基于超声波测距的导盲仪设计毕业论文目录摘要………………………………………………………………………….........I Abstract.................................................................................. . (II)第1章绪论 (1)1.1课题背景及意义 (1)1.2课题的国外现状 (2)1.3课题研究的主要容 (3)1.4论文结构 (4)第2章超声波测距原理 (5)2.1超声波的特性 (5)2.1.1 超声波的产生、发射和接收 (5)2.1.2 超声波的传播特性 (6)2.1.3 超声波的温度特性 (6)2.2超声波的测距原理 (7)2.3基于超声波测距的导盲仪的设计 (8)2.4本章小结 (9)第3章测距系统硬件部分 (10)3.1单片机系统及外围硬件电路 (10)3.1.1 STC89C52单片机介绍 (10)3.1.2 STC89C52最小系统及外围电路 (12)3.1.3 数码管显示电路 (15)3.1.4 蜂鸣器报警电路 (16)3.2US-100超声波测距模块 (16)3.2.1 US-100模块介绍 (16)3.2.2 US-100串口测距原理 (18)3.2.3 US-100串口测温原理 (19)3.3本章小结 (19)第4章测距系统软件设计及仿真 (20)4.1 软件程序的总体设计 (20)4.2 主要模块的程序设计 (21)4.2.1 串口初始化函数 (22)4.2.2 超声波发射脉冲函数、写字符函数 (24)4.2.3 数码管扫描函数 (25)4.2.4 数码管显示函数 (25)4.3 系统调试与仿真 (26)4.4 测距结果与误差分析 (28)4.5 本章小结 (30)第5章电源以及电源管理系统 (31)5.1 便携式设备可用的几种电源介绍 (31)5.2 电源的选择及其工作模式 (32)5.2.1 电源的选择 (32)5.2.2 电源的工作模式 (33)5.3 电源管理系统的设计 (34)5.4 本章小结 (36)结论………………………………………………………………………......... .37参考文献 (38)致谢………………………………………………………………………......... .40附录 1 开题报告 (41)附录 2 中期报告 (45)附录 3 英文文献翻译 (51)附录 4 英文文献原文 (61)第1章绪论1.1 课题背景及意义视觉能力是我们沟通外部世界、获得认知和信息的主要来源，可以说是人类感觉功能中最重要的一项功能。

然而双目失明的盲人由于各种各样先天的生理缺陷和后天的伤害丧失了这一能力，因而在日常生活和安全行走方面受到了很大的制约与限制。

我国是世界上盲人最多的国家，目前我国约有近2000万的盲人，这一数量正在以在每年约45万人的速度增长[1]。

随着科学技术和现代制造技术的快速发展，现代生活的节奏逐渐加快，普通的盲人拐杖已经无法满足现代生活里盲人的现实需要，导盲犬由于训练难度大，训练费用高也难以发挥高效的作用。

盲人事故的屡屡发生，也对电子导盲辅具提出了更高的、更迫切的要求[2]。

为了协助失明群体可以安全行走，提高他们的生活能力，确保他们的人身安全，世界上许多国家一直在进行着电子导盲装置的设计和研发。

例如，盲人电子导盲眼镜；盲人语音协助系统；红外线无线电导盲系统等[3]。

导盲仪的存在将会极大地扩展盲人朋友的生活围，丰富他们的日常生活，同时，也能减轻社会以及家庭的负担。

所以电子导盲仪的开发和应用会带来巨大的社会效益。

导盲仪各种各样，基于的工作原理也各不相同，基于超声波测距的导盲仪是其中一种。

超声波由于其种种的传播特性和优势，在工业和社会生活的各个领域中获得了广泛的应用。

近些年来，超声波测距已普遍应用在机器人避障系统[4]：移动机器人的超声波避障系统、智能机器人管家和智能电动车自动避障系统；车载系统[5]：自动泊车系统、自动刹车系统和雷达倒车引导系统；工业制造；航海航空；石油化工、液位测量等中[6]。

此外，超声波在医学、材料学以及生命学等领域中也占有重要的地位。

利用超声波实现距离的测量无论是在硬件还是软件编程上都是十分方便且易于实现的。

基于超声波测距原理的导盲装置会比其他导盲设备体积更轻便，反应更快捷，测量更精确，更加方便携带。

所以本课主要是完成超声波测距的软硬件的设计与研究。

1.2 课题的国外研究现状随着现代社会对自动化、智能化设备的要求越来越高，越来越迫切，科研领域对于超声波在精确的距离测量方面的需求也越来越大。

近十几年来，关于超声波技术的研究方兴未艾。

国外的科学研究工作者在超声波的回波处理方法，超声波测距精度的研究以及超声波在工业和社会生活中的应用等方面进行了大量的理论研究分析以及产品的研发。

在超声波理论研究方面：国方面有，海鸣[7]等人提出了通过两个比较器结合的软件来确定回波前沿的测量方法，借此以提高超声波的测量精度，这一方法使得超声波在空气中的近距离测量的精度达到了厘米级；大学的童峰等人提出了一种基于回拨轮廓分析圈法的回拨处理方法[8]，该方法在距离测量中通过两次探测取回波轮廓包络曲线来求取回波的起点，这种方法也大大提高了超声波的测距精度。

国外方面有，FigneroaJ.F.,Lamancuse J.S.提出了一种新的回波计时方法，回波时延由峰值时延和相位时延相加而得的方法，各自用不同的检测手段得到峰值时延和相位时延，相加后即得回波的传播时间[9]。

也有文献提出通过数字信号处理技术和小波变换理论来提高测量精度。

在超声波的应用方面：超声波测距由于它的原理简单易懂、易于实现以及成本低等优势，在动态测距和避障、液面液位测量、曲面仿形检测等领域都有着广泛的使用。

国，雷建龙[10]等人基于超声波测距原理，研发出一款针对液位测量的便携式装置；田志宏[11]等人基于超声波测距原理，设计出一款电动轮椅，它能够自动智能躲避障碍物；王洪青[12]等人设计出一种应用于移动机器人的并行超声波测距系统；彭翠云[13]等以8051单片机为主控单元，设计了一种用于泊车倒车雷达引导的超声波测距模块。

国外，R.Kuc.[14]开发出了三维的仿声呐系统，该系统能够利用超声波自动的寻找设定的目标物体；R.X.Gao和C.Li[15]研制了一种专门为失明人群服务的超声波测距系统；意大利的CaruUo等人研究出了一种自动适应系统。

超声波测距作为不接触式检测手段的典型方法之一，以它的低廉价格，可靠的信号处理特点，不易受天气及其他声波干扰的影响等优势，广泛应用于社会生活的方方面面。

超声波凭借它的种种优势，必将在现代社会生活中拥有广阔的市场前景，发挥越来越大的作用。

1.3 课题研究的主要容本课题设计采用的是超声波在导盲测距系统中的应用，利用现代检测手段，获取盲人周围的环境信息，并将它转化为声音警示信号，使盲人从中获知其身边的障碍情况，能够及时的避开周边存在的危险，确保自身安全。

由于一个超声波探测头的探测围不会大于15°，所以为了探测围的全面性和有效性，导盲测距系统部会安置多个超声波传感器，测量各个方向上一定距离的障碍物信息。

本系统由单片机作主控单元、温度采集补偿模块、超声波发射模块、超声波接收模块、蜂鸣器报警模块、电源管理系统模块组成。

本设计会在测距系统里外加LED数码管用以显示测得的距离值，以便于测试现象的观察与系统的调试。

本课题研究的主要容就是实现超声波测距系统的硬件与软件的设计与调试，并对导盲仪的电源管理系统的一般结构进行设计。

本设计大体可以分为两个设计部分进行：测距系统和电源管理系统。

本设计的测距系统是在基于AT89C52单片机控制的超声波往返时间测度法测距原理的基础上，来实现对目标距离障碍物的存在情况进行确定，同时利用US-100超声波测距模块自带的温度补偿功能来提高系统的精确度。

US-100超声波测距模块具有两种工作模式：电平触发模式、串口触发模式。

本设计采用的是US-100的串口触发模式，在软件程序设计中主要包括：串行口初始化函数、超声波发射函数、写字符函数、数码管扫描函数、数码管显示函数。

测距系统工作时，只需要控制单片机驱动US-100超声波测距模块发出8个40KHZ的超声波脉冲，然后便等待接收回波信号。

当接收到回波信号后，模块便会自动进行温度值的测量，然后根据当前测得的温度值对测距结果进行校正，校正结果将通过RX管脚经串行口送至单片机，然后由单片机控制数码管显示和蜂鸣器的状态。

进行移动电源的选择并设计电源管理系统，主要是对能表征电源工作状态的电压、电流等工作参数进行实时的监测，并对可能出现的突发情况进行预测和响应，为整个导盲系统提供一个稳定可靠的工作保障。

本设计会对电源管理系统的一般结构进行讨论与研究。

其一般结构包括：电池组，电压传感器，电源管理部分（由单片机并配合相应的电池监测芯片来完成），DC/DC 电源变换，充电电路，整流滤波、稳压部分等。

1.4 论文结构第一章介绍了课题的背景、意义，课题的国外发展趋势，以及本文的主要研究容。

第二章介绍的主要是超声波测距的相关原理。

主要是关于超声波原理的知识，包括超声波的传播特性、温度特性、以及超声波的测距原理等。

第三章介绍的是测距系统的硬件部分，有STC89C52单片机、US-100超声波测距模块的一些功能以及工作原理。

第四章介绍的是测距系统的软件设计及其仿真。

软件设计主要是软件指令的编写，以及各个功能函数的介绍。

此外还会对测距系统进行仿真并对可能引起误差的原因进行分析。

第五章是电源管理系统的一般设计。

本章会在电池的选择、电池组工作模式的切换以及电源管理系统的一般结构等方面进行分析。

第2章超声波测距原理2.1 超声波的特性超声波是指频率超过人类听觉能力可以达到的最高频率值20KHZ的声波或着振动。

超声波由于其高频、方向性好、易于获得较集中的能量等特性而被广泛应用于工业和生活的各个领域，例如：距离和速度的测量、精密仪器的清洗、杀菌消毒等方面。

2.1.1 超声波的产生、发射与接收超声波一般可以通过电气方式或机械方式产生，能够实现这种转换的设备叫做电声换能器[16]，也称这种电声换能器为超声波发生器。

电气转换方式包括压电型、电动型等；机械转换方式有加尔统笛、气流旋笛等。

由于各种不同的产生方式产生的超声波它们的频率、幅值以及声波特性等都大不相同，因而由不同方式产生的超声波的用途也各不相同。

目前最常用的是压电型超声波发生器，也即本设计采用的超声波发生器类型。

压电型超声波发生器是利用压电材料的压电效应原理制作而成的。

压电效应有两种：逆压电效应、顺压电效应。

超声波发送器利用的是逆压电效应的工作原理。