天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计
图2-1超声波测距原理图
超声波传感器发出超声波，在介质中传播遇到障碍物反射后再通过介质返回到接收探头，测出超声波从发射到接收所需的时间，然后根据介质中的声速，就能算得从探头到障碍物的距离。本设计采用双探头方式。
声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射；反射波称为回声。假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。这就是本系统的测量原理。这里声波传播的介质为空气，采用不可见的超声波。
假设室温下声波在空气中的传播速度是335.5m/s，测量得到的声波从声源到达目标然后返回声源的时间是t秒，距离d可以由下列公式计算：
d=33550(cm/s)*t(s)
因为声波经过的距离是声源与目标之间距离的两倍，声源与目标之间的距离应该是d/2
单探头方式就是探头发出的超声波在介质中传播，遇到障碍物反射后返回至同一探头而被接收。如图3-3所示，探头到障碍物的距离为S，测距表达式为：
S?1ct2
式中：S为所测障碍物的距离，c为超声波在介质中的传播速度，t为超声波从发送到接收所经过的时间。从上式可看出，只要已知声速c，就可以靠准确测量时间t的方法来精确测量距离S。
2.5本章小结
本章对设计中用到的超声波技术进行了一个系统性的说明。包括对超声波的说明，
超声波传感器的优点，超声波测量中盲区及近限和远限，以及本次设计所要用到的超声波测距技术的原理。
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3．智能导盲拐杖硬件系统设计
3.1设计实现的功能
超声测距部分是利用超声波在空气中传播时遇到障碍物返回的特点来实现测量距离的目的。根据超声波从发射到接收到回波的时间以及此时的声速就可以计算出障碍物的距离。由于超声在空气中传播有衰减，加上环境以及电路本身的噪声干扰，测量距离有一定的上限，超过上限距离的障碍物的回波将无法检测到；同时由于发射超声波对接收超探头的影响，测量距离存在下限，低于下限距离的障碍物回波将无法与干扰信号区别开。系统测量的就是介于上限与下限距离范围的障碍物信息。当检测到障碍物时，系统会通过语音模块发出告警信号。
语音播报部分是通过对接收到的超声波信号进行检测，数据经过处理后，处理完成后如为危险信号即发布声音预警。通过控制开关，可控制语音模块对实时的温度和时间的进行播报。
警示系统模块通过AT89S52单片机控制语音模块和控制开关，达到包括语音警示，LED灯警示效果，提醒使用者和过往车辆行人避让，达到保障使用者安全的目的
稳压电源模块可以最大程度保持输入电压的稳定，保持电源输出的电压是恒定的。是为了给电路提供稳定电源，从而使整个模块正常工作，延长使用寿命。
3.2设计思路
智能导盲拐杖硬件电路设计是一项系统的工程，它涉及到许多方面，包括单片机、超声测距系统、开关控制系统、温湿度采集系统、声光报警系统、电源等的选择，还包括单片机以及各模块间的相互连接。在设计之前，必须要对整个智能导盲拐杖的各部分构造有一个大致的了解。为了更好的实现预期的效果，根据整体配置，来细化各模块配置。以AT89S52单片机为核心的控制器，除此之外再细分模块。整个系统根据“回波测距”的原理设计的，其结构框图如图3-1所示。
图3-1 智能导盲预警系统结构原理图
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3.3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、语音模块及光警提示模块等组成，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。系统工作原理方框示意图如图3-2所示。
图3-2系统工作原理方框示意图
整个系统包括以下几个模块： （1）CPU模块 （2）超声换能模块
超声波发射包括产生超声激励脉冲的发射电路和超声探头，由单片机控制产生激励脉冲激励探头发射超声波。回波信号的接收由前置比例放大电路、程控放大电路和滤波电路四部分构成。回波信号经超声波传感器接收后转换成电信号，再经放大和滤波使信号的幅度和信噪比达到一定程度，满足信号处理的要求。
（3）电源模块
该模块为整个系统供电，提供稳定的电源。使整个系统能够正常的运行。 （4）语音播报模块
该模块主要播报警示音，及对时间进行播报。 （5）温湿度检测模块
3.3.1 CPU模块
单片机一词最初源于“Single-Chip Microcomputer”，简称“SCM”。单片机 也叫做“微控制器”或者“嵌入式微控制器”。单片机在控制领域中，具有很多优点，它体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，它能方便的组成各种智能化的控制设备；面向控制，能针对性的解决从简单到复杂的各种控制任务，而能获得最佳的性能价格比；它抗干扰能力强，适用范围宽，在各种恶劣的环境下都因能可靠的工作，这是其它类型计算机无法比拟的；内存较大，功能强，抗干扰能力强、软硬件资源都比较丰富等特点，其外围接口电路简单，具有很高的性价比，其价格仅为DSP的五分之一，而且它经过多
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年的发展，技术也相当的成熟。它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。此外，可以方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高，所以我们可以利用单片机与超声波技术的的结合来实现测距。基于单片机的超声波测距系统易实现，成本低，精确度高，并且容易做到实时控制，具备较强的实用性。
这次设计所选用的AT89S52单片机如图3-3所示，有40个引脚的芯片，引脚配置，是一种低功耗、高性能的含有8K字节快闪可编程/擦除只读存储器(FPEROM-- Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与AT89S52指令系统和引脚完全兼容。芯片上的 FPEROM允许在线或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。 AT89S52的主要性能包括：
(1)与MCS-52微控制器产品系列兼容。
(2)片内有8K字节的可在线重复编程快闪擦写存储器(Flash Memory )。 (3)编程所需的所有时序和电压，均不需外部电路供给。 (4)存储器可循环写入/擦除1000次。 (5)存储数据保存时间为10年。
(6)宽工作电压范围，Vcc可由2.7V到6V。 (7)全静态工作，可由OHz到16MHz。 (8)程序存储器具有3级锁存保护。 (9)128X8位内部RAM。 (10)32条可编程I/O线。 (11)三个16位定时器/计数器。
(12)中断结构具有5个中断源和2个优先级。 (13)可编程全双工串行通道。
(14)空闲状态维持低功耗和掉电状态保护存储内容。 AT89C52芯片的40个引脚功能为： VCC：电源电压。 GND：接地。
RST：复位输入。当RST变为高电平并保持2个机器周期时，所有I/O引脚复位至“1”。
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡放大器的输出。
ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于
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定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
P0口：8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次
写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：8位双向I/O口。引脚P1.2～P1.7提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1口输出缓冲器能接收20mA电流，并能直接驱动LED显示器；P1口引脚写入“1” 后，可用作输入。在闪速编程与编程校验期间，P1口也可接收编码数据。
P2口：带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：引脚P3.0～P3.7为带内部上拉的双向I/0引脚。P3口的输出缓冲器能接收20mA的灌电流；P3口写入“1”后，内部上拉，可用输入。P3口也可用作特殊功能口，其功能见表1。P3口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。
本次设计的单片机模块由AT89S52单片机及其外围电路组成，是整个超声波测距仪的核心电路。AT89S52功耗低、性能高其具有8K在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
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