基于TMS320F28027的太陽能多功能智能導(dǎo)盲杖研究

1、基于TMS320F28027的太陽能多功能智能導(dǎo)盲杖研究 技術(shù)與方法 1,*23456, 30 7,2/0 基于!"#$%&% &% 的太陽能多功能智能導(dǎo)盲杖研究 郭燕瓊 張建軍 王志敏 張彥潮 ! ! ! 西安石油大學(xué) 電子信息工程學(xué)院 陜西 西安 " E"A ! ;"%F A 武警北京指揮學(xué)院培訓(xùn)中心G 北京 "%"2H ! ! " 摘 要 設(shè)計(jì)了一款基于 *546 79 :7 ; 的太陽能多功能智能導(dǎo)盲杖 由太陽能電源管理器 帶溫 " " " " # 度補(bǔ)償?shù)男滦?/p>

2、超聲波探測器 數(shù)碼管顯示 振動(dòng)電路 語音音頻電路 3 指示以及鍵盤等模塊組成 簡易裝置完成后 經(jīng)測試達(dá)到滿意的效果 該智能導(dǎo)盲杖節(jié)能 方便 性價(jià)比高 易于產(chǎn)品化和市場化 ! $ % ! ! $ 關(guān)鍵詞 導(dǎo)盲杖 語音 溫度補(bǔ)償 新型超聲波 ! &*546 79 :7 ; & & & 中圖分類號(hào)! *IJ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼! K 文章編號(hào)! "F;&L; 7M 7 H7 877; 876 LXU-ZO PV-. YQPOZ /W *5462792:72; 2 M A4.S/0 /T 0O.VR/W-. QWZ +WT/R QV-/W WX-WOOR-WX

3、 !b- "QW cW-dORP-Ve /T ,OVR/0OU G b- "QW ; 77F !1S-WQ $ AIO-a-WX KR OZ ,/0-.O 1/ QWZ 1/00OXO *RQ-W-WX 1OWVORG IO-a-WX 777 !1S-WQH $%& * ! *S-P fQfOR -WVR/ZU.OZ Q ZOP-XW /T U0V-LTUW.V-/WQ0 -WVO00-XOWV Y0-WZLXU-ZO PV-. YQPOZ /W *5462%92:%2;A +V -P ./W# d/-.O .-R.U-VG 3 .-R.U-V QWZ OeY/QR

4、ZA *OPV-WX QTVOR VSO OQPe LZOd-.O SQdO ./ f0OVOZG VSO ROPU0V -P PQV-PT-OZ A*SO PePVO -P OWOR# XeLPQd-WXG ./WdOW-OW.O QWZ ./PVLOTTO.V-dOA +V -P OQPe V/ X/ V/ fR/ZU.V-/W QWZ QROV-hQV-/WA +,- ./ 0& ! Y0-WZLXU-ZO PV-. $*5462%92:%2; $d/-.O $VO fORQVURO ./ fOWPQV-/W $WOg U0VRQP/W-. ! " 國內(nèi)外現(xiàn)有的導(dǎo)盲杖一

5、般僅有障礙檢測和語音播 巧 實(shí)用性強(qiáng) 報(bào)功能!且價(jià)格昂貴!"# " 美國產(chǎn)品在 $% !&% 美元左右! ! 總體設(shè)計(jì)方案及原理 " 英國達(dá)到 % 英鎊 日本最新研發(fā)的能感知人臉高度的 !"! 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 電子導(dǎo)盲杖 能夠感應(yīng)到前方 臉部高度處的障礙 ! 本設(shè)計(jì)以*+ 公司的,-./0/ 系列12777 341 *546278 物 但是它使用了兩個(gè)超聲波感應(yīng)器 耗材成本高 一般 ! ! ! 92:72; 為主控制器" *5462792:72; 芯片內(nèi)置 ?: 電壓 用戶難于承受!且功能較單一" 調(diào)整器 可實(shí)現(xiàn) 單電源供電 功

6、耗低 采用 ! 6A$ ! $ ,B9,8 本文設(shè)計(jì)了一款人性化更強(qiáng) 功能更多 性價(jià)比更 # # ! ! $ &: 小型封裝 內(nèi)部集成 2 個(gè)振蕩器 精度高達(dá) "C 其高 " ! 高的智能導(dǎo)盲杖 該裝置使用太陽能供電 不用頻繁更 精度 ,D5 資源以及豐富的片內(nèi)存儲(chǔ)寄存器和串口通信 $ 換電池 選擇 *+ 公司的,-./0/ 系列 12% 341 *546 78 接口 大大優(yōu)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主要由太陽能電源 ! " 微處理器作為控制器 其高效的計(jì)算能力 快速 92:72; ! # # # 位數(shù)碼管顯 # 管理器 超聲波探測模塊 : 示驅(qū)動(dòng)電路 語 !

7、中斷響應(yīng)與處理能力以及低功耗的特點(diǎn) 增加了導(dǎo)盲杖 音音頻電路# 高亮 3 燈模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成" 的可靠性 僅需少量外圍器件就能實(shí)現(xiàn)控制電路的設(shè) ! 圖 為系統(tǒng)總體控制框圖" 計(jì) 帶溫度補(bǔ)償?shù)男滦统暡ìF(xiàn)代控制方法! 2# 克服了 $ ! !"# 超聲波測距原理 ! " 傳統(tǒng)超聲波電路的不足 使距離探測靈敏精確 另外還 超聲波傳播速度慢 指向性強(qiáng) 能級(jí)消耗緩慢 對(duì)色 ! ! ! 增加了一些小功能 如語音報(bào)時(shí) 鬧鐘設(shè)置 高亮 ! # # 3 彩 光照度不敏感 同時(shí)超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單 體積 # ! # # ! ! 燈 數(shù)碼管顯示等 功能雖小 卻給視覺障

8、礙者的生活帶 # # ! ! 小 費(fèi)用低 信息處理簡單可靠 易于小型化與集成化 !$# ! ! ! 來很多方便 既可以認(rèn)路導(dǎo)航 也豐富了生活 構(gòu)思精 并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制 " 超聲波測距的方法為回聲探 ;6 技術(shù)與方法 $%& *+% , - .%/0- 太陽能電源管理器 鍵盤 振動(dòng)模塊 顯 & 示 . 位 + 驅(qū) , 數(shù) & 動(dòng) + 碼 #$% - 電 , 管 照明模塊 + * 路 語音 功放 合成模塊 超聲波探測模塊 圖 超聲波發(fā)送電路原理圖 揚(yáng)聲器 1 圖 系統(tǒng)總體控制框圖 " ! ! 測法 發(fā)射換能器不斷發(fā)射聲波脈沖 聲 波遇到障礙物后反射回

9、來被接收換能器 接收 超聲波接收器收到反射波即停止計(jì) ! 時(shí)" 根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間就可以計(jì)算出 發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 距離與聲速 時(shí) ! # 間的關(guān)系表示為$ " ! / "# % " & 0 式中! 為與障礙物間的距離 為聲速 ! " # 為第一個(gè)回聲波到達(dá)的時(shí)刻與發(fā)射脈沖時(shí)刻的時(shí)間差" 圖 超聲波接收電路原理圖 ! 與溫度有關(guān) 空氣中聲速與溫度的關(guān)系為 " ! $ 本設(shè)計(jì)中超聲波發(fā)射電路巧妙地利用了 010 的 ! 4!"# 256 " /11"2!3 /*52!4,26! %+

10、& ! +*.256 電平轉(zhuǎn)換功能! 將 ?: 口的電壓轉(zhuǎn)換成發(fā)射超聲波所 需的電壓 提高了發(fā)射超聲波的能量 增加了超聲波的 式中 為環(huán)境溫度 可見 超聲波測距根據(jù)環(huán)境溫度的 ! ! ! " ! " 的 口連接到三 " ! 探測距離 利用 10,-0&,0. ?: 極管 不同會(huì)存在一定的誤差 因此為了讓測距更加精確 需 7! !38 !用來控制 的電源 對(duì) 的功耗進(jìn)行了管 要加入溫度補(bǔ)償電路 " A5 010 ! 010 理 當(dāng)不需要發(fā)射超聲波時(shí) 將 的電源關(guān)閉 降低 ! ! ! ! 主要硬件電路設(shè)計(jì) 010 ! " ! !&q

11、uot;# 太陽能電源管理器 系統(tǒng)功耗 延長電池的使用時(shí)間 但是需要注意的是 在 768 010 上電后和發(fā)射超聲波之前需要增加一個(gè)小小的 太陽能電源管理器 主要由太陽能電池板#9: 延時(shí) 以便 的電容能夠充電到所需的電壓 電路#鎳氫蓄電池組成" 產(chǎn)生的直流電由 10,-0&,0. ! 010 " 統(tǒng)一管理 白天將電量存儲(chǔ)到鎳氫蓄電池中并供給導(dǎo)盲 超聲波的接收電路采用 !65 雙運(yùn)放和 BC3!6. ! 構(gòu)成的程控運(yùn)算放大器 將接收到的超聲波信號(hào)放大后 ! ! ! 杖使用 當(dāng)檢測電壓大于 3 ; 時(shí)停止充電 以便保護(hù)蓄 ! ! 電池 ! 圖 0 所示為太陽 能電源管

12、理器框圖 " 由于 再經(jīng)過 # ;115 比較器進(jìn)入控制器 經(jīng)過數(shù)字濾波 最 和語音芯片都是 供電 所以需要將 后計(jì)算得到障礙物的距離" 傳統(tǒng)的接收電路運(yùn)放的放大 ! 10,-0&,0. 121 ; 倍數(shù)是固定的768 若放大器的倍數(shù)設(shè)計(jì)的比較大 當(dāng)障 鎳氫電池輸出的 3 ; 電壓轉(zhuǎn)換為121 ; 電壓" ! ! ! ! 礙物很近的時(shí)候 反射的回波強(qiáng)度比較大 造成運(yùn)算放 太陽能 9: 鎳氫 3 ; 其他功能模塊 電池 電路 蓄電池 供電 大器飽和!無法測得準(zhǔn)確的距離 若放大器的倍數(shù)設(shè)計(jì) 3 ; 的比較小 當(dāng)障礙物距離較近的時(shí)候雖然可以測得距 ! 121 ;

13、 121 ; ! ! 1+,-+&,+. 電源轉(zhuǎn)換 語音模塊 離 但是隨著障礙物距離增加 反射的回波強(qiáng)度越來越 最后不能測得較遠(yuǎn)距離的障礙物 本設(shè)計(jì)通過 小 ! " 圖+ 太陽能電源管理器框圖 控制改變放大器的增益 非常好地解決 ! 1+,-+&,+. !"! 帶溫度補(bǔ)償?shù)男滦统暡ㄌ綔y電路 " $ 了這一矛盾 該電路的工作過程是 準(zhǔn)備發(fā)射超聲波之 由 節(jié)分析可知 超聲波的傳播速度會(huì)因?yàn)榄h(huán)境 ! "20 前 先將接收電路的放大器增益設(shè)置為最小 發(fā)射超聲 ! ! ! 的溫度變化而出現(xiàn)誤差 對(duì)于超聲波測距精度要求達(dá)到 ! 波之后開始計(jì)時(shí) 隨著

14、時(shí)間的流逝逐步增加接收電路的 時(shí) 就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去 " ! " " ! 放大器增益 若障礙物離的很近 反射回來的回波強(qiáng)度 圖 1 # 圖! 分別為超聲波發(fā)送電路和超聲波接收電路" 大 但是這時(shí)的運(yùn)放增益卻是最低的 保證了近距離障 ! ! .! 技術(shù)與方法 *+,-. /+0 1 2*30 ! " " 礙物測量時(shí)電路工作正常 若障礙物離的較遠(yuǎn) 隨著時(shí) 定時(shí)器 主要用于產(chǎn)生超聲波脈沖信號(hào) 設(shè)定每 秒發(fā) % ! 間的增加 超聲波衰減越來越多 但是運(yùn)放的增益卻是 " " 一次超聲波 并且在此中斷中完成時(shí)

15、鐘的刷新 超聲波 " " " " 逐漸增加 對(duì)超聲波信號(hào)的衰減起到彌補(bǔ)的作用 保證 " 接收電路將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào) 經(jīng)處理 了遠(yuǎn)距離障礙物測量時(shí)電路工作正常# 電路輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖?quot;作為外部中斷請求信 設(shè)計(jì)中還增加了溫度傳感器 " 隨時(shí)采集環(huán)境 號(hào) 送至 中處理 定時(shí)器 主要利用其計(jì)數(shù)功能記 " # !"#$% 28 ! 溫度 " 采用分段線性化的方法計(jì)算各溫度下聲波的速 " 錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間 在啟動(dòng)發(fā)射 度 最大限度地提高了測量精度 如果溫度

16、傳感器出現(xiàn) " # 電路的同時(shí)啟動(dòng) 內(nèi)部的定時(shí)器 利用定時(shí)器的計(jì) " 28 故障 系統(tǒng)將采用 下的聲速進(jìn)行計(jì)算 提高了系統(tǒng) " " # & ! 數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間 當(dāng) 的可靠性# 收到超聲波反射波時(shí)" 產(chǎn)生一個(gè)中斷請求信號(hào)"28 響 !"# 其他部分硬件設(shè)計(jì) 應(yīng)外部中斷請求 執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序 讀取時(shí)間 " " 語音音頻驅(qū)動(dòng)電路使用型號(hào)為 *+,-* +. 的語 " # 差 計(jì)算距離 其外 入口 音芯片來合成語音輸出# *+,-* +. 通過串口接收 部中斷

17、服務(wù)子程序 開始 上位機(jī)發(fā)送的命令和數(shù)據(jù) 以幀的方式進(jìn)行封裝和發(fā) " 和定時(shí)器中斷服務(wù) C ! T 時(shí)間到& " # 送 連接簡單 子程序流程如圖 A 中斷標(biāo)志復(fù)位 J " 數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)獨(dú)立的可插式模塊 電 所示# 發(fā)送超聲波 路中使用 擴(kuò)展 端口 只需要 個(gè) 口 置障礙物標(biāo)志位 /0123 456 " , 7846 #"# 按鍵處理程序 LKMMNHMOPQKRS! # 即可擴(kuò)展 個(gè)數(shù)碼管 數(shù)碼管高 位用于顯示障礙物的 重載 " 0 系統(tǒng)中設(shè)置 , ;NEHM% 距離"低 0 位是時(shí)鐘模式# 個(gè)按鍵 $

18、 6.B 鍵 % 計(jì)算障礙物距離 開外部中斷 # 軟件設(shè)計(jì) 8 鍵和 .6 C 鍵 # #"$ 總體設(shè)計(jì)思路 其中 6.B 鍵用于 返回 秒 分鐘 小時(shí)刷新 % % 圖 所示為主程序設(shè)計(jì)流程圖 軟件實(shí)現(xiàn)的功能包 數(shù)碼管模式控制 共 9K: 外部 " D 中斷流程 返回 括$ 有 0 種模式$EFGH % $顯 定時(shí)器 中斷流程 電源管理 實(shí)現(xiàn)對(duì) 電路的開關(guān)控制 完成 示北京時(shí)間! $北 9L: % " " 9-: #66+; EFGH - 圖 中斷服務(wù)子程序流程 " ! 京時(shí)間分鐘修改模式 ! A 電路電壓的采集 保護(hù)蓄電池 " &q

19、uot; $北京時(shí)間小時(shí)修改模式! $ 鬧鐘設(shè)置和修 9$: 控制超聲波的發(fā)送與接收 對(duì)環(huán)境溫度實(shí)時(shí)采集 EFGH & EFGH , 改模式 鍵在 下 按下時(shí)語音讀出當(dāng)前實(shí)時(shí)北 完成障礙物距離計(jì)算和溫度補(bǔ)償! # 8 EFGH% " " ! 合成語音提 % % % % 京時(shí)間 在其他模式下均用于小時(shí)的修改 鍵在 9,: 示 遇障提醒 整點(diǎn)報(bào)時(shí) 按鍵控制 .6 C % # 實(shí)時(shí)北京時(shí)間播報(bào)等! 和 下用于分鐘修改 圖 所示為按 EFGH- EFGH& EFGH, / 時(shí)間和鬧鐘模式 按鍵和語音結(jié)合可調(diào) 鍵掃描流程圖# 90: " ! 控制電機(jī)的 &q

20、uot; # 9:8 轉(zhuǎn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)振動(dòng)提示功能 開始 系統(tǒng)初始化 % 顯示刷新 按鍵掃描 數(shù)碼管 % 信號(hào)采集 電源管理程序 C I+&,& 停止工作" 是否有超聲波信號(hào)返回& 不發(fā)送超聲波 J 工作 開始發(fā)送超聲波 " I+&,& 圖 按鍵掃描框圖 / 調(diào)用超聲波測距程序 調(diào)用溫度補(bǔ)償程序 % & 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果 本設(shè)計(jì)中描述的多功能導(dǎo)盲杖 合成語音輸出% 振動(dòng)提示 的簡易裝置如圖 " 所示# 圖 主程序設(shè)計(jì)流程圖 &%$ 障礙物距離測試 圖 " 導(dǎo)盲杖控制器 #%! 超聲波發(fā)送接收程序 改變障礙物距離 " 測試結(jié)果如 簡易裝置圖 ; +,$% $"%$/ 定時(shí)器控制發(fā)出 0% 1? 的脈沖信號(hào)# 表- 所示# / 技術(shù)與方法 $%& *+% , - .%/0- 距 設(shè)計(jì)出一款節(jié)能環(huán)保 探測精度高 靈敏度高 穩(wěn)定 " # #