[20]?？偠灾S著人們科技的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，生活方式的現(xiàn)代化，電子導(dǎo)盲儀正在逐漸的走進(jìn)盲人的生活當(dāng)中，它們即增強(qiáng)了盲人的行走能力，又提高了盲人的生活質(zhì)量，是盲人日常生活的安全保障，相信在未來會成為盲人生活的必需品之一，電子導(dǎo)盲儀的研究具有實(shí)際價(jià)值和意義。1.3項(xiàng)目的主要任務(wù)本文擬設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的智能語音導(dǎo)盲儀，希望能夠給盲人帶來良好的體驗(yàn)，使其在日常出行的時(shí)候盡可能地安全穩(wěn)定，從而增加盲人出行的頻率。從完備高效、價(jià)格親民的角度出發(fā)，通過對單片機(jī)的各種調(diào)試制作出一個(gè)較為合理的智能輔助設(shè)備。硬件設(shè)計(jì)部分要求：通過設(shè)想的項(xiàng)目功能需求，合理選擇元器件和各功能模塊。根據(jù)各個(gè)模塊的特性，合理設(shè)計(jì)好電路。使用EDA繪制原理圖、元器件封裝、制作PCB、配置ROM表。焊接各元器件，保證焊接牢固，整個(gè)系統(tǒng)工作正常。軟件設(shè)計(jì)部分要求：理解底層代碼，并用系統(tǒng)自帶的文件庫簡化程序。合理編寫程序代碼，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基本功能。獲取相應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)。對超聲波測距的精準(zhǔn)度進(jìn)行測試。對各模塊的程序進(jìn)行整合并對程序進(jìn)行調(diào)試。2硬件部分2.1總體方案設(shè)計(jì)圖2-1系統(tǒng)總體框圖設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)部分總體方案的框架如圖2-1所示。系統(tǒng)采用顯示模塊、超聲波模塊、光敏電阻模塊、照明模塊、蜂鳴器模塊、語音模塊。電源采用外部5V供電，由電源模塊進(jìn)行穩(wěn)壓后輸出到后級給單片機(jī)與各模塊供電，系統(tǒng)使用STM32F103C8T6單片機(jī)及其外圍電路組成的最小系統(tǒng)作為主要控制單元，與各模塊進(jìn)行連接通信處理數(shù)據(jù)。2.2主控單片機(jī)2.2.1STM32系列單片機(jī)STM32系列的單片機(jī)是ARM公司研發(fā)的，它基于ARMCortex-M的核心，是一個(gè)功能極為強(qiáng)大的32位微控制器。它具有豐富的外圍接口，可以滿足嵌入式系統(tǒng)中各種復(fù)雜需求，并可提供多種擴(kuò)展能力。目前國內(nèi)市場上已經(jīng)出現(xiàn)了許多針對各種應(yīng)用領(lǐng)域的嵌入式處理器。該公司的核心產(chǎn)品包括STM32F0、STM32F1以及STM32F3；STM32L0、STM32L1、STM32L4和STM32L4+都是超低能耗的產(chǎn)品；STM32F2、STM32F4、STM32F7和STM32H7都是性能出色的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品都是目前國內(nèi)市場上最常見的應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的高性能微控制器。STM32F103系列的單片機(jī)使用了32位的Cortex-M3內(nèi)核技術(shù)，其CPU的最高運(yùn)行速度可以達(dá)到72MHz。這一系列產(chǎn)品配備了16KB~1MBFlash、多樣的控制外設(shè)、USB全速接口以及CAN。其高度的集成性、出色的可靠性、豐富的指令系統(tǒng)、低能耗、串口編程功能，并且價(jià)格非常親民。其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力使其成為一款高性能且價(jià)格低廉的通用計(jì)算芯片，廣泛用于工業(yè)自動化設(shè)備及消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。根據(jù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，STM32單片機(jī)不僅功耗相對較低，而且在處理運(yùn)算速度、浮點(diǎn)運(yùn)算和需要復(fù)雜運(yùn)算的環(huán)境中，其性能明顯優(yōu)于MSP430和CS1系列單片機(jī)4044。鑒于STM32F103系列單片機(jī)具有多方面的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能和性能需求，采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為核心處理器。圖2-2為該單片機(jī)實(shí)物圖。圖2-2STM32F103C8T6單片機(jī)實(shí)物圖2.2.2主控單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖2-3STM32F103C8T6最小系統(tǒng)電路圖圖2-3為STM32F103C8T6最小系統(tǒng)電路。該芯片是一款由STMicroelectronics(法半導(dǎo)體)公司生產(chǎn)的基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位微控制器。它具備豐富的外設(shè)和強(qiáng)大的計(jì)算能力，適用于各種嵌入式應(yīng)用場景。它采用了ARMCortex-M3內(nèi)核，具有高性能和低功耗的特點(diǎn)。主頻為72MHz，能夠處理復(fù)雜的算法和任務(wù)。內(nèi)置了64KB的Flash存儲器和20KB的SRAM。Flash存儲器用于存儲程序代碼和常量數(shù)據(jù)，SRAM用于存儲變量和臨時(shí)數(shù)據(jù)。此外，還提供了多個(gè)外設(shè)接口，包括通用輸入輸出口(GPIO)、串行通信接口(SPI/I2C/USART)、定時(shí)器(Timer)、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)等。這些接口可以連接外部傳感器、執(zhí)行器和其他外部設(shè)備。同時(shí)，還內(nèi)置了多個(gè)時(shí)鐘源，包括高速外部晶體振蕩器(HSE)和內(nèi)部低速振蕩器(LSI)。通過配置時(shí)鐘系統(tǒng)，可以為不同的外設(shè)提供合適的時(shí)鐘頻率。此外，還支持多種電源管理模式，包括運(yùn)行模式、睡眠模式和停止模式。根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的模式，以實(shí)現(xiàn)最佳的功耗控制。最后，提供了調(diào)試和編程接口，可以通過JTAG或SWD接口進(jìn)行調(diào)試和燒錄程序。2.3顯示模塊2.3.1SSD1306顯示屏本設(shè)計(jì)選取了0.96寸OLED(有機(jī)發(fā)光二極管)顯示屏SSD1306作為顯示模塊。該顯示屏用于顯示超聲波模塊進(jìn)行測量距離時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，從而能夠更好地更改所需要設(shè)置到的內(nèi)容。圖2-4為SSD1306顯示屏實(shí)物圖。圖2-4SSD1306實(shí)物圖OLED器件的核心層非常薄，沒有視角限制，具有很強(qiáng)的抗震能力，能夠抵抗低溫。所以它在軍事上有著廣泛的應(yīng)用前景和巨大的市場價(jià)值。OLED是基于有機(jī)發(fā)光原理設(shè)計(jì)的，它使用了能夠自我發(fā)光的二極管，因此無需依賴其他光源。此外，這種發(fā)光二極管擁有出色的發(fā)光轉(zhuǎn)換能力和低能耗，它是一種可彎曲的彈性材料。OLED顯示屏制作所需的材料相對較少，這也導(dǎo)致了其制造成本的相對降低。2.3.2顯示模塊電路本設(shè)計(jì)的顯示模塊SSD1306電路如圖2-5所示，SSD1306顯示屏共有四個(gè)引腳，GND接地，VCC連接3.3V的電源，OLED_SDA是數(shù)據(jù)信號，OLED_SCL是時(shí)鐘信號。兩路信號線與主控進(jìn)行連接通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示。圖2-5SSD1306電路圖2.4超聲波模塊2.4.1HC-SR04超聲波模塊為了使電路更為簡潔，我們直接使用了集成的HC-SR04超聲波測距模塊。它是一種利用壓電陶瓷產(chǎn)生高頻電壓激勵(lì)探頭發(fā)射超聲并接收反射回波信號來完成遠(yuǎn)距離探測功能的傳感器。這個(gè)模塊不僅價(jià)格親民，而且性能非常穩(wěn)定，其內(nèi)部主要由超聲波發(fā)射器、接收器和控制器組成。通過對傳感器輸出的模擬量進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再經(jīng)處理得到相應(yīng)的控制命令和數(shù)據(jù)信息發(fā)送給單片機(jī)系統(tǒng)，從而完成整個(gè)測距過程。這個(gè)模塊能夠進(jìn)行2cm至400cm的距離測定，其測距的精確度可以達(dá)到3mm，并且可以測量15度的角度。只需發(fā)送10μs的TIL脈沖信號，模塊便會啟動并開始工作。另外該模塊還具有低功耗功能，其核心部分由兩個(gè)獨(dú)立的微電機(jī)驅(qū)動芯片組成。這個(gè)測距模塊的工作電壓范圍是4.5-5.5V，它的最大功率消耗是20mA，而其諧振的頻率達(dá)到了40kHz。當(dāng)探測到物體時(shí)，傳感器將檢測出相應(yīng)的數(shù)據(jù)并傳送給控制器，由控制器控制步進(jìn)電機(jī)帶動超聲換能器旋轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)位置和大小進(jìn)行精確測定。這個(gè)模塊采用了分體式探頭設(shè)計(jì)，其中一個(gè)負(fù)責(zé)發(fā)射，另一個(gè)負(fù)責(zé)接收。因此，與一體式探頭相比，它的測量盲區(qū)顯著減小，圖2-6為HC-SR04實(shí)物圖。圖2-6HC-SR04實(shí)物圖HC-SR04超聲波測距模塊由四個(gè)不同的引腳組成，它們是VCC、CND、TRIG以及ECHO。其中，前三個(gè)引腳均采用了集成電路技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，后一個(gè)引腳則是在原來電路基礎(chǔ)上增加一個(gè)電阻電容來實(shí)現(xiàn)的。VCC與5V電源相連，而VDD則與地面連接，單片機(jī)會通過控制TRIG和ECHO兩個(gè)端口來實(shí)現(xiàn)距離測量。工作的主要步驟如下：當(dāng)控制單元，也就是單片機(jī)，向TRIG接口輸入超過10us的高電平信號時(shí)，模塊內(nèi)的控制單元會自動產(chǎn)生8個(gè)40kHz的脈沖。此時(shí)，超聲波發(fā)射器也就開始啟動了。接下來，超聲波探測器將產(chǎn)生超聲波信號，幾乎在同一時(shí)間內(nèi)，輸出引腳ECHO的信號將會轉(zhuǎn)為高電平狀態(tài)。此時(shí)，由于距離較遠(yuǎn)，超聲波回波也比較弱。當(dāng)超聲波信號被障礙物反射并被超聲模塊捕獲后，經(jīng)過模塊的內(nèi)部處理，回響ECHO引腳的電平信號將會轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?。這時(shí)通過檢測超聲波發(fā)射器與接收器之間的電壓差就能得到聲波的頻率和波速，從而計(jì)算出所需要傳送的距離。ECHO引腳產(chǎn)生的高電平信號的持續(xù)時(shí)間與超聲波在空氣中的傳播時(shí)間1是一致的。利用此原理，我們便可計(jì)算出傳感器和障礙物之間的距離。一旦了解到超聲波的傳播時(shí)間，我們可以利用溫度傳感器來計(jì)算當(dāng)前環(huán)境下超聲波的傳播速度，并根據(jù)渡越時(shí)間法的測距公式來確定探頭與障礙物之間的實(shí)際距離。2.4.2超聲波模塊電路本設(shè)計(jì)采用了三個(gè)HC-SR04超聲波模塊，U2、U3、U4分對應(yīng)左前方、正前方、右前方，圖2-7為HC-SR04電路圖。該模塊的ECHO通過主控的三路定時(shí)器進(jìn)行輸入捕獲讀取，根據(jù)電平信號的時(shí)間來檢測距離。在OLED顯示屏里分別用L、M、R代表對應(yīng)方向的超聲波模塊，然后可在顯示屏里看見對應(yīng)方向超聲波模塊探測的距離。圖2-7HC-SR04電路圖2.5光敏電阻模塊2.5.1光敏電阻模塊在此設(shè)計(jì)中，我們選擇了光敏電阻模塊進(jìn)行設(shè)置，此模塊主要用于測量周邊環(huán)境中的光線亮度，并激活單片機(jī)或繼電器模塊等功能。其電路簡單可靠。采用寬電壓的LM393比較器，可以確保信號純凈，波形清晰，驅(qū)動性能出色，其電壓超出15mA。用二極管作光源時(shí)發(fā)光穩(wěn)定且壽命長。配備了可調(diào)節(jié)的電位器，可以調(diào)整檢測到的光線亮度。該模塊采用了光-電轉(zhuǎn)換技術(shù)，將光源轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大后送至微控制器進(jìn)行處理和顯示，并通過鍵盤控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)自動控制功能。當(dāng)被測物體受到光照射時(shí)，會引起電流變化，即通過光敏電阻上的電壓發(fā)生變化。隨著光照強(qiáng)度的增加，電阻值迅速下降。當(dāng)光源亮度增加時(shí)，光能轉(zhuǎn)化為電能。在沒有光線的情況下，它幾乎進(jìn)入了高阻狀態(tài)，并且暗電阻非常大。圖2-8為光敏電阻模塊實(shí)物圖。圖2-8光敏電阻模塊實(shí)物圖2.5.2光敏電阻模塊電路圖2-9為光敏電阻模塊電路，該模塊有四路輸出引腳，除電源引腳外本系統(tǒng)僅使用到了模塊的數(shù)字輸出接口DO，當(dāng)光線到達(dá)設(shè)定閾值后DO引腳將輸出相應(yīng)的電平信號，進(jìn)而由主控進(jìn)行識別并判斷是否開啟照明燈，同時(shí)還可通過調(diào)節(jié)模塊上的電位器可調(diào)節(jié)光線識別的靈敏度。圖2-9光敏電阻模塊電路圖2.6照明模塊2.6.1照明模塊照明模塊采用封裝為0805的貼片LED白燈，圖2-10為其實(shí)物圖。該LED支持功率最高80mW，正向電壓為2.8-3V，發(fā)光強(qiáng)度可達(dá)276mcd。該模塊采用的限流電阻阻值為160Ω，電源供電為3.3V，可使LED以較高的功率工作，保證光源明亮。該模塊由主控控制照明LED燈點(diǎn)亮和熄滅。圖2-100805貼片燈實(shí)物圖2.6.2LED照明模塊電路圖2-12為LED照明模塊電路，系統(tǒng)采用了貼片0805白光LED燈，其體積小巧、亮度高，其陰極接地，陽極串接160Ω限流電阻后由主控IO進(jìn)行控制，當(dāng)輸出為高電平時(shí)LED點(diǎn)亮，反之熄滅。圖2-11LED照明模塊電路圖2.7蜂鳴器模塊2.7.1蜂鳴器模塊本設(shè)計(jì)使用的是有源蜂鳴器，低電平觸發(fā)，圖2-12為其實(shí)物圖。這是一款配備了內(nèi)部驅(qū)動電路的蜂鳴器。該蜂鳴器還包括一控制電路和一無源蜂鳴器。僅需輸入一個(gè)電平信號，它便能產(chǎn)生特定頻率的聲響。通常情況下，有源蜂鳴器配備了兩個(gè)引腳，其中一個(gè)用于與電源進(jìn)行連接，而另一個(gè)則是用于與控制信號建立連接。當(dāng)控制信號為低電平時(shí)，蜂鳴器發(fā)出聲音；當(dāng)控制信號為高電平時(shí)，蜂鳴器停止發(fā)聲。有源蜂鳴器具有驅(qū)動電路，因此其工作電壓范圍比無源蜂鳴器寬，可以直接連接到數(shù)字電路或微控制器的IO口上使用。圖2-12有源蜂鳴器實(shí)物圖2.7.2蜂鳴器模塊電路蜂鳴器的電路如圖2-13所示，由于主控IO的驅(qū)動能力較弱，固有源蜂鳴器采用一個(gè)PNP型三極管S8550進(jìn)行驅(qū)動，基極電阻阻值為1KΩ，當(dāng)BEEP輸出為低電平時(shí)Q1管打開，即蜂鳴器通電蜂鳴。圖2-13蜂鳴器模塊電路圖2.8語音模塊2.8.1SU-03T語音模塊本設(shè)計(jì)使用的是SU-03T，圖2-14是其實(shí)物圖。SU-03T代表了一種低成本、低能耗且體積小巧的離線語音識別模塊，它可以迅速地被用于需要語音控制的智能家居、各種智能小家電、玩具和燈具等產(chǎn)品中。圖2-14SU-03T實(shí)物圖2.8.2語音模塊電路圖2-15為語音模塊電路，語音模塊電路除模塊自身外還引出了測試點(diǎn)、麥克風(fēng)、喇叭、串口下載引腳。模塊可通過下載引腳進(jìn)行固件燒錄，燒錄完成后將串口通信測試點(diǎn)短接即可實(shí)現(xiàn)模塊與單片機(jī)的通信。模塊和單片機(jī)之間串口通信方式，可進(jìn)行雙向通信，使用該模塊實(shí)現(xiàn)模塊接收語音指令發(fā)送至STM32單片機(jī)進(jìn)行控制和單片機(jī)發(fā)送16進(jìn)制數(shù)據(jù)包到語音模塊進(jìn)行語音播報(bào)等功能。圖2-15語音模塊電路圖2.9電源模塊2.9.1電源模塊本設(shè)計(jì)采用了AMS1117-3.3線性穩(wěn)壓芯片，圖2-16為其實(shí)物圖。AMS1117-3.3是一款輸出電壓為3.3V的正向低壓差穩(wěn)壓器，適用于高效線性穩(wěn)壓器、開關(guān)電源穩(wěn)壓器、電池充電器、有源小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口端子、筆記本電腦供電儀器的電源管理電池。由于系統(tǒng)整體工作電流較低，且外部輸入電源為5V，二者壓差較小，固采用線性穩(wěn)壓AMS1117-3.3可實(shí)現(xiàn)高效、低發(fā)熱、低紋波的電壓輸出。圖2-16AMS1117-3.3實(shí)物圖2.9.2電源模塊電路圖2-17為電源模塊電路，該電路由TYPE-C電源接口、自鎖開關(guān)、線性穩(wěn)壓芯片和濾波電容組成。5V電源從TYPE-C接口輸入，為控制電源通斷加入一個(gè)自鎖開關(guān)，可控制5V電源的通斷。AMS1117-3.3的5V電源輸入處并聯(lián)一顆47uF電解電容和一顆0.1uF瓷片電容進(jìn)行濾波，可有效濾波高頻干擾，電源靠近輸出位置同樣采用47uF的電解電容進(jìn)行去耦。圖2-17電源模塊電路圖3軟件部分在軟件部分中，使用keil開發(fā)系統(tǒng)編寫代碼并進(jìn)行調(diào)試。程序流程圖的設(shè)計(jì)可以幫助設(shè)計(jì)者編寫代碼時(shí)思路更加清晰，并直觀具體地將系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的詳細(xì)情況一一展現(xiàn)出來。在繪制程序流程圖前先了解各模塊的具體功能，并據(jù)此分別對每個(gè)模塊進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和代碼編寫與調(diào)試，再通過調(diào)用以實(shí)現(xiàn)完整的程序流程。各個(gè)模塊之間都具有一定的聯(lián)系，比如顯示模塊需要超聲波模塊測量到的障礙物數(shù)據(jù)并將其顯示在OLED顯示屏上。3.1主程序設(shè)計(jì)圖3-1主程序設(shè)計(jì)流程圖圖3-1為主程序設(shè)計(jì)流程圖，主控單片機(jī)STM32F103C8T6將對各模塊進(jìn)行初始化，OLED屏幕顯示開機(jī)界面后進(jìn)入模塊程序循環(huán)運(yùn)行。通過超聲波獲取距離數(shù)據(jù)，在OLED屏幕上顯示，語音指令可控制單片機(jī)通過蜂鳴器報(bào)警和語音報(bào)警提醒，光敏電阻模塊檢測光照環(huán)境，若處于黑暗環(huán)境則開啟照明燈提醒路人。3.2照明控制程序設(shè)計(jì)圖3-2照明控制程序設(shè)計(jì)流程圖圖3-2為照明程序設(shè)計(jì)流程圖，當(dāng)光敏電阻模塊檢測到當(dāng)前環(huán)境為明亮?xí)r即刻關(guān)閉照明燈。由于模塊輸入為數(shù)字信號，當(dāng)光線處于設(shè)定值臨界時(shí)容易產(chǎn)生抖動，造成照明模塊閃爍，固加入延時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行延遲判斷。當(dāng)檢測到黑暗環(huán)境信號時(shí)，延時(shí)計(jì)數(shù)器led_cnt增加，到計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值達(dá)到設(shè)定值后才打開照明燈，若過程檢測到明亮信號清除計(jì)時(shí)器，由此實(shí)現(xiàn)在明亮環(huán)境時(shí)照明燈關(guān)閉，黑暗環(huán)境下照明燈也可被及時(shí)開啟。3.3顯示程序設(shè)計(jì)圖3-3顯示程序流程圖圖3-3為顯示程序設(shè)計(jì)流程圖，OLED屏幕初始清屏后顯示三行參數(shù)，分別為正前方（M)、左前方（L）、右前方（R）超聲波模塊的距離數(shù)據(jù)。報(bào)警圖標(biāo)顯示位置在第四行，在距離報(bào)警未觸發(fā)時(shí)，報(bào)警圖標(biāo)位置留白進(jìn)行隱藏，當(dāng)觸發(fā)報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)三個(gè)超聲波模塊的距離輸出報(bào)警等級Alert_end值，再根據(jù)該值來顯示報(bào)警圖標(biāo)。3.4超聲波測距流程設(shè)計(jì)圖3-4超聲波程序流程圖圖3-4為超聲波程序設(shè)計(jì)流程圖，超聲波距離原始數(shù)據(jù)是通過主控讀取高電平時(shí)間轉(zhuǎn)換而來，由于模塊原因，初始轉(zhuǎn)換得到得原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)波動較大，本系統(tǒng)采用了多級濾波的策略來穩(wěn)定數(shù)據(jù)。首先將初始化數(shù)據(jù)進(jìn)行一階卡爾曼濾波，濾波后數(shù)據(jù)與上一次數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算并進(jìn)行分權(quán)，對于差值較大的降低新值的信任度。同時(shí)需要多次測量并進(jìn)行中值濾波，最終得到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，通過設(shè)置NUM_OF_READINGS可調(diào)整測量次數(shù)，調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)的濾波效果和響應(yīng)速度。3.5蜂鳴器報(bào)警程序設(shè)計(jì)圖3-5蜂鳴器報(bào)警程序設(shè)計(jì)流程圖圖3-5為蜂鳴器報(bào)警程序設(shè)計(jì)流程圖，當(dāng)系統(tǒng)讀取了三個(gè)方向的超聲波模塊所提供的報(bào)警系數(shù)后，根據(jù)運(yùn)算會取其中報(bào)警系數(shù)的最大值，同時(shí)，若開啟了蜂鳴器報(bào)警標(biāo)志，蜂鳴器會根據(jù)報(bào)警系數(shù)進(jìn)行報(bào)警，反之若未開啟蜂鳴器報(bào)警標(biāo)志則不會進(jìn)行報(bào)警。3.6語音控制程序設(shè)計(jì)圖3-6語音控制程序設(shè)計(jì)流程圖圖3-6為語音模塊程序設(shè)計(jì)流程圖，接入外部電源后，語音模塊進(jìn)行開機(jī)播報(bào)，等待識別使用者將要說出的語音指令，若沒有識別到語音指令就會繼續(xù)等待，若識別到了語音指令則會發(fā)送語音串口數(shù)據(jù)給單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)接收到了語音模塊所發(fā)來的串口數(shù)據(jù)時(shí)就會進(jìn)行相應(yīng)的語音播報(bào)，反之則需繼續(xù)等待識別。所設(shè)置的語音指令與相應(yīng)的語音播報(bào)有：打開蜂鳴器報(bào)警→已打開蜂鳴器報(bào)警；關(guān)閉蜂鳴器報(bào)警→已關(guān)閉蜂鳴器報(bào)警；打開語音模式→已打開語音模式；關(guān)閉語音模式→已關(guān)閉語音模式。3.7語音數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)圖3-7語音數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)流程圖圖3-7為主控語音程序設(shè)計(jì)流程圖，主控通過串口與SU-03T語音模塊進(jìn)行串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。當(dāng)語音模塊發(fā)送串口數(shù)據(jù)，主控通過串口接收到語音數(shù)據(jù)并解析其功能實(shí)現(xiàn)語音控制。當(dāng)語音報(bào)警標(biāo)識開啟，主控觸發(fā)距離報(bào)警時(shí)將通過串口發(fā)送語音指令，語音模塊接收到后進(jìn)行播報(bào)相應(yīng)的語音報(bào)警。所設(shè)定的語音報(bào)警有：左側(cè)有障礙物；右側(cè)有障礙物；中間有障礙物；左前有障礙物；右前有障礙物；四周有障礙物。4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)4.1系統(tǒng)展示圖4-1為本設(shè)計(jì)的實(shí)物展示，本設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)集成在一塊PCB板上。PCB主板上由STM32F103C8T6單片機(jī)、超聲波模塊、OLED顯示模塊、蜂鳴器模塊、光敏電阻模塊、照明模塊、語音模塊以及電源模塊的電路組成。模塊安裝完成后由外部5V電源進(jìn)行供電，智能導(dǎo)盲系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對光照環(huán)境給的反饋進(jìn)行是否照明，超聲波模塊可實(shí)時(shí)檢測距離并輸出距離參數(shù)進(jìn)行顯示，系統(tǒng)可設(shè)置是否開啟蜂鳴器和語音報(bào)警，當(dāng)檢測到有障礙可進(jìn)行及時(shí)的報(bào)警提醒。圖4-1實(shí)物展示4.2硬件測試為確保硬件功能正常，需要仔細(xì)對硬件進(jìn)行測試?；趩纹瑱C(jī)的智能語音導(dǎo)盲儀主要分為四個(gè)步驟，所進(jìn)行的具體操作步驟如下：對邏輯上的故障進(jìn)行檢查。從原理圖開始，進(jìn)行邏輯上的故障診斷。這個(gè)步驟的目的是為了糾正在板材開發(fā)過程中可能出現(xiàn)的工藝錯(cuò)誤，例如線路錯(cuò)誤、開線或短路等情況。請仔細(xì)比較原理圖和PCB板，確認(rèn)它們是否匹配，并留意可能出現(xiàn)的極性錯(cuò)誤和電源短路等情況。對元器件的故障進(jìn)行檢查。對PCB板上焊接的各種元器件進(jìn)行型號和規(guī)格的檢查，以及元器件的組裝和正負(fù)管腳的檢查。在焊接過程中，需要檢查是否出現(xiàn)了如虛焊、搭錫、漏焊或短路等各種問題。對電源的故障進(jìn)行檢查。在電力中斷的情況下，利用萬用表來測量電壓的最大絕對值以及正極和負(fù)極，以確定是否存在5V的電壓。對模塊的故障進(jìn)行檢查。利用keil軟件，將測試程序燒錄到開發(fā)板中，并對超聲波模塊、OLED顯示模塊、蜂鳴器模塊、照明模塊以及語音播報(bào)模塊等進(jìn)行簡單的功能測試，以確保這些模塊能夠正常運(yùn)行。4.3軟件測試基于單片機(jī)的智能語音導(dǎo)盲儀中各模塊都有相應(yīng)的功能，都分別進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)，所以將進(jìn)行以下六個(gè)測試：黑暗環(huán)境照明功能測試。通過光敏電阻模塊和照明模塊檢測導(dǎo)盲儀在正常運(yùn)行時(shí)，根據(jù)當(dāng)前光照環(huán)境為黑暗環(huán)境發(fā)出信號進(jìn)行判定是否亮起LED燈。屏幕數(shù)據(jù)顯示測試。通過OLED顯示屏檢測導(dǎo)盲儀在正常運(yùn)行是否能正常顯示所設(shè)定好的字符包括報(bào)警圖標(biāo)和三個(gè)方向超聲波模塊當(dāng)前測量距離，以便調(diào)試。超聲波距離數(shù)據(jù)精度和穩(wěn)定性測試。對超聲波模塊的測量精度進(jìn)行記錄，檢驗(yàn)是否滿足導(dǎo)盲儀的精度要求；在導(dǎo)盲儀正常運(yùn)行時(shí)觀察是否穩(wěn)定。蜂鳴器報(bào)警功能測試。通過蜂鳴器模塊檢測在導(dǎo)盲儀正常運(yùn)行時(shí)，是否能根據(jù)設(shè)定的報(bào)警系數(shù)發(fā)出不同頻率的報(bào)警。語音控制測試。檢測語音模塊在導(dǎo)盲儀開始運(yùn)行時(shí)是否能夠進(jìn)行開機(jī)播報(bào)，等待指令，說出設(shè)置好的語音指令命令詞是否能夠回復(fù)對應(yīng)的回復(fù)語。語音報(bào)警功能測試。檢測語音模塊在導(dǎo)盲儀正常運(yùn)行時(shí)接收到報(bào)警指令后開啟報(bào)警模式，然后根據(jù)語音串口數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的語音播報(bào)。4.4系統(tǒng)測試結(jié)果以下是對基于單片機(jī)的智能語音導(dǎo)盲儀設(shè)計(jì)進(jìn)行硬件測試的結(jié)果：PCB板沒有工藝性錯(cuò)誤，并和原理圖進(jìn)行了比較，證實(shí)了二者一致，正確無誤。所用元器件型號和清單相符，元器件裝配無誤，焊接工藝平穩(wěn)，且沒有虛焊和漏焊的技術(shù)問題。元器件正負(fù)極與電路板正負(fù)極一致。在電路中都可以測得極性為正5V的電源電壓。經(jīng)調(diào)試，超聲波、OLED顯示、蜂鳴器和語音等模塊都能達(dá)到預(yù)期的功能。以下是對基于單片機(jī)的智能語音導(dǎo)盲儀設(shè)計(jì)進(jìn)行軟件測試的結(jié)果：黑暗環(huán)境照明功能測試：經(jīng)檢測導(dǎo)盲儀在正常運(yùn)行時(shí)，如果光照環(huán)境未達(dá)到黑暗環(huán)境時(shí)，LED燈不會亮起；如果光照環(huán)境達(dá)到了黑暗環(huán)境，則LED燈會亮起。實(shí)物測試結(jié)果如下：圖4-2為光照環(huán)境未達(dá)到黑暗環(huán)境的情況，此時(shí)LED燈沒有亮起。圖4-2光照環(huán)境未達(dá)到黑暗環(huán)境圖4-3為光照環(huán)境達(dá)到黑暗環(huán)境的情況，此時(shí)LED燈亮起。圖4-3光照環(huán)境達(dá)到黑暗環(huán)境屏幕數(shù)據(jù)顯示檢測：開啟系統(tǒng)電源后，開機(jī)屏幕顯示開機(jī)界面，距離數(shù)據(jù)顯示正常，蜂鳴器報(bào)警默認(rèn)關(guān)閉，距離報(bào)警未觸發(fā)，顯示屏最下面一條會進(jìn)行留白。當(dāng)說出語音指令打開蜂鳴器報(bào)警后，顯示屏最下面一條進(jìn)行感嘆號報(bào)警圖標(biāo)顯示。實(shí)物測試結(jié)果如下：圖4-4距離報(bào)警未觸發(fā)圖4-4為開機(jī)后蜂鳴器報(bào)警默認(rèn)關(guān)閉，距離報(bào)警未觸發(fā)，顯示屏最下面一條進(jìn)行留白。圖4-5距離報(bào)警已觸發(fā)圖4-5為通過語音指令打開蜂鳴器報(bào)警后，觸發(fā)了距離報(bào)警，顯示屏最下面一條進(jìn)行感嘆號報(bào)警圖標(biāo)顯示，方便系統(tǒng)調(diào)試。超聲波距離數(shù)據(jù)精度和穩(wěn)定性測試：對三個(gè)方向的超聲波模塊分別進(jìn)行相同數(shù)量與相同距離的測量，通過與實(shí)際距離進(jìn)行對比，得到表4-1超聲波模塊1（正前方）測距數(shù)值(cm)、4-2超聲波模塊2（左前方）測距數(shù)值(cm)、4-3超聲波模塊3（右前方）測距數(shù)值(cm)，經(jīng)計(jì)算所得到的測量誤差都較小，滿足導(dǎo)盲儀的精度要求。經(jīng)檢測導(dǎo)盲儀在放置穩(wěn)定的情況下，距離數(shù)據(jù)波動較小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。測量數(shù)據(jù)結(jié)果如下：表4-1超聲波模塊1（正前方）測距數(shù)值(cm)實(shí)際距離5.010.015.020.040.070.0100.0150.0模塊測量距離5.010.014.920.139.870.299.5148.4測量誤差（±%）000.67-0.50.5-0.290.51.07表4-2超聲波模塊2（左前方）測距數(shù)值(cm)實(shí)際距離5.010.015.020.040.070.0100.0150.0模塊測量距離5.010.015.019.940.169.699.3149.2測量誤差（±%）0000.5-0.250.570.70.53表4-3超聲波模塊3（右前方）測距數(shù)值(cm)實(shí)際距離5.010.015.020.040.070.0100.0150.0模塊測量距離5.010.014.919.940.069.899.8148.9測量誤差（±%）000.670.500.290.20.73蜂鳴器報(bào)警功能測試：手持導(dǎo)盲儀進(jìn)行正常行走測試，通過語音指令打開蜂鳴器報(bào)警。經(jīng)測試，當(dāng)報(bào)警距離為0cm~40cm、40cm~70cm、70cm~100cm和大于100cm時(shí)顯示屏上依次為3、2、1、0個(gè)感嘆號。開啟蜂鳴器報(bào)警時(shí)如果達(dá)到報(bào)警距離，即所設(shè)定的100cm以內(nèi)時(shí)，蜂鳴器會根據(jù)報(bào)警等級來發(fā)出不同頻率的報(bào)警，當(dāng)使用導(dǎo)盲儀離前方障礙物距離越來越近時(shí)，顯示屏最后一條上的感嘆號會越增多，蜂鳴器報(bào)警的頻率會越來越快。在打開蜂鳴器報(bào)警的同時(shí)可打開語音模式進(jìn)行語音報(bào)警。打開蜂鳴器報(bào)警時(shí)顯示屏的情況如下：圖4-6報(bào)警距離0cm~40cm圖4-6為打開蜂鳴器報(bào)警時(shí)，導(dǎo)盲儀所測前方障礙物報(bào)警距離在0cm~40cm的范圍內(nèi)，此時(shí)蜂鳴器進(jìn)行間隔為100ms的間斷報(bào)警。圖4-7報(bào)警距離40cm~70cm圖4-7為打開蜂鳴器報(bào)警時(shí)，導(dǎo)盲儀所測前方障礙物報(bào)警距離在40cm~70cm的范圍內(nèi)，此時(shí)蜂鳴器進(jìn)行間隔為200ms的間斷報(bào)警。圖4-8報(bào)警距離70cm~100cm圖4-8為打開蜂鳴器報(bào)警時(shí)，導(dǎo)盲儀所測前方障礙物報(bào)警距離在70cm~100cm的范圍內(nèi)，此時(shí)蜂鳴器進(jìn)行間隔為400ms的間斷報(bào)警。圖4-9報(bào)警距離大于100cm圖4-9為打開蜂鳴器報(bào)警時(shí)，導(dǎo)盲儀所測前方障礙物報(bào)警距離大于100cm，此時(shí)蜂鳴器不進(jìn)行報(bào)警。語音控制測試：經(jīng)測試，語音模塊在開啟導(dǎo)盲儀時(shí)進(jìn)行了開機(jī)播報(bào)并等待指令，當(dāng)說出設(shè)置好的語音指令命令詞：打開語音模式時(shí)，語音模塊會回復(fù)對應(yīng)的回復(fù)語并發(fā)送串口數(shù)據(jù)給單片機(jī)運(yùn)行相應(yīng)的指令。語音報(bào)警功能測試：手持設(shè)備進(jìn)行行走實(shí)際測試，用語音指令開啟語音報(bào)警開關(guān)。經(jīng)測試，語音模塊會根據(jù)接收到單片機(jī)發(fā)來的串口數(shù)據(jù)播報(bào)不同的語音，分別為左前方有障礙物、右前方有障礙物、前方四周有障礙物。在語音報(bào)警的同時(shí)可開啟蜂鳴5總結(jié)與展望本文以STM32F103C8T6單片機(jī)為基礎(chǔ)，完成了基于單片機(jī)的智能語音導(dǎo)盲儀的設(shè)計(jì)。在本次設(shè)計(jì)中結(jié)合了SSD1306顯示模塊、HC-SR04超聲波模塊、光敏電阻模塊、照明模塊、蜂鳴器模塊、SU-03T語音模塊以及電源模塊構(gòu)成一個(gè)智能導(dǎo)盲系統(tǒng)。通過對智能導(dǎo)盲系統(tǒng)的原理圖設(shè)計(jì)、程序的編程、元件的焊接，模塊的安裝以及軟硬件的測試，完成了基于單片機(jī)的智能語音導(dǎo)盲儀實(shí)物制作。該實(shí)物采用外部5V電源供電，OLED顯示屏用于顯示數(shù)據(jù)方便系統(tǒng)調(diào)試，可通過正前方、左前方和右前方三個(gè)超聲波模塊檢測對應(yīng)方向是否有障礙物，若有障礙物則根據(jù)測量當(dāng)前障礙物的距離用蜂鳴器和語音播報(bào)進(jìn)行報(bào)警，按照不同方向和距離所對應(yīng)情況進(jìn)行相應(yīng)的播報(bào)以提醒盲人在使用時(shí)避免盡可能要發(fā)生的危險(xiǎn)，實(shí)物采用了LED貼片燈為照明燈，可根據(jù)光敏電阻模塊給的環(huán)境光照情況控制照明燈是否亮起，當(dāng)檢測到黑暗環(huán)境信號時(shí)，照明燈會亮起，起到提醒路人的作用。希望該設(shè)計(jì)可以給盲人一個(gè)良好的體驗(yàn)，雖然大部分所預(yù)想的功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但是還是有比較多的缺陷需要去完善和改進(jìn)。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，我學(xué)習(xí)了如何去設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的智能導(dǎo)盲系統(tǒng)，并通過自己的努力，將整個(gè)系統(tǒng)用單片機(jī)制作了出來，把基本所設(shè)想到的功能得以實(shí)現(xiàn)。這個(gè)過程讓我使自己的個(gè)人能力又一次得到了提升。雖然在整個(gè)過程中遇到了不少的困難和挫折，但最終自己還是咬牙堅(jiān)持了下去不斷地克服它們并成功的一一解決。這其中的磨礪給予了我非常多的收獲，讓我對以后碰到的艱難險(xiǎn)阻也無所畏懼，心態(tài)依舊會保持一顆平常心，我堅(jiān)信自己只要認(rèn)真對待好每一件事，都會迎刃而解并獲得更多意想不到的收獲。參考文獻(xiàn)焦陽,徐迎慶.無障礙設(shè)計(jì)研究:面向視障人群的觸覺圖形顯示設(shè)備[J].科技導(dǎo)報(bào),2023,41(08):65-73.WordHealthOrganization.Worldreportonvision[M].Geneva:WorldHealthOrganization,2020:22-26.黃大志,申屠留芳,郭燕.導(dǎo)盲機(jī)器人中超聲波測距系統(tǒng)的研究[J].淮海工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,18(01