基于单片机的避障智能盲人眼镜设计
摘 要
目前单片机微控制和图像识别技术已逐渐成熟，微控装置已经广泛应用于生活中，如果将其应用于盲人群体中可以为盲人提供很大帮助。本文设计了一种新型的基于超声波和图像识别的盲人智能导航避障眼镜，解决了盲人在行走过程中定位和躲避障碍的问题。本方案采用超声波传感器来确定前方是否存在障碍物以及障碍物的距离，摄像头传感器来采集图像识别障碍的外部和周围环境信息，GPS/GPRS模块来获取位置信息和与远程终端通信以及通过语音实现人机交互的功能。本设备轻巧实用便于佩戴，这些功能使盲人生活更加方便，具有深远的意义。本文所采用的主要芯片有超声波测距模块US-100,语音芯片ISD4004,音频功放TDA2822。本文设计了一种避障智能盲人眼镜,系统包括AT89S52单片机控制模块,GPS模块,红外感应模块,摄像头,超声波接收发射器,LED警示模块,石墨烯电池,语言感应模块,控制开关,主控芯片.如果盲人需要出行,可以通过佩戴这款眼镜来为他们指路避障.同时,避障智能盲人眼镜还能提前通过超声波接收发射器和红外感应系统来感应前方和周边的环境,从而来保证盲人的出行安全.。
关键字：单片机AT89S52；语音提醒ISD4004；音频功放TDA2822；GPS模块
Abstract
At present, MCU micro control and image recognition technology has gradually matured, micro control device has been widely used in life, if it is applied to the blind group, it can provide great help for the blind. In this paper, a new type of blind intelligent navigation obstacle avoidance glasses based on ultrasonic and image recognition is designed, which solves the problem of blind positioning and obstacle avoidance in the process of walking. In this scheme, the ultrasonic sensor is used to determine whether there are obstacles in front and the distance of obstacles, the camera sensor is used to collect the image to identify the external and surrounding environment information of obstacles, the GPS / GPRS module is used to obtain the location information and communicate with the remote terminal, and the human-computer interaction function is realized through voice. The device is light, practical and easy to wear. These functions make the life of the blind more convenient and have far-reaching significance. The main chips used in this paper are ultrasonic ranging module us-100, voice chip ISD4004, audio power amplifier tda2822. The system includes AT89S52 MCU control module, GPS module, infrared sensor module, camera, ultrasonic receiver transmitter, led warning module, graphene battery, language sensor module, control switch, main control chip. If the blind need to travel, they can wear these glasses to guide them to avoid obstacles, Obstacle avoidance intelligent blind glasses can also sense the front and surrounding environment through ultrasonic receiver transmitter and infrared sensor system in advance, so as to ensure the travel safety of the blind.
Key words: single chip microcomputer AT89S52; voice reminder ISD4004; audio power amplifier tda2822; GPS module
目录
1 前言 3
1.1设计的目的和意义 3
1.2 盲人避障技术的研究现状 4
2 盲人智能导航避障眼镜工作原理 5
3 系统设计 6
3.1 总体框架 6
3.2 各个模块的工作流程 7
3.3 系统的软件流程图 7
3.4 系统各个模块的设计 8
3.4.1 超声波测距模块 8
3.4.2 语音模块设计 13
3.4.3 音频功放模块 18
3.4.4 单片机最小系统及其简单应用 21
4 测试部分 27
4.1 实验方法 27
4.1.1 超声波测距的方法 27
4.1.2语音芯片的使用方法 29
4.1.3 TDA2822的使用方法 30
4.2 实验对象 31
4.2.1超声波测距模块 31
4.2.2 语音电路的使用情况 31
4.3 软件设计思想 32
5 实验结果分析与展望 36
5.1实验结果分析 36
5.2实验结果展望 36
参考文献 38
附录A 39
附录B 46
1 前言
1.1设计的目的和意义
据第二次全国残疾人抽样调查数据推算，中国目前视力残疾人数约为1233万人。每年约有45万人失明，这意味着几乎每分钟就会出现一例新的盲人。如果任由这个速度发展而不采取更加积极有效的措施，到2020年，预计盲人数量将达到2000万人，盲就会成为一个严重的社会问题。由于视力低下或缺失，从而造成盲人在生活和工作上更多的困难。本文是基于盲人活动困难而提出的，通过“盲人智能导航避障眼镜”的应用使盲人彻底丢掉导盲手杖，解放双手，从而提高了他们的工作和生活效率。
该眼镜的功能是：通过超声波测距的原理来检测前方一段距离内是否有障碍物或者坑存在，若有，则语音提醒模块发出提醒信息。语音电路会根据障碍物距离的不同发出不同频率的报警声音，以提醒使用者。此时使用者可按下按键，报警响声中断。报警声响起时，电路板上的LED灯会亮起，以提醒路人让路。
本设计检测障碍物所基于的基本原理就是超声波测距的原理。超声波测距方法主要有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法三种。其中，相位检测法精度高，但检测范围有限; 声波幅值检测法易受反射介质的影响。因此，当前超声波测距一般使用渡越时间法。本设计所采用的就是渡越时间法。超声波测距的工作原理: 发射换能器向外发射超声波，超声波在介质中传播，遇到障碍物后反射，产生回波，接收换能器接收回波。渡越时间法就是通过检测发射超声波与接收回波之间的时间差，求出目标障碍物距信号发射源的距离。
本设计所采用的安全避障技术对于很多检测和识别技术的研究也有一定的参考价值。障碍物与物体之间距离的获得是研究安全避障的前提。超声波测距可以直接测量近距离目标，纵向分辨率高，适用范围广，方向性强，并具备不受光线、烟雾、电磁干扰等因素影响，且覆盖面较大等优点。目前，超声波测距凭借其原理简单、易于实现以及成本低等优点，在液位测量、移动机器人定位和避障、汽车防撞和曲面仿形检测等领域得到了广泛的应用且前景广阔。在本设计中对所要求测量范围0.6cm~389cm内的平面物体做了多次测量发现，其最大误差为0.5cm，可见基于单片机设计的超声波测距系统具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小等特点。因此，它不仅可用于盲人自动避障，还可用在其它检测系统中。
由于盲人出行时必需手持盲杖不停地探测道路情况，并且使用及携带盲杖很不方便，使用盲杖经常会打到人造成不必要的麻烦，辅助盲人出行的盲道利用率很低，大多被非法占用导致不能正常使用。此作品可以令盲人不必再依靠盲杖进行障碍的探测，从而避免了使用和携带盲杖所带来的不便。此眼镜简单实用且便携，设计在很大程度上解、决了盲人行走中的安全问题，具有实用价值。
1.2 盲人避障技术的研究现状
盲人避障技术的关键是非接触式检测技术，随着传感器和单片机控制技术的不断发展，非接触式检测技术已经在不断完善。以往的盲人避障技术设计中常使用红外线探测障碍物的存在与否，但是在实际应用中，红外干扰源较多；而且在有反射光的情况下，由于光线的干扰，很容易判断失误，出现虚警。因此，有些设备在发射信号时，改进为发送一串连续的红外脉冲，然后接收反射的信号。如果接收到的红外脉冲数量超过某一门限值时，就判断障碍存在。这种方法尽管在一定程度上可以降低虚警率，但在较强的反射光和使用电子镇流器方式的日光灯起辉时，仍很容易出现干扰现象。还有其他典型的非接触式检测方法有CCD探测、雷达检测、激光检测、超声波检测等 其中，CCD探测具有使用方便无需信号发射源,同时获得大量的场景信息等特点，但视觉检测需要额外的计算开销。雷达检测具有全天候工作，适合于恶劣的环境中进行短距离 高精度检测的优点，但容易受电磁波干扰。激光检测具有高方向性、高单色性、高亮度、测量速度快等优势，尤其是对雨雾有一定的穿透能力，抗干扰能力强，但其成本高 数据处理复杂。与前几种检测方式相比，超声波检测可以直接测量近距离目标，纵向分辨率高，适用范围广，方向性强，并具备不受光线 烟雾 电磁干扰等因素影响，且覆盖面较大等优点，目前超声波检测已普遍应用在液位测量 移动机器人定位和避障等领域，应用前景广阔 。
超声波检测作为非接触式检测技术的典型方法之一，以其价格低廉、信号处理可靠、不受电磁、天气影响等优势，必将拥有广阔的市场前景。综合分析国内超声波研究现状，本文对超声波检测研究趋势做以下三点展望:1) 目前，超声波换能器多采用压电陶瓷材料和磁致伸缩材料来制造。这两种材料制造的换能器存在一定的阻抗失配问题，即在驱动脉冲结束后，由于惯性会继续振动产生盲区，进而影响系统的测量精度。因此，超声换能器制造材料的改进是超声波检测技术发展的一个重要方向。2) 随着回波信号处理方法的逐渐完善，选择更合理的超声波发射脉冲、研发更高性能的超声波换能器，来提高超声波测距系统的有效作用距离、分辨力、测量精度和抗干扰性等性能，是超声波测距理论的又一个重要研究方向。3) 此外，基于超声波检测、CCD 探测、雷达检测、激光检测等多种非接触式检测技术均具有各自优点。本文认为将多种非接触式传感器合理地冗余复合使用，充分发挥各检测方法的优势，可以得到更精确的检测结果，这也将成为检测技术发展的一个热点。
此作品结合了超声波检测及单片机技术，能够准确识别障碍并出相应判断，提示盲人躲避障碍，与其他盲人避障眼镜相比具有轻便、准确、操作简单和性价比高的特点。
2 盲人智能导航避障眼镜工作原理
智能眼镜采用超声距离传感器和光学传感器融合来模拟人眼的距离和光学探测功能。障碍检测系统和图像识别系统对前方环境进行检测，将检测信息传送到主控芯片进行算法处理，如果发现前方有障碍，语音系统发出提示信息。盲人如果想知道当前所在的位置信息，只需向语音识别系统发出声音信息，然后语音系统将GPS、电子罗盘采集到的位置信息播报给盲人。盲人的信息也会通过GPRS传输到监护人的手机或电脑终端，监护人可以随时随地获得盲人的信息并能远程协助盲人。
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