基于单片机的红外检测盲人避障系统——毕业设计(共25页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上基于单片机的红外检测盲人避障系统目录专心-专注-专业第一章 绪 论1.1课题研究的背景随着人类知识的积累和工业生产技术的发展,人类对自然的控制与加工能力越来越强。在人类社会的各个领域,从工业、农业、商业、国防、通信、交通运输、科学技术直到文化娱乐、教育、医疗乃至家庭生活的每一个角落,自动化设备、智能仪器仪表正延展着人们的感官,精确地执行人的命令,实现着人们过去可望而不可及的愿望。由于微处理器生产成本的下降,目前各种自动化设备和智能仪器仪表的核心部件通常是由专用的微处理器构成。这些专用的微处理器在我国一般称为单片机,国外称为微控制器。单片机广泛用于自动化控制设备、消费电
2、子产品、智能仪器仪表等领域,尤其是在新型智能化小产品开发方面,几乎是单片机一统天下。单片机是一类特殊的微处理器,它内部的硬件结构与一般为微处理器相同的是都有控制器、运算器和各种专用寄存器。控制器将时钟振荡器产生的方波脉冲按固定的时间顺序分配给芯片内的各个部件,即产生节拍。在节拍的作用下控制器按程序计数器中的地址从程序存储器中取回指令进行译码,运算器和各种专用寄存器则根据译码在控制器的控制下有条不紊地进行数据的传递和运算处理。单片机的应用,打破了人们的传统设计思想。原来需要使用模拟电路、脉冲数字电路等部件来实现的功能,在应用了单片机以后,无需使用诸多的硬件,可以通过软件来解决问题。目前单片机已经
3、成为科技、自控等领域的先进控制手段,在人类日常生活中的应用也非常广泛。(1)工业过程控制中的应用。 单片机的I/O口线多,操作指令丰富,逻辑操作功能强大,特别适用于工业过程控制。单片机可作主机控制,也可作分布或控制系统的前端机。单片机具有丰富的逻辑判断和位操作指令,因此广泛应用于开关量控制、顺序控制以及逻辑控制。(2)家用、民用电器中的应用 单片机价格低廉、体积小巧、使用方便,广泛应用在人类生活中的诸多场合,如洗衣机、电冰箱、空调器等。(3)智能化仪器、仪表中的应用 单片机可应用于各类仪器、仪表和设备中,大大地提高了测试的自动化程度与精度,如智能化的示波器、计价器、电表、水表等。(4)计算机网
4、络、外设及通信技术中的应用 单片机中集成了通信接口,因而能在计算机网络以及通信设备中广泛应用。如Intel公司的8044,它由8051单片机与SDLC通信接口组合而成,用高性能的串行接口单元SIU代替传统的UART,其传送距离可达1200米,传送速率为2.4Mbit/s。此外,单片机还在小型背负式通信机、自动拨号无线电话网、串行自动呼叫应答设备、程控电话、无线遥控等方面均有广泛的应用。红外技术发展到现在,已经为大家所熟知,这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统,按照功能能够分成五类:一. 辐射计,用于辐射和光谱测量;二搜索和跟踪系统,
5、用于搜索和跟踪红外目标,确定其空间位置并对它的运动进行跟踪;三热成像系统,可产生整个目标红外辐射的分布图像;四红外测距和通信系统;五混合系统,是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。红外传感器工作原理:(1)待测目标。根据待测目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。 (2)大气衰减。待测目标的红外辐射通过地球大气层时,由于气体分子和 各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收,将使得红外源发出的红外辐射发生衰 减。 (3)光学接收器。它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线,常用是物镜。 (4)辐射调制器。对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光,提供目标方位信息,并可滤除大面积的干扰
6、信号。又称调制盘和斩波器,它具有多种结构。 (5)红外探测器。这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器,多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。 (6)探测器制冷器。由于某些探测器必须要在低温下工作,所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷,设备可以缩短响应时间,提高探测灵敏度。 (7)信号处理系统。将探测的信号进行放大、滤波,并从这些信号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式,最后输送到控制设备或者显示器中。 (8)显示设备。这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显像管
7、、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。 依照上面的流程,红外系统就可以完成相应的物理量的测量。红外系统的核心是红外探测器,按照探测的机理的不同,可以分为热探测器和光子探测器两大类。1.2 课题研究的意义和目的本盲人避障系统是以盲人行走常带的手杖为载体,80C51单片机为控制核心,加以高亮度发光二极管闪烁、红外发射、红外接收、红外发射、接收、ISD1760语音模块和电源电路以及其他电路构成。系统由三大部分组成在红绿灯控制箱内加入了红外发射系统、报警系统。本课题为红外检测盲人避障系统设计,研究的是一种基于单片机的红外测控系统,它采用了单片机控制技术和红外感应技术,集成了光学、电子、单片机和机械等技术
8、于一体。在系统硬件的基础上,进行灵活的软件设计。系统程序包括:初始化、功能处理与定时器中断等功能。开机后,初始化完成软件系统所用的标志区和数据区的清零、中断初始化、设置定时器参数、启动定时器开始定时、定时中断服务程序完成定时参数的复位、发出避障信号等,使之达到让盲人避障的功能。该系统应用在盲人手杖上,该系统采用单片机作为其核心,结合不同的测控方法,可以完成不同的测控功能,因此也可用于自动门、自动烘干机、红外报警、红外遥控以及工业生产在线检测等方面,并可开发各种类型的相关产品。由此可见,本课题的研究在方便盲人的日常生活方面,提高盲人们的行动方便方面都有很重要的意义。1.3 课题研究的方案 红外测
9、控系统主要包括红外发射、红外接收、单片机处理与控制系统以及控制信号放大与驱动等几个部分。 本系统采用单片机控制技术和红外感应技术,集成了光学、电子、单片机和机械等技术于一体。系统的原理是:红外发射部分经过调制后载有测量信号的红外光波,如果有人或物体靠近,则红外光波受到障碍的反射,反射回来的红外光波由红外接收部分接收,然后经由单片机进行处理并做出相应的控制决策,输出相应的动作指令,控制信号经过控制信号放大与驱动环节之后驱动相应的执行机构,实现相应的提示避障功能。 该方案主要运用到了单片机原理和传感器原理,科学证明是确实可行的。第二章 系统组成及工作原理2.1 功能要求本设计为红外检测盲人避障手杖
10、器,其智能化功能设计要求如下:(1)正常情况下,人来后或有障碍后,第一阶段自动报警说明有人或障碍,人或障碍移动后,第二阶段自动报警说明前方无障碍;(2)如果遇到人或障碍太频繁,如使用间隔小于1min,则在第二个人或有障碍后,不进行二次的报警,避开障碍后,报警说明前方无人或障碍;(3)无障碍后自动进入省电模式。2.2 系统组成及原理 由图2.1可见,本系统主要包括红外发射、红外接收、单片机处理与控制系统以及控制信号放大与驱动等几个部分。红外发射部分装有红外发光二极管,由红外发光二极发射红外光波,如果有障碍靠近,则红外光波受到人体的反射,反射回来的红外光波由红外接收部分接收。红外接收部分接收到反射
11、回来的红外光波后,红外光电传感器将此红外光信号转化为电信号,此电信号经放大、整形后传送到单片机。单片机接收到驱动信号后,根据系统设计的需要做出相应的控制决策,输出相应的动作指令,由此来指挥执行部分执行相应的动作。单片机发出的控制信号,传送给放大与驱动环节,由驱动电路驱动相应的执行机构,实现对手杖报警器的控制。 红外发射红外接收单片机处理部分放大驱动部分执行部分 图2.1 系统组成框图说明:为了防止紫外线进入红外传感器的收发头而带来干扰,应该在收发头前安装一个深色玻璃。2.3系统检测原理宇宙间的任何物体只要其温度超过绝对零度就能产生红外辐射,事实上同可见光一样,其辐射能够进行折射和反射,这样便产
12、生了红外技术。红外检测技术利用红外光波(又称红外线)作为载波来传送测量信号或者控制指令,如红外遥控电视开关、红外报警器、自动玻璃门、自动冲水器等。之所以采用红外光波作为控制光源,是由于红外发射器件与接受器件的发光与受光峰值波长一般为0.88um0.94um,落在近红外波段内,而且两者的光谱恰好重合,能很好的匹配,可获得较高的传输效率较高的可靠性。红外感应原理:如果有人或障碍靠近该设备,则红外光波受障碍的反射,反射回来的红光波由红外接收部分接收,然后经单片机进行处理,并做出相应的控制决策,输出相应的动作指令,控制信号经过控制信号放大与驱动环节之后驱动相应的执行机构,实现相应的报警提示功能。红外感
13、应装置是靠探测人体和障碍发射的红外线而进行工作的。探头收集外界的红外辐射通过聚集到红外感应源上面。红外感应源通常采用热释电元件,这种元件在接收了红外辐射温度发生变化时就会向外释放电荷,检测处理后发出信号。 (1)红外感应装置是以探测人体辐射为目标的。所以辐射敏感元件对波长为10m 左右的红外辐射必须敏感。 (2)为了仅仅对人体的红外辐射敏感,在它的辐射照面通常覆盖有特殊的滤光片,使环境的干扰受到明显的控制作用。 (3)一旦人到达探测区域内,人体红外辐射通过部分镜面聚焦,并被热释电元接收,但是两片热释电元接收到的热量不同,热释电也不同,不能抵消,经单片机处理而作出相应的动作。 (4)多视场的获得
14、,一是多法线小镜面组成的反光聚焦,聚光到传感器上称之为反射式光学系统。另一种是透射式光学系统,是多面组合一起的透镜 菲涅尔透镜聚焦在红外传感器上。 本设计所运用的红外检测原理为:如果有障碍靠近,则红外光波受障碍的反射,反射回来的红光波由红外接收部分接收,然后经单片机进行处理,并做出相应的控制决策,输出相应的动作指令,控制信号经过控制信号放大与驱动环节之后驱动相应的执行机构,实现相应的控制功能。第三章 系统的硬件设计3.1 系统框图 如图3.1所示,本设计主要由光电传感器、信号处理电路、AT89C51单片机、控制电路等硬件组成 。电信号由光电传感器传输过来,经过滤波、放大、整形后传送给单片机,单
15、片机接收到处理过的电信号后,发出相应的控制信号,控制信号经放大后驱动报警器工作的控制信号控制报警器进行报警。光电传感器信号处理单片机AT89C51报警器控制电路图3.1 系统框图3.2 单片机芯片介绍自单片机诞生以来的近30年中,单片机已有70多个系列、近500个机种。比较有名的有Intel公司的MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列产品。本系统中选用了51系列中的AT89C51。3.2.1 主要性能特点MCS-51系列单片机的典型产品为8051、8751、8031。它们的基本组成和基本性能都是相同的。常用的MCS-51这个术语,泛指以8051为内核的单片机。8051是ROM型单
16、片机,内部有4KB的掩膜ROM,即单片机出厂时程序已由生产厂家固化在程序存储器中;8751片内含有4KB的EPROM,用户可以把编写好的程序用开发机或编程器写入其中,需要修改时,可以先用紫外线擦除器擦除,然后再写入新的程序;8031片内没有ROM,使用时需在片外接EPROM;;AT89C51带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器。本设计采用AT89C51作为整个设计的核心部分,AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低功耗、高性能CMOS8位微处理器。具有如下资源:l
17、 兼容MCS51指令系统l 4k可反复擦写(1000次)Flash ROMl 32个双向I/O口l 可编程UARL通道l 两个16位可编程定时/计数器l 全静态操作l 1个串行中断l 128x8bit内部RAMl 两个外部中断源l 共6个中断源l 可直接驱动LEDl 3级加密位l 低功耗空闲和掉电模式3.2.2 引脚功能本设计采用的AT89C51单片机如图3-2-1。 1电源引脚: VCC:正常运行时为+5V电源VSS:电源接地端2I/O总线(1)P0.0P0.7: 图3.2 89C51引脚图P0口是一个8位双向I/O口,每位能驱动8个LS型TTL负载。在访问外部贮存器,分时进行工作,在指令前
18、半周期,P0口作为地址总线,在指令的后半周期作为数据总线。(2)P1.0P1.7:P1口是一个带有上拉电阻的8位双向I/O口,当向P1口锁存器中写入1时,P1口为输入方式。(3)P2.0P2.7:P2口也是一个带有上拉电阻的8位双向I/O口,在访问外部贮存器时,它输出高8位地址。(4)P3.0P3.7:P3口也是一个带有上拉电阻的8位双向I/O口,同时P3口还有一些特殊功能,以后将被介绍。I/O总线的使用:P0口:由于8051内部有程序存贮器,因而P0口能作为地址/数据总线,分时输出外部存贮器的低8位地址A0A7和传送数据D0D7,所有地址由地址允许锁存信号ALE锁存到内部的地址锁存器中。P1
19、口:P1口作为准双向口,它的每一位可作为输入线或输出线,用户可以把P1口的某些位作为输出线使用。另外的一些位作输入线使用。输出时,将“1”写入P1口的某一位口锁存器,则Q端上的输出场效应管T截止,该位的输出引脚由内部的拉高电路拉成高电平。输出“0”时,将“0”写入口锁存器,输出场效应管T导通,引脚输出低电平,即输出“0”。P2口:同样是由于8051内部有程序存贮器,因此P2口能作为外部设备的输入/输出口。一般情况下P2口只能作为系统扩展的高8位地址总线口。CPU访问外部程序存贮器时,P2口输出程序存贮器的地址A8A15,该地址来源于内部的程序计数器PC的高8位 。P3口:P3口为多功能口,它的
20、第一功能为准双向口,其特性和P0口相似,第二功能为特殊输入/输出线,其定义如下表所示:表3.1 P0口引脚第二功能表引脚 第二功能引脚 第二功能P3.0 RXD(串行输入线) P3.4 T0(定时器T0外部输入线)P3.1 TXD(串行输出线)P3.5 T1(定时器T1外部输入线)P3.2 /INT0(外部中断0输入线)P3.6 /WR(外部数据存贮器写脉冲输入线)P3.3 /INT1(外部中断1输入线)P3.7 /RD(外部数据存贮器写脉冲输入线)3.2.3 中断及定时1中断:中断是工业过程控制及智能仪器用微型机或单片机应用最多的一种数据传送方式。所谓中断就是由于外部或内部事件而改变原来CP
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