单片机实验教学研究以盲人避障为例

单片机实验教学研究以盲人避障为例

发表时间：2019-09-22T17:59:56.750Z 来源：《创新人才教育》2019年7期作者：舒朝君，欧阳名，罗茜，马帅，罗云燊

[导读] 了提高学生的动手能力和对单片机的知识掌握能力，以单片机为核心，引导学生设计出一个智能导盲系统，这个系统能帮助盲人选择最佳路线前进，方便盲人的出行。

四川大学电气信息学院舒朝君，欧阳名，罗茜，马帅，罗云燊 610065

摘要：为了提高学生的动手能力和对单片机的知识掌握能力，以单片机为核心，引导学生设计出一个智能导盲系统，这个系统能帮助盲人选择最佳路线前进，方便盲人的出行。该系统使用三个超声波传感器获取三个方向的障碍物信息，判断距离障碍最近的方向，语音系统负责提示报警并通过按键播报当前时间。实验结果表明该设计完全实现前面所述功能。

关键词：盲人避障；单片机；超声波测距；传感器

引言

实践教学是创新人才培养过程中不可缺少的重要环节，单片机课程是高等院校工科专业一门实践性很强的专业基础课[1]，其重要程度不言而喻。中国的盲人数量居高不下，普遍研究的导盲机器人、导盲眼镜和一些智能的导盲系统存在成本较高，难以推广的问题。利用单片机可以设计出功能较多的、简单、低成本的避障装置，让学生在解决实际问题的基础上收获知识和成就感。

该导盲系统以STC89C51单片机为核心，连接LCD1602显示模块、DS1302时钟模块、WT588D语音播报模块、超声波测距模块以及按键模块，实现左前右三个方向的测距和引导，达到辅助盲人出行的效果。

2实验设计方案

以单片机STC89C51为此次设计的核心，以超声波的测距原理为基础，综合考虑三个方向，判断周围的障碍物的距离远近；LCD1602模块对障碍物距离进行显示，方便检测测距的准确性；DS1302模块实现实时语音时钟提醒的功能，并通过一个按键随时播报当前的时间；按键模块用以实现当前时间播报和距离的播报；WT588D语音播报模块进行语音提醒和语音报时，为盲人示警。

3硬件设计

3.1单片机的最小系统设计

该实验采用常见的STC89C52RC单片机，它是由STC公司生产的一种低功耗、高性能的微控制器。STC89C52RC单片机最小系统由单片机、晶振电路、复位电路、输入输出电路组成，其中RST端接复位电路，XATL1和XATL2端接晶振电路。

3.2 LCD1602显示模块设计

该实验采用LCD1602显示测距值、当前时间。LCD1602的数据线引脚接单片机的P0口，使能端EN和复位端RS分别接单片机P2.7脚和P2.6脚。R/W端接地，默认LCD1602使用只写功能。

2.3 DS1302时钟模块设计

实时时钟选择DS1302涓流充电计时芯片。该芯片可以计算年、月、日、时、分、秒、日期，对于少于31天的月份月末会进行自动调整，并有闰年调节功能。其通过简单的串行接口与微处理器进行通讯。DS1302时钟芯片的时钟端SCLK、数据输入端I/O和控制端CE分别接单片机的P3.4脚、P3.5脚和P3.6脚。

3.4 超声波测距模块设计

测距模块是整个导盲系统运行的关键模块，本实验选择HC-SR04作为测距模块。HC-SR04超声波测距模块，根据速度-时间法测算距离，模块包括超声波发射器、接收器和控制电路。该系统的HC-SR04超声波用单片机的P1.0~P1.5六个引脚进行控制，三个HC-SR04传感器分别测量左方、前方、右方距离。

3.5 WT588D语音播报模块设计

WT588D语音芯片是一款功能强大的单片机语音芯片。其有MP3控制模式、按键控制模式、三线串口控制模式等多种控制模式[2]。用户可以通过配套的上位机软件VoiceChip选择WT588D的控制模式，并将语音信息下载到SPI-Flash。WT588D语音芯片只要复位一下，即可更新控制模式和语音信息。WT588D语音芯片的数据端DAT、片选端CS和时钟端CLK分别接单片机的P3.2脚、P3.7脚和P1.6脚。PWM+端和PWM-端接扬声器。

4软件设计及调试

4.1软件设计

该实验以三个超声波模块为主要传感器，利用“渡越时间法”和单片机内置的计数器求得超声波传播时间[3]对左、中、右三个方向障碍物进行实时的距离测试，并判断是否小于预设的阈值，若小于则进行报警。并同时检测实时播报时间按键是否按下，若是，则进行播报时间。

4.2模块调试

为防止直接连接各个模块进行调试时出现让人感觉毫无头绪的问题，该实验采用“先分后合”的调试方法。依次对LCD1602模块、

DS1302模块、超声波模块、WT588D模块进行调试，直至各个模块的运作均正常。

4.3整体调试

在各个模块上电后运作正常之后，以单片机最小系统为基础，逐渐增加核心板上连接的模块数量，每增加一个模块，都要保证加上的模块能和原先的系统一起正常运作。

5结语

该文章是针对理工科的学生设计的基于单片机的盲人避障系统设计实验，能够帮助学生很好地理解单片机的应用性，提高学生们对模电、数电等课程知识应用的能力，同时在不失趣味性的情况下提高学生的动手能力。单片机实验的学习，能够帮助学生们了解控制系统的设计、应用以及改进[4]。该实验设计对于各个模块都需要进行相应地研究，能够引导学生们主动去了解各个模块使用芯片的数据手册，锻炼学生们的自主学习能力。该设计对于帮助盲人避障有一定的效果，但并不能做到完全替代所有辅助物品，如最传统的拐杖。另外，该设

计也有许多可以扩展的地方，比如还可以增加距离阈值可调、GPS自动定位等功能。参考文献

[1]金国华，毕胜，翟朝霞等；单片机课程实践教学模式的改革与构建[J].实验科学与技术,2015,06.

[2]曲霄红, 薄文彦. 基于超声波测距的导盲仪设计研究[J].山西大同大学学报, 2011,27(1).

[3]刘玉琼. 基于WT588D语音提示系统设计[J].企业科技与发展, 2010, (22):99-102.

[4]谭艳梅.单片机教学中学生动手能力和创新思维的培养[J].山东工业技术,2019(12):226.