1、 在导盲方面，市场上也有一些相关产品，如盲杖，导盲犬等，这些产品对盲人的帮助并不很理想，导盲犬由于训练困难，价格昂贵，很难普及。随着光电技术的迅猛发展，尤其是光探测技术以及光信息处理技术的完善，设计出高效，实用的光电导盲器已水到渠成。1.3课题研究方法在老师指导下，对智能光电导盲器的原理做深入理解，然后根据原理设计出原理框图, 在原理框图的基础上,对各部分电路进行设计，最后把各部分电路组合起来，便得到了总体电路的设计。 1.4论文主要研究内容本文课题具体技术要求为：装置通过三个红外发射接收探头从而探测左、右、前三个风向是否有障碍物。左侧探头探测到信号则左侧耳机发出提示音；右侧探头探测到信号则右
2、侧耳机发出提示音；前方探头探测到信号则两个耳机一起发出提示音，从而提醒盲人哪个方位有障碍物起到引导作用。2 系统硬件电路设计本次设计的任务是设计智能光电导盲器的控制电路，其原理框图如图2.1所示。当打开电源时NE555构成多谐振荡器，使第三脚输出38K方波驱动三极管使红外发射器发出红外线遇到障碍物反射回来。当左侧接收头接收到返回的红外线时，返回致单片机控制器。单片机获知左侧接收头收到信息后，发出指令让左边的耳机发出提示音；当右侧接收头接收到返回的红外线时，返回致单片机控制器。单片机获知右侧接收头收到信息后，发出指令让右边的耳机发出提示音；当前方接收头接收到返回的红外线时，返回致单片机控制器。单
3、片机获知前方接收头收到信息后，发出指令让两边的耳机同时发出提示音。图2.1 系统硬件电路框图3系统单元电路设计3.1单片机基本知识3.1.1简介AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机。片内含有2KB可反复擦写的只读存储器（EPROM）和128B的随机存取存储器（RAM），器件采用ATMEL的高密度、非易失性存储技术生产，片内置通用8位中央处理器和Flash存储器，功能强大。AT89C51只有20个双向输入/输出（I/O）端口，其中P1是完整的8位双向I/O口，两个外中断，2个16位可编程定时/计数器，两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器此外，AT89C51的时钟频率可为零，
4、即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入工作状态，省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止震荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件系统复位方可继续工作 。主要特性：图3.1 系统单元电路设计 4K字节可编程FLASH存储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24MHz三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路特性概述:AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部R
5、AM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位1。3.1.2引脚介绍VCC：供电电压。 GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址
6、的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉
7、的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.
8、1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对
9、外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取值期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET
10、；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出2。3.1.3 AT89C51单片机的主要组成部分1CPU CPU是单片机的核心部分,他的作用是读入和分析每条指令,根据每条指令的功能要求,控制各个部件执行相应的操作。AT89C51单片机内部有一个8位的CPU，它是由运算器和控制器组成。A运算器运算器主要包括算术、逻辑运算部件ALU、累加器ACC、寄存器B、暂存器YMP1、YMP2、程序状态寄存器PSW、布尔处理器及十进制调整电路等。运算器主要用
11、来实现数据的传送、数据的算术运算、逻辑运算和位变量处理等。B控制器控制器包括时钟发生器、定时控制逻辑、指令寄存器指令译码器、程序计数器PC、程序地址寄存器、数据指针寄存器DPTR和堆栈指针SP等。控制器是用来统一指挥和控制计算机进行工作的部件。它的功能是从程序存储器中提取指令，送到指令寄存器，再进入指令译码器进行译码，并通过定时和控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需要的全部内部控制信息及CPU外部所需要的控制信号，如ALE、PSEN、RD、WR等，使各部分协调工作，完成指令所规定的各种操作14。2存储器A程序存储器程序存储器用于存放编好的程序、表格和常数。CPU的控制器专门提供一个控制信号E
12、A来区分内部ROM和外部ROM的公用地址区：当EA为无效电平时，单片机从片内ROM的2KB存储器取指令，而当指令超过07FFH后，就自动转向片外ROM取指令；当EA为有效电平时，CPU只从片外ROM取指令。在程序存储器中，有6个单元具有特殊存储功能。0000H0002H：是所有执行程序的入口地址，2051单片机复位后，CPU总是从0000H单元开始执行程序。0003H：外部中断0入口。000BH：定时/计数器0溢出中断入口。0013H：外部中断1入口。001BH：定时/计数器1溢出中断入口。0023H：串行口中断入口。使用时，通常在这些入口地址处存放一条绝对跳转指令，使程序跳转到用户安排的中断
13、程序起始地址，或者从0000H起始地址跳转到用户设计的初始程序上。B数据存储器片内数据存储器的8位地址共可寻址256B单元，51单片机将其分为两个区：00HFFH的128B单元为片内RAM区，可以读、写任何数据；80HFFH的高128B单元为专用寄存器区。在低128B的内部RAM中，前32个单元（地址为00H1FH）为通用工作寄存器区，共分为四组（寄存器0组、1组、2组、3组），每组8个工作寄存器由R0R7组成，共占32个 单元。选用哪一组由程序状态字PSW中的RS1、RS0这两位的设置决定，若程序并不需要四个4组工作寄存器，那么剩下的工作寄存器可作一般的存储器来使用。CPU在复位时自动选中0
14、组20H2FH的16个单元为位寻址区，每个单元8位，共128位。其位寻址范围为00H7FH。位寻址区的每一位都可当作软件触发器，由程序直接进行处理。程序中通常把各种程序状态标志、位控变量设在位寻址区。同样，位寻址区的RAM单元也可作为一般的数据存储器按字节单元使用。3特殊功能寄存器A累加器A累加器A是一个最常用的8位特殊功能寄存器，它既可用于存放操作数，也可用于存放运算的中间结果。大部分单操作数指令的操作数就取自累加器。用ACC表示A的符号地址。B寄存器B寄存器B是一个8位寄存器，主要用于乘法和除法的运算。乘法运算时，B中存放乘法，乘法操作后，乘积的高8位又存于B中；除法运算时，B中存放除数，
15、出发操作后，B中又存放余数。在其他指令中，寄存器B可作为一般的寄存器使用，用于暂存数据。3.1.4定时器/计数器（1） AT89C51单片机有两个可编程的定时器/计数器定时器/计数器0与定时器/计数器1，可有程序选择作为定时器用或作为计数器用，定时时间或记数值也可由程序设定。（2） 每一个定时器/计数器具有4种工作方式，可用程序选择。（3） 任一定时器/计数器在定时时间到或记数值到时，可有程序安排产生中断请求信号或不产生中断请求信号。特殊功能寄存器TMOD和TCON分别是定时/计数器0和1的控制和状态寄存器，用于控制和确定各定时/计数器的功能和工作模式。TMOD用于控制T0和T1的工作方式和4
16、种工作模式。其中低4位用于控制T0，高4位用于控制T1。其格式如下：GATE C/T非 M1 M0C/T非 M0GATE位：门控位。当GATE=1时，只有INTO非或INT1非引脚为高电平且TR0或TR1置1时，相应的定时/计数器才被选通工作；当GATE=0，则只要TR0和TR1置1，定时/计数器就被选通，而不管INT0非或INT1非的电平是高还是低C/T非位：计数/定时功能选择位。C/T非=0，设置为定时器方式，计数器的输入是内部时钟脉冲，其周期等于机器周期。C/T非=1，设置为计数器方式，计数器的输入来自T0（P3.4）或T1（P3.5）端的外部脉冲。M1、M0位：工作模式选择位。2位可形
17、成4中编码，对应4种工作模式，见下表：M1 M0功 能 描 述00 方式0：13位定时器/计数器 01方式1：16位定时器/计数器 10方式2：具有自动重装初值的8位定时器/计数器 11方式3：定时/计数器0分为两个8位定时/计数器，定时/计数器1在此方式无实用意义3.2红外发射模块电路设计3.2.1红外发射概述从光学的角度而言，红外是频率低于红色光的不可见光，的无线光谱的整个频率中占有很小一个频率段，波长为0.75100微秒之间，其中0.753微秒之间的红外光称为近红外，330微秒之间的红外光称为中红外，30100微秒之间的称为远红外。红外光就其性质而言很简单，与普通光线的频率特性没有很大的
18、区别，但是，由于任何有热量的物体均有能量产生，所以红外的利用非常广泛，而且不可取代，能否检测红外、能测到多少红外或者红外检测的技术是否可以应用于任何自然的或想象的场合是红外应用技术的关键。 当今红外技术的一个重要分支是红外通信技术的应用，这个应用的发展非常迅速，尤其是红外通信应用于计算机设备中，近几年的发展已经表现出其非常成熟的特性3。红外遥控是目前家用电器中用得较多的遥控方式，在讲红外线遥控之前，首先讲一讲什么是红外线。我们知道，人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围为0.620.76m；紫光的波长范围为0.380.46m。比紫光波长还
19、短的光叫紫外线，比红光波长还长的光叫红外线。红外线遥控就是利用波长为0.761.5m之间的近红外线来传送控制信号的4。目前有很多种芯片可以实现红外发射，可以根据选择发出不同种类的编码。由于发射系统一般用电池供电，这就要求芯片 的功耗要很低，芯片大多都设计成可以处于休眠状态，当有按键按下时才工作，这样可以降低功耗芯片所用的晶振应该有 足够的耐物理撞击能力，不能选用普通的石英晶体，一般是选用陶瓷共鸣器，陶瓷共鸣器准确性没有石英晶体高，但通常 一点误差可以忽略不计5。红外线通过红外发光二极管（LED）发射出去，红外发光二极管（红外发射管）内部构造与普通的发光二极管基本相同，材料和普通发光二极管不同，
20、在红外发射管两端施加一定电压时，它发出的是红外线而不是可见光。如图3.2所示是LED的驱动电路是最简单电路， 选用元件时要注意三极管的开关速度要快，还要考虑到LED的正向电流和反向漏电流，一般流过LED的最大正向电流为100mA，电流越大，其发射的波形强度越大。图 3.2 红外发射3.2.2 发射信号调制红外遥控是以调制的方式发射数据，就是把数据和一定频率的载波进行“与”操作，这样既可以提高发射效率又可以降低电源功耗。调制载波频率一般在30khz到60khz之间，大多数使用的是38kHz，占空比1/3的方波，如图3.3所示，这是由发射端所使用的 455kHz晶振决定的。在发射端要对晶振进行整数
21、分频，分频系数一般取12，所以455kHz1237.9 kHz38kHz。图 3.3 调制3.2.3 555多谐振荡器电路555定时器电路主要由电压比较器、分压器基本RS触发器、泄放三极管和反相器构成。其电路结构图如图1所示，引脚图如图3.4所示5。图3.4 555电路结构图555定时器含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为和。C1和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，
22、开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止6。图3.5 555引脚图是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接。Vco是控制电压端（5脚），平时输出作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路7。555电路构成的多谐振荡器是常用的矩形脉冲产生电路。它是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号，就能自
23、动地产生矩形脉冲或方波。由于矩形波中除基波外还包括了丰富的高次谐波，因此习惯称为多谐振荡器。多谐振荡器工作没有一个稳定状态，属于无稳态电路。电路的输出高电平和低电平的切换是自动进行的，常把这两个状态分别称为暂稳态和暂稳态8。1、电路组成和工作原理接通电源后，VCC经R1 R2给电容C充电。由于电容上电压不能突变，电源刚接通时Vc，所以555内部比较器A1输出高电平，A2输出低电平，即RD=1，SD=0，基本RS触发器置1，输出端Q为高电平。此时Q=O，使内部放电管截止。当C上升到大于时，RD=1，SD=1，基本RS触发器状态不变，即输出端Q仍为高电平，当VC上升到略大于时，Rn=0，SD=1，
24、基本RS触发器置0，输出端Q为低电平。这时Q=1，使内部放电管饱合导通。于是电容C经R2和内部放电管放电，c按指数规律减小9。当Vc下降略小于时，内部比较器A1输出高电平，A2输出低电平，基本RS触发器置1，输出高电平。这时，Q=0，内部放电管截止。于是C结束放电并重新开始充电。如此循环不止，输出端就得到一系列矩形脉冲，如图3.6所示10。图3.6 多谐振荡器的组成和波形2、主要参数计算电路输出矩形脉冲的周期为： T=t1+t2=0.7（R1+R2）C+0.7R2C=0.7（R1+2R2）C 改变、和的值，就可以改变振荡器的频率。如果利用外接电路改变端（5号端）的电位，则可以改变多谐振荡器高触
25、发端的电平，从而改变振荡周期T。 在实际应用中，常常需要调节和。在此，引进占空比的概念。输出脉冲的占空比为： 本设计由NE555构成多谐振荡器，使第三脚输出38K方波驱动三极管使红外发射器发出红外线，为了使第三脚输出的波形为38K，占空比尽量为1:2，令C=103，R1=R2，RV1=RV211。由震荡周期T=ln2（R1+RV1+R2+RV2）C得，R1+RV1=1.9K,R1+RV2=1.9K。所以取R1=R2=1K，RV1=RV2=0.9K。电路如图3.7所示。实际应用中调节RV3可以改变红外探头反射功率，直接影响红外接收头的响应距离。图3.7 NE555构成的多谐振荡器3.3红外接收电
26、路设计发射部分的主要元件为红外发光二极管。它实际上是一只特殊的发光二极管，由于其内部材料不同于普通发光二极管，因而在其两端施加一定电压时，它便发出的是红外线而不是可见光。目前大量使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右，外形与普通发光二极管相同，只是颜色不同。红外发光二极管一般有黑色、深蓝、透明三种颜色。判断红外发光二极管好坏的办法与判断普通二极管一样：用万用表电阻挡量一下红外发光二极管的正、反向电阻即可。红外发光二极管的发光效率要用专门的仪器才能精确测定，而业余条件下只能用拉距法来粗略判定12。接收部分的红外接收管是一种光敏二极管。在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压，它才能
27、正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。红外接收二极管一般有圆形和方形两种13。由于红外发光二极管的发射功率一般都较小（100mW左右），所以红外接收二极管接收到的信号比较微弱，因此就要增加高增益放大电路。前些年常用PC1373H、CX20106A等红外接收专用放大电路。最近几年不论是业余制作还是正式产品，大多都采用成品红外接收头。成品红外接收头的封装大致有两种：一种采用铁皮屏蔽；一种是塑料封装。均有三只引脚，即电源正（VDD）、电源负（GND）和数据输出（VO或OUT）。红外接收头的引脚排列因型号不同而不尽相同，可参考厂家的使用说明。成品红外接收头的优
28、点是不需要复杂的调试和外壳屏蔽，使用起来如同一只三极管，非常方便。但在使用时注意成品红外接收头的载波频率。红外遥控常用的载波频率为38kHz，这是由发射端所使用的455kHz晶振来决定的。在发射端对晶振进行整数分频，分频系数一般取12，所以455kHz也有一些遥控系统采用36kHz、40kHz、56kHz等，一般由发射端晶振的振荡频率来决定。红外线的光谱位于红色光之外， 波长是0.761.5m，比红光的波长还长。红外遥控是利用红外线进行传递信息的一种控制方式，红外遥控具有抗干扰，电路简单，容易编码和解码，功耗小，成本低的优点。红外遥控几乎适用所有家电的控制14。 当红外线遇到障碍物时，部分红外
29、线经障碍物反射回来，此时红外接收头将接收到38K的信号。如果接收到的是38K的信号，经解调输出逻辑“0”，否则输出逻辑“1”。具有性能稳定的特点。如图3.8所示红外接收头与单片机对应管脚相连使探测的信息及时反馈到单片机。图3.8 红外接收电路3.4耳机模块电路设计本系统采用12MHZ晶振，左、前、右三个接收器分别连接单片机P1.0、P1.1、P1.2三个管脚，进行实时的信号输入，经单片机处理，再由P0.0和P0.1两个管脚分别连接左右耳机输出音频信号，当有障碍物时对应的接收头接收到信号传送到单片机，经过单片机的处理使连接耳机的对应端口为高电平“1”，进而导通三极管使耳机发出提示音。耳机接收模块电路如图3.9所示。单片机端口P0.0与三极
