，移动信息终端，网络设备，办公室OA设备，PC接口设备，智能玩具，GPS应用等，其中它的主要特点有强大的CPU内核，采用RISC结构，三级流水线，105条16位长指令，其大多数指令在一个时钟周期内执行，大大提高了指令的执行效率。地址总线28条，线性寻址256MB，编程方便。当S1C33工作在60MHz时，其性能可到60MIPS。在CPU架构中，也采用了多种设计以提高CPU的性能；哈佛架构，内部RAM为独立总线，在操作内部RAM时可起到高速缓存的作用，而且可实现同时存取内外部存储器，提高系统效率。有效的利用内部RAM和Harvard结构可大大提高指令执行效率，使其可进行复杂运算。拥有丰富的周边电路，较为良好的性价比和功能消耗较低的优点[12]。

1. AT89C51RC单片机：

AT89C51RC单片机是Atmel公司生产的低功耗高性能CMOS 8位单片机，其中它具有32k Bytes Flash只读程序存储器(ROM)，512 Bytes内部数据存储器(RAM)，该微处理器采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，引脚兼容80C51和80C52芯片，单片机内的Flash存储器可以象常规程序存储器样进行烧写，AT89C51RC片内总共有512字节的用户数据区，而256字节的内部扩展数据区需通过清SFR(8EH)的位1并用MOVX指令访问，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，另一个256BytesRAM区与ATMEL之AT89系列8052兼容的单片机是一致的，AT89C51RC 结合通用的8位微处理器和Flash存储技术构成功能强大单片微处理器，可提供许多高性能低价位的系统控制应用场合[13]。

AT89C51RC具有如下主要特点：40个引脚，32kBytes的程序存储器，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，内置时钟振荡器，其Flash存储器，可反复擦写1000 次的Flash存储器可有效地降低开发成本。软件设置电源省电模式，睡眠其间，定时/计数器，串行口和中断口均停止工作，RAM中的数据被“冻结”，直到下次被中断激活或硬件复位方可恢复工作。

1. STC89C52单片机：

STC89C52是宏晶公司的增强型MCS-51单片机，具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。其中的优点有，支持STC的2线制下载方式，下载程序更方便。支持6T模式（在6T模式下，6个时钟周期就是一个机器周期），片内集成了4kB容量的EPROM；带有P4口，具有更多的I/O。最主要的是其价格便宜，符合学生的预算[14]。

本次选择STC89C52单片机，因为该单片机能够完成本次设计的全部功效之外，价格对比于其他两个方案更为便宜，所以选择该单片机作为本次设计的核心。

1. 显示模块的方案论证

在本次设计的导盲拐杖中，还设计了显示模块，该模块可以显示其周边信息来给有关人员进行查看，了解当前用户的周边环境信息。作为显示数据的显示屏，从以下方案中选择一款作为本次数据的显示屏。

1. LCD显示屏：

液晶显示屏（LCD）用于数字型钟表和许多便携式计算机的一种显示器类型。LCD显示使用了两片极化材料，在它们之间是液体水晶溶液。电流通过该液体时会使水晶重新排列，以使光线无法透过它们。因此，每个水晶就像百叶窗，既能允许光线穿过又能挡住光线。液晶显示器（LCD）目前科技信息产品都朝着轻、薄、短、小的目标发展，在计算机周边中拥有悠久历史的显示器产品当然也不例外。在便于携带与搬运为前题之下，传统的显示方式如CRT映像管显示器及LED显示板等等，皆受制于体积过大或耗电量甚巨等因素，无法达成使用者的实际需求。而液晶显示技术的发展正好切合目前信息产品的潮流，无论是直角显示、低耗电量、体积小、还是零辐射等优点，都能让使用者享受最佳的视觉环境。

1. OLED显示屏：

OLED显示屏是利用有机电自发光二极管制成的显示屏。由于同时具备自发光有机电激发光二极管，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。

本次设计的导盲拐杖只需要显示其周边的数据信息和GPS 的经纬度信息，不需要进行动态显示。对比两个方案，选择LCD显示屏来作为本次设计的显示模块。

1. 本章小节

将本次设计导盲拐杖的关键硬件进行了方案的论证，通过选取不同的单片机来判断此次适合的主控核心。在显示模块也通过方案选择，选择适合本次设计的显示屏。

1. 系统硬件电路设计

该系统由单片机、超声波发射接收电路、液晶显示电路、声光报警模块、温湿度采集模块，GPS定位模块、短信SIM800模块、时钟模块、蓝牙模块以及运动轴模块组成，控制核心为单片机。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。其中系统框图如图3-1所示。

1. 单片机最小系统的电路设计

1. STC89C52芯片模块电路设计

本次设计的导盲拐杖的主控核心包含时钟电路和复位电路，其中STC89C52单片机主电源引脚(2根)VCC(Pin40)：电源输入，接+5V电源GND(Pin20)：接地线；外接晶振引脚(2根)；XTAL1(Pin18)：片内振荡电路的输入端；XTAL2(Pin19)：片内振荡电路的输出端；控制引脚(4根)；RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号；PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号；EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。可编程输入/输出引脚(32根)；STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位(8根引脚)，共32根。；PO口(Pin39～Pin32)：8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7 P1口(Pin1～Pin8)：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7 P2口(Pin21～Pin28)：8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7 P3口(Pin10～Pin17)：8位准双向I/O口线，名称为

P3.0～P3.7[15]。其中STC89C52单片机如图3-2所示。

图3-2 STC89C52单片机

1. 系统时钟电路设计

时钟电路就是产生像时钟一样准确运动的振荡电路。任何工作都按时间顺序。用于产生这个时间的电路就是时钟电路。时钟电路一般由晶体振荡器、晶振控制芯片和电容组成。以下为时钟电路如图3-3所示。

1. 复位电路设计

复位电路是一种用来使电路恢复到起始状态的电路设备，它的操作原理与计算器有着异曲同工之妙，只是启动原理和手段有所不同。复位电路，就是利用它把电路恢复到起始状态。就像计算器的清零按钮的作用一样，以便回到原始状态，重新进行计算。本

次设计的复位电路是比较简单的，是只有电阻和电容，三极管等组合就可以办到了。其中复位电路设计如图3-4所示。

图3-4 复位电路设计

1. 显示模块电路设计

显示模块采用的是LCD1602显示屏作为本次的显示屏，LCD1602液晶显示器是广泛使用的一种字符型液晶显示模块。它是由字符型液晶显示屏（LCD）、控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻、电容元件和结构件等装配在PCB板上而组成。显示原理是采用了点阵图形式在屏幕的顶部显示一条由8条亮线和8条暗线组成的虚线，其引脚功能

引脚1：VSS为地电源。

引脚2：VDD接5V正电源。

引脚3：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”现象，使用时可以通过一个电位器调整其对比度。

引脚4：RS为寄存器选择脚，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

引脚5：R/W为读/写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或显示地址；当RS为低电平，R/W为高电平时，可以读忙信号；当RS为高电平，R/W为低电平时，可以写入数据。

引脚6：E端为使能端，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令。

引脚7~14：D0~D7为8位双向数据线。

引脚15：背光源正极。

引脚16：背光源负极

因为单片机的P0口是弱上拉，因此需要加一个上拉电阻增强输入输出口的输出能力。在设计时将LCD1602的第三个引脚与滑动变阻器相连，这是为了在硬件搭建结束后使用者可以通过调节滑动变阻器来控制LCD1602的对比对变化，其显示模块电路设计如图3-5所示。

图3-5显示模块设计图

1. 按键控制电路设计

单片机组成的小系统中，有的需要人机交互功能，按键是最常见的输入方式。最常见的按键电路大致有，一对一的直接连接和动态扫描的矩阵式连接两种。本次采用的是一对一的普通按键式。按键模块硬件设计图如图3-6所示。

图3-6 按键模块硬件设计图

1. 超声波模块

超声换能器按照发射与接收是否同体可分为收发同体与收发分体式两种。其中收发一体式就是发送器和接受器为一体的传感器，即可发送超声波，又可接受超声波；收发分体式是发送器用作发送超声波，接受器用作接受超声波。为了操作的简便，本次超声

波导盲系统选用的是HC-SRO4，其超声波测距模块如图3-7所示。

图3-7 超声波测距模块硬件设计

1. 多功能模块

1. GPS定位模块

简单的来说，GPS定位器是内置了一种叫"GPS 模块”和"移动通信模块的终端”，通过将GPS定位模块获得的定位数据通过移动通信模块(GSM/GPRS网络)传到网站的一台服务器，从而可以实现在设备查看查询终端的地理位置。其GPS定位模块硬件设计如图3-8所示。

图3-8 GPS定位模块硬件设计

1. 时钟模块

本次设计的导盲拐杖在整点时间将会进行整点报时，所以需要一个时钟模块来控制和记录时间，所以本次设计采用了DS1302芯片来对设置时间。DS1302是由美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片。它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，并且具有闰年补偿等多种功能。为了保证其掉电依然时间准确，所以在时钟模块中连入一颗电池，保证其不丢时间。其时钟模块硬件设计如图3-9所示。

图3-9 时钟模块硬件设计

1. 温湿度传感模块

本次设计里采用了DHT11来采集用户周边的温湿度，了解其周边的状况，DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。其DHT11温湿度传感模块硬件电路设计如图3-10所示。

图3-10 温湿度传感模块硬件电路设计

1. 蓝牙模块

本次设计采用了主从机分机的形式来组合成本次的导盲拐杖，为了将信息传输给从机，选择了短距离通信模块中的蓝牙模块。蓝牙模块，是一种集成蓝牙功能的PCBA板，用于短距离无线通讯，按功能分为蓝牙数据模块和蓝牙语音模块。蓝牙模块是指集成蓝牙功能的芯片基本电路集合，用于无线网络通讯。其蓝牙模块硬件电路设计如图3-11所示。

图3-11 蓝牙模块硬件电路设计

1. SIM800短信模块

短信模块是通过运动轴模块了解到用户处于跌到或者其他情况的时候，发送用户此时的GPS位置信息给设定好的电话，让用户的家庭成员或者某些救援人员及时到达该位置，保证用户的安全。其中SIM800短信模块硬件电路设计如图3-12所示。

图3-12 SIM800短信模块硬件电路设

原理图：

实物图：