致 谢 ........................................................................................................................ 28 附录1：部分主电路原理图 ......................................................................................... 29 附录2：部分主程序 ..................................................................................................... 30
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天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计
1．引言
我国曾在上世纪90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。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。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。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。
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。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。
1.1设计研究的背景及意义
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。本设计就是为了避免盲人在行走时与前方障碍相撞。
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。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。
1.2设计研究的内容
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，研制一套超声波导盲系统。系统采用AT89S52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。又因为盲人不辨行人与车辆在路上行走，又因夜晚能见度低，为了车辆和行人更容易避让盲人。另采用光敏电阻检测周围环境的亮度,并将该亮度转化为相反
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逻辑的红色警示光。用来提醒来往行人和车辆避让。另有时钟系统，可以控制并且语音播报时间，进行整点提醒。
1.3本章小结
本章主要介绍了设计超声波导盲拐杖的背景及意义。对设计研究的大致内容做了概述。
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2．超声波系统的工作原理及方案
2.1 超声的概述
声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象，人们对声音早有认识，在人们的日常 生活中存在着各式各样的声音。在科学史上，声学是发展最早的学科之一。然而，由于超声是人耳听不到的信号，直到18世纪，人们才开始研究海豚、蝙蝠等动物时，才推测自然界存在超声。声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据声波振动频率的范围来分类的，声波可分为高低不同的四种类型：频率在16KHz～20KHz之间的机械波，能为人耳所闻，称为声波；低于16KHz的机械波称为次声波；高于20KHz的机械波称为超声波；高于10MHz的机械波称为特超声波。
声波产生的条件是首先要有一个作机械振动的质点来作波源，其次是要有传播振动的弹性介质。此外，当振动传播时，振动的质点并不随波而移动，只是在自己的平衡位置附近振动而已，这与电磁波（交变电磁场以光速在空间的传播）是完全不相同的，与光波也不同。因此超声作为一种高于人的听觉范围的声波，与光波和电磁波是不同的，是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播；电磁波的传播速度为3×108m/s，而超声波的传播速度为340m/s，其速度相对电磁波是非常缓慢的，对于相同频率的情况下波长比较的短，因此可以提高测量的分辨率；超声波在相同的传播媒体里传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向是一致的，作为纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播。
在两种介质的交界面，声波会发生反射、折射、衍射、散射等现象。超声波也具有这些传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。但超声波作为一种特殊的声波，同时又具有方向性好，加速快等特点，而且波长很短，只有几厘米，有的甚至千分之几毫米，因此与可听声波比较，超声波具有许多奇异的特性：
传播特性──超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就会越显著。
功率特性──当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就会越大。由于超声波频率比较高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。
2.2超声波传感器
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的用于产生和接收超声波的器件，它既能够把其他形式的能转化为所需频率的超声能又能够把超声能转化为其他形式的能。
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采用超声波传感器有以下几个方面的好处： （1）测量方式原理简单，易于实现。 （2）测量的精度高
（3）超声波传感器有一定的覆盖性，可以用较少的传感器数量覆盖较大的测量范围。
2.3超声波测量中盲区及近限和远限
用往返时间检测法测量距离时，障碍物与超声波传感器间的距离既不能太远也不能太近，存在着距离测量的近限和远限。距离过远时，接收到的信号太弱，以致无法从噪声信号中分辨出来，这是远限存在的原因。在距离过近时，接收信号将落进盲区中而无法分辨出来，这是近限所以存在的原因。所以，设计中要尽量减小盲区，同时提高检测的距离精度。
减小盲区措施 ：
(1)压缩发射脉冲宽度 发射端采用减幅振荡脉冲或单个脉冲，可使余震(拖尾)减少，此法常用于短距离测量距离。
(2)采用自动距离增益控制 采用具有自动增益控制功能的接收放大器，使近距离的增益很小，远距离时的增益较大，这样一方面发射信号的余震幅度变小，相应的延续时间缩短，可以分辨出近处的接受回波信号，故可使盲区减少。另一方面，可使远处的回波信号的幅度增大，以提高测量的精度。
(3)信噪比问题 超声波测距都有确定的量程。量程主要决定于接收信号的幅值应大于规定的阐值。这个阂值决定信噪比。这时要求对环境噪声进行频谱分析，尽量避免与噪声频率重叠。
2.4 超声测距的方案
超声检测与超声测距所用的方法类似。超声测距的方法分为相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。其中相位检测法精度高，但是监测范围有限，声波幅值检测法易受反射波的影响，采用最多的是往返时间检测法。往返时间检测法的基本原理在声速已知的情况下通过测量发送信号与接收信号之间的时间差来计算障碍物的距离，原理图如图2-1所示。
具体的说就是当40KHz的电压脉冲信号由导线输入传感器后，由压电陶瓷晶片将此电信号转换成机械振动，这种机械振动通过空气向外发送出去，发送出的超声信号向空中各方向沿直线传播，遇到障碍物反射回来。传感器在接收到反射回来的回波信号后再次将机械振动转变为电压信号的波动。此时得到的电压脉冲信号非常的微弱，经过后极的放大电路等的处理后被采集处理。
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