原標題：【畢設】基于單片機的超聲波導盲系統設計（全套資料+設計+原理圖+代碼+論文）

一、設計背景與意義

隨著社會對盲人群體的關注度不斷提高，越來越多的輔助工具被開發出來以幫助他們更好地融入社會生活。超聲波導盲系統是一種新型的盲人輔助設備，通過超聲波探測障礙物并以聲響反饋的方式幫助盲人避開障礙物。這種系統不但提高了盲人的出行安全性，還能在一定程度上增加他們的自信心和獨立性。本課題旨在設計一個基于單片機的超聲波導盲系統，使用超聲波傳感器探測周圍的障礙物，并通過聲音或振動提醒盲人。系統需要具備高精度、高可靠性和低功耗等特點。

二、系統設計概述

本設計使用單片機作為核心控制單元，結合超聲波傳感器、聲音輸出模塊和電池供電模塊等硬件，構成一個完整的導盲系統。單片機負責處理傳感器的數據并控制輸出模塊，提供實時的障礙物信息反饋給使用者。具體的硬件和軟件設計將分為幾個模塊來詳細闡述。

三、主控芯片的選擇及其作用

1. 主控芯片型號

在本系統中，主控芯片選用了STM32F103系列單片機。該系列單片機采用了ARM Cortex-M3內核，具備較強的運算能力和豐富的外設接口，特別適合嵌入式應用中的控制系統。

STM32F103是一款性價比高、功能全面的單片機，其核心特點包括：

• 高性能處理器：采用ARM Cortex-M3核心，主頻可達72MHz，具備較高的計算能力，適合用于實時處理超聲波傳感器的數據。

• 豐富的外設接口：包括多個PWM輸出、UART、SPI、I2C等接口，便于與其他模塊進行通信和數據交換。

• 低功耗設計：具有多種低功耗工作模式，適合電池供電應用，延長系統的使用時間。

• 內存配置：擁有128KB Flash和20KB SRAM，滿足中等復雜度算法的需求。

這些特點使得STM32F103單片機非常適合用于超聲波導盲系統中的數據采集、處理與控制工作。

2. 主控芯片在系統中的作用

在超聲波導盲系統中，主控芯片STM32F103負責以下幾個重要任務：

• 傳感器數據采集與處理：通過連接超聲波傳感器，主控芯片實時接收障礙物探測數據。STM32F103通過其內置的ADC（模擬-數字轉換器）模塊讀取超聲波傳感器的信號，然后利用一定的算法進行處理，計算出障礙物距離。

• 信號處理與判斷：主控芯片根據傳感器反饋的數據進行實時處理，判斷障礙物的距離。如果障礙物距離過近，主控芯片會發出報警信號（如聲音或振動），提醒使用者注意。

• 控制輸出模塊：STM32F103通過PWM或數字輸出控制聲音模塊或振動模塊，將障礙物的相關信息傳遞給使用者。聲音模塊可以通過蜂鳴器發出不同頻率的聲音，或者通過電動馬達進行振動反饋。

• 系統管理與調度：主控芯片還負責整個系統的電源管理和任務調度。在電池供電的情況下，主控芯片需要根據系統的狀態調節功耗，延長電池使用時間。

四、超聲波傳感器模塊

超聲波傳感器是本系統的核心傳感器之一。通過發射超聲波并接收反射回來的信號，可以測量障礙物的距離。常見的超聲波傳感器包括HC-SR04和SRF05等。我們選擇了HC-SR04作為系統中的超聲波傳感器。

HC-SR04超聲波傳感器模塊的主要特點有：

• 工作原理：HC-SR04模塊通過發射超聲波脈沖并接收其反射信號來測量物體的距離。通過計算超聲波從發射到接收的時間差，可以根據聲速計算出距離。

• 工作電壓：該模塊工作電壓為5V，非常適合與STM32F103單片機配合使用。

• 測量距離范圍：HC-SR04的測量范圍通常在2cm到400cm之間，適用于本設計的盲人導盲系統。

在設計中，HC-SR04超聲波傳感器通過GPIO接口與STM32F103單片機連接。單片機通過控制Trig腳發射超聲波，并接收Echo腳返回的脈沖寬度，從而計算出距離。

五、聲音輸出模塊

為向盲人用戶提供及時的障礙物反饋，聲音輸出模塊必不可少。我們選擇了蜂鳴器作為聲音輸出設備。蜂鳴器通過發出不同頻率的聲音來傳遞距離信息，具體實現方式如下：

• 蜂鳴器控制：STM32F103單片機通過PWM控制蜂鳴器發出聲音。根據障礙物的距離，可以設置不同的頻率或響度，以提供更直觀的反饋。

• 聲音的意義：短促的高頻聲音代表障礙物較近，長時間的低頻聲音代表障礙物較遠。通過這種方式，盲人可以通過聲音的變化感知周圍的環境。

六、電源管理模塊

由于該系統需要便攜式設計，因此電源管理至關重要。我們采用了一塊鋰電池作為系統的電源，通過TP4056鋰電池充電管理芯片進行充電管理。電源模塊設計考慮到功耗和穩定性，確保系統能夠長時間穩定工作。

七、軟件設計

軟件部分是整個超聲波導盲系統的重要組成部分。我們采用C語言編寫STM32F103單片機的程序。軟件的主要功能包括：

• 初始化配置：初始化超聲波傳感器、蜂鳴器和各個外設模塊。

• 數據采集：定時采集超聲波傳感器的數據，并進行處理。

• 控制輸出：根據計算出的距離，控制蜂鳴器發出相應的聲音。

• 功耗管理：根據系統狀態調節單片機的工作模式，優化功耗。

八、系統原理圖

在本設計中，系統原理圖主要包含以下幾個模塊：

1. STM32F103單片機：作為主控芯片，負責整體控制與數據處理。

2. HC-SR04超聲波傳感器：用于測量障礙物的距離。

3. 蜂鳴器模塊：用于聲音反饋。

4. 電池與充電管理模塊：提供系統電源。

九、總結與展望

本設計基于單片機實現的超聲波導盲系統，通過高精度的傳感器和靈活的控制方案，可以有效地幫助盲人避開障礙物。該系統具有較高的實用性和可擴展性，能夠在實際應用中發揮重要作用。未來的研究可以進一步優化系統的算法，提高探測精度，或結合其他傳感器提高系統的可靠性和適應性。