电子信息科学与技术毕业论文盲人用电子指南音响

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1、苏州大学文正学院本科生毕业论文论文题目：盲人用电子指南音响学生姓名：学生学号：0817419056专业班级：电子信息科学与技术学院名称：文正学院指导老师： 2012年5月3日目录绪 论1前 言2第一章 控制电路，555定时器及霍尔元件的简介31.1 控制电路的定义31.2 555定时器41.3 霍尔元件6第二章 盲人用电子指南音响设计及控制电路 72.1 设计思路及电路方框图72.2 霍尔效应集成传感器UGN-3501M和差分放大器72.2.1霍尔效应集成传感器UGN-3501M92.2.2差分放大器112.3多谐振荡器132.4 电子指南音响电路152.5 电子指南音响的调节及使用172.6

2、 172.7 18第三章 测量数据的处理193.1 193.2 21第四章 总结23参考文献24致谢25文摘-在中国,时间控制，光控制甚至是时间光控制方法常用于控制路灯,特别是在中小城市。但由于反向照明控制、行政方法、精度是坏的,工作的效果也是差的。通过多种感觉环境传感器的组合变化,多传感器展览可以共同逻辑控制新智能路灯控制系统。并且基于亮度控制固定时间的程度,在自动基础固定的时间里，根据多种感应展览的调查数据特别是组合的变化,来控制路灯灵活;系统也可以实现自动定时控制,通过pre-installing时间的路灯开关来控制并最终控制街灯时间。同时该系统还可以实现自动化阳光控制,可根据实际阳光的

3、确定程度的照明和照明的控制标准和自动控制街光的程度。在此基础上的优点和光学常规的控制,提出了一种新的街头型聪明控制器的设计,具有双重功能包括定时控制和全自动光电控制。它允许自动点亮街灯在晚上,点燃了道路几小时(可调)。0：00后,当一些车辆或行人走过,它将自动脱落。和终端控制器有唤醒功能。街灯自动转出后,当车辆和行人正在经历、路灯被惊醒终端控制器。当车辆或行人走过,灯自动脱落。设计新智能路灯控制系统不仅实现节能力量但也延长寿命的照明设备。而且,它是可控的,易维护。同时,它也有助于突出节日和其他特点,最终成为路灯网络,情报、人文与艺术被报道为最佳配置。最后,试验结果,得到了:当一个电机关闭到15

4、米,LED灯在自动。当人们通过,距离是接近10米。在磁感应传感器中，霍尔元件及霍尔传感器的生产量是最大的。它主要用于无刷直流电机（霍尔电机）中，这种电机用于磁带录音机，录像机，XY记录仪，打印机，电唱机及仪器中的通风风扇等。另外，霍尔元件及霍尔传感器还用于测速、流量、风速及利用它制成高斯计、电流计、功率计等仪器。关键字：时间控制、光控制、环境传感器、多种传感器、霍尔元件AbstractIn China, the methods of time-control, optical-controland time-optical-control are in common used to contr

5、ol street lamp,particularly in small and medium-sized cities. But due to thebackward lighting control and administrative method, the precisionis bad, and the result of work is also poor. Through many kinds ofsensor combination sense environment's change, the multi-sensorexhibition can combinator

6、y logically control the new intelligentstreet light controller system. And based on the degree ofillumination control fixed time, in the automatic foundation fixedtime, according to the multi-sensing exhibition survey data's specialcombination change, to control the street light nimbly; the syst

7、emcan also realize the automatic timing control, by pre-installing timeto control street light switch and ultimately to control the street lighttime. Simultaneously the system can also realize the automaticsunshine control, which may act according to the actualdetermination of the sunlight degree of

8、 illumination and the degreeof illumination control criterion and automatically control streetlight. On the basis of the merits of the regular control and the opticalcontrol, a new street smart controller is designed, with dual functionsincluding timing control and automatic photoelectric control. I

9、tallows street lamps automatically lit in the evening, lighting the roadfor a few hours (adjustable time). After 0:00, when few vehicles orpedestrians go past, it turn off automatically. And terminal controllerhas wake-up function. After the street light turn out automatically,when the vehicles or p

10、edestrians are going through, street light willbe waken up by terminal controller. When the vehicles orpedestrians go past, the lights are off automatically. Design of newintelligent street light control system does not only achieveenergy-saving power but also extend the service life of lightingequi

11、pment. Moreover, it is controllable, ease of maintenance. At thesame time, it is helpful to highlight the festive and othercharacteristics, and ultimately make street light network,intelligence, humanity and art. An optimal configuration is reported.Finally, the results of experiment are obtained th

12、at: when a motor isclosed to 15 meters, LED lights are on automatically. While peoplepassed, the distance is proximity 10 meters.Keywords：time-control optical-control、 sensor combination sense environment's change、multi-sensor前言在物质生活极大满足的当下，盲人朋友也倾向于精神文化生活方面的需求，无论是平时有学习习惯的还是没有学习习惯的盲人，他们都希望有书可以读，希

13、望能读到自己喜欢的书，能够有多种多样的渠道和方式能够获取信息和资料。同样，文化水平提高了，自身素质就会有所提高，学习的兴趣和就业渠道就会得到提高和拓宽，盲人朋友的生活才能步入一个高的层次！声音是盲人朋友了解外界的最主要媒介，随着科技的发展，盲人阅读的方式逐步向电子化方向发展。应该说电脑的电子化阅读确实给盲人增添了一对认识世界的新眼睛。但是由于电脑价格昂贵，电脑操作需要专门培训，而且移动携带不方便，远远不能满足于盲人朋友对文化阅读的需求，在这种情况下音响类产品应运而生。有的音响类产品体积小、容量大、携带方便、功能多，就像是一座可以随身携带的数字图书馆，给盲人朋友的学习、工作和生活带来了极大的便利

14、，所以深受广大盲人朋友的喜爱。首先对于学习方面来说，音响类产品可以说是盲人学习的一种革命性工具，彻底解决盲文阅读速度慢，学习效率低的问题，而且也弥补了盲文书籍种类少，借阅不方便的不足和电脑成本高、操作复杂、携带不方便的问题，是现下最高效、最便捷的学习辅具；其次，精神文化生活方面，盲人完全可以自主选择自己喜欢的读物、书籍、资料，丰富自己的知识，开阔视野，带动各方面能力的提升；打破电视、收音机等消息源等只能被动接受、指定接收的局限，极大的丰富盲人的精神文化生活；再次，娱乐方面，多种娱乐功能集一身，收音机、听书、音乐、录音，多种选择，让业余生活丰富多彩。世界各国存在数量庞大的视觉残疾人。如何提高他们

15、的生活质量，解决盲人的出行，已经成为全世界各国共同关注的问题。目前，盲人仍主要依靠探路棍、简单的触觉来认识世界。我国盲人用品用具市场存在两极分化的现状，低端的生活学习用品、用具较为丰富，而高端的产品却极为稀缺。当前市场上的助盲器材成型产品仅处于障碍物报警的初始水平，实用功能极其有限，不能给盲人提供足以理解周围环境的信息，远远不能满足盲人的生活需求。世界上有许多国家和科研机构正在研发盲人导行识别装置。例如，盲人双耳语音提示系统，采用超声波对障碍物、路面纹理变化情况等进行检测，通过声音信号进行提示；李广强利用DSP处理器开发了助盲识别、语音提示系统;陈美銮采用超声测距、语音报警的方法设计智能盲人导

16、行仪；谢强将图像信号转换为调频式的音频信号的方法，设计电子助盲器；贺菊方采用超声测距,将超声波转化为声波的方法设计帮助盲人行走、识别障碍物的电子装置。第一章 控制电路，555定时器及霍尔元件的简介随着时代的发展，科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等工业部门，越来越需要采用多种传感器，对产品质量的要求越来越高，对环境的控制以及对各类人群的特殊需求满足都已成为比较普遍的技术条件之一。控制类电路现已成为大多集成电路的主流之躯，已深入人们的日常生活，列入楼梯口的声控电灯，公路上的光控路灯，公共厕所的红外感应风干机等等。控制电路随处可见，其中555定时器是相对应用普遍的一项控制器。1.1 控制

17、电路 电子技术是20世纪发展最迅速、应用最广泛的技术，已使工业、农业、科研、教育、医疗、文化娱乐以及人们的日常生活发生了根本的变革。特别是数字电子技术，在近四十多年来，取得了令人瞩目的进步。 数字技术应用的典型代表是电子计算机，它是伴随电子技术的发展而发展的。数字电子技术的发展衍生出的计算机的不断发展和完善，计算机技术的影响已编辑人类经济生活的各个领域，掀起了一场“数字革命”。数字技术被广泛地应用于广播、电视、通信、医学诊断、测量、控制、文化娱乐以及家庭生活等方面。 交通灯控制系统是1920年问世，算得上较早的控制系统。早期的红黄绿灯是用机电定时器控制的。后来用继电器和开关构成的控制器，根据道

18、路上的传感器检测的信号进行控制。现在的交通灯由计算机控制，根据检测的车辆流量信息送到系统计算机，经计算后来合理的时间分配。 随着微电子技术的发展，将会有跟多的数字电子产品陆续问世。数字技术的发展、计算机的应用正在改变着人类的生产方式、生活方式以及思维方式，它使工业自动化、农业自动化、办公自动化和通信网络称为现实。1.2 555定时器555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，其应用极为广泛。它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制和检测电路中。 定时器有双极型和CMOS两种类型的产品，它们的结构及工作原理基本相同，没有本质的区别。一般说来，双极型定时器的驱动能力较强，电源电压范围为5

19、-6V，最大负载电流可达200mA。而CMOS定时器的电源电压范围为3-18V，最大负载电流在4mA以下，它具有功耗低、输入阻抗高等优点。555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压 和。图1.1 555定时器内部结构极其各个引脚 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个

20、比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 的同相输入端的电压为， 的反相输入端的电压为。若触发输入端 TR 的电压小于，则比较器 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于，同时 TR 端的电压大于，则的输出为 0，的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。它的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端或接地，一般情况下接地。8脚：外接电源，双极型时基电路的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路的范围为3 18V。一般用5V。3脚：输出端Vo2脚：低触发端6脚：TH

21、高触发端4脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表如表所示：清零端高触发端TH低触发端Q放电管T功能0××0导通直接清零101x保持上一状态保持上一状态110x保持上一状态保持上一状态10 10 11 0导通截

22、止置1 清零555定时器的应用：1 构成施密特触发器，用于TTL系统的接口，整形电路或脉冲鉴幅等。2 构成多谐振荡器，组成信号产生电路。如图1.2所示 图1.2 由555构成的多谐振荡器振荡周期： （1.2.1）3 构成单稳态触发器，用于定时延时整形及一些定时开关中。555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成多种实用的电子电路，如定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路1.3 霍尔元件在传感器中，有类是对磁敏感的，称为磁敏传感器，这类传感器有干簧管，霍尔传感器，磁敏二极管等等。霍尔元件是利用霍

23、尔效应制成的磁敏元件。霍尔效应：如图所示的金属或半导体薄片两端通以电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势Uh（称为霍尔电动势或霍尔电压）。 图1.3 霍尔元件霍尔效应的产生是由于运动电荷受到磁场中洛仑兹力作用的结果。霍尔电势Uh可用下式表示： (V) （1.3.1）令 （1.3.2） 则得到 （1.3.3）由上可知，霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。称为霍尔元件的灵敏度，它与元件材料的性质和尺寸有关。为求得较大的灵敏度，一般采用大的N型半导体材料做霍尔元件，并且用溅射薄膜工艺使d做得很小。霍尔元件的主要参数：（2） 输入电阻

24、和输出电阻。霍尔元件控制电流极间的电阻为，霍尔电势极间的电阻为。（3） 额定控制电流。额定控制电流为使霍尔元件在空气中产生10温升的控制电流。（4） 不等位电势和不等位电阻。霍尔元件在额定控制电流控制作用下，不加外加磁场时，其霍尔电势极间的电势为不等位电势，不等位电势与额定控制电流的比称为不等位电阻。（5） 灵敏度。灵敏度是在单位磁感应强度下，通以单位控制电流所产生的霍尔电势。（6） 寄生直流电势。在不加外磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔电势极间产生的直流电势为。（7） 霍尔电势温度系数。为温度每变化1霍尔电势变化的百分率。（8） 电阻温度系数。为温度每变化1霍尔元件材料的电阻变化率。

25、第二章 盲人用电子指南音响设计及控制电路2.1 设计思路及电路方框图 自古指南仪器就是利用地磁效应，所以我们可以利用霍尔元件的磁感应效应来为我们指南。盲人一直是每个社会的一部分组成，他们的存在不容忽视，他们的生活需要指南，这是总所周知的。所以我设计此电路利用霍尔元件的效应为我们辨别方向，再通过音响播放出来，供盲人识别方向。 为了提高霍尔元件测量地球磁场的灵敏度，在传感器两侧紧贴两根扁平磁棒，以拾取较多的地球磁力线。接着利用差分放大器继续放大，继而送往555，利用555组成的电压-频率变换器输出频率，最后通过音响播放出不同频率不同音调的声音，从而辨别方向。电路方框图如2.2所示： 图2.1 电路

26、方框图2.2霍尔效应集成传感器UGN-3501M和差分放大器2.2.1霍尔效应集成传感器UGN-3501M 霍尔集成传感器分成线性型和开关型两大类。在本文中采用的是线性型霍尔集成传感器。 线性型霍尔集成传感器是指将霍尔元件和恒电流、线性放大器等做成在同一个芯片上，其输出的电压较高，使用非常方便，本文采用的为UGN-3501M型。 UGN-3501M是具有双端差动输出特性的线性霍尔元件，其外形、内部电路框图如图2.2所示，其输出特性如图2.3所示。当其感受的磁场为零时，第1脚相对于第8脚的输出电压等于零；当其感受的磁场为正向（磁钢额S极对准3501M的正面）时，输出为正；当其感受的磁场为反向时，

27、输出为负，因此它使用起来更加方便。它的第5、6、7脚外接一只微调电位器后，就可以微调并消除由不等位电势引起的差动输出零点漂移了。 图2.2 具有双端差动输出特性的线性霍尔元件 图2.3具有双端差动输出特性的线性霍尔元件的输出特性2.2.2差分放大器 如图2.5，放大器有两个输入端、；两个输出端、；输入管和的源极不是接地电位，而是共同接在电流源I上。它是对称的双端输入双端输出放大器，这种对称结构叫做差分结构。当放大器的两个输入端直流偏置电平相等时，那么根据电路的对称性，两个输出端的直流电平也相等。在输入端加入大小相等、相位相反的信号这样的一对信号称为差分信号，则输出端也同样是一对差分信号。图2.

28、5的放大器叫做差分放大器，因为它的输入、输出都是差分信号，所以更准确的，称之为全差分放大器。图2.5 差分放大器以图2.5 中的差分共源放大器为例分析差分电路的特性。设流过和管的直流电流分别是、，和管栅极上的直流电平分别是、，漏极电平是、，源极电平是，两个MOS管均工作在饱和区，尺寸相同。列出下面的直流方程：解出差分放大器的直流工作点。当电路完全对称的时候，有:接着来看当差分放大器的直流输入电压（-）发生变化时，电路中电压和电流的变化规律。先观察半边电路的情况:（1）当<时：足够小时，管关断，电流=0，所以=，此时管中的电流为=I， =-。随着的增大，管开启，并处于饱和区，电流上升，输出

29、电平下降。相应地，管中的电流开始下降，输出电平上升。在这一段，电流<，+=I。（2）当=时处于直流偏置状态（3）当时这时和管的情况正好相反，趋近偏置电流I，趋近-。管逐渐从饱和区进入截止区，趋近0，趋近。根据以上分析，在图2.6 和2.7 中分别画出半边电路的直流电流和输出电压随差分直流输入电压（-）的变化规律。由于偏置电流源I的存在，它限定了半边电路电流的最大变化范围是0I，因而也确定了半边电路输出直流电平的最大范围变化是- 图2.6 差分放大器半边电路直流电流随差分输入信号的变化 图2.7 差分放大器半边电路输出电压随差分输入信号变化2.3多谐振荡器用555定时器组成的多谐振荡器如图

30、2.8(a)所示。接通电源后，电容C被充电，当上升到时，使Vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R2和T放电，下降。当下降到时，Vo翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为 = 20.7C (2.2.1)当放电结束时，T截止，将通过、向电容器C充电，由上升到所需的时间为 = (+) 20.7(+)C (2.2.2)当上升到时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如图2.8(b)，其振荡频率为 (2.2.3) 图2.8 由555定时器组成的多谐振荡器（a）电路图 （b）工作波形由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分

31、电路形式，用555定时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。图2.8所示电路的，而且占空比固定不变，且不是50%，而本设计中需要的是方波信号，可将图2.8所示电路稍做改变（将电阻两端用一个二极管短接），并使得，就可以实现方波信号的输出，电路如图2.9所示。 图2.9 产生方波的多谐振荡器其中 = = 当=时，= ，即为一个方波信号。适当选择电阻与，即可得到本设计中所需要的多谐振荡电路，得到基准的方波信号。如果要实现占空比可调，可采用如图2.10所示电路。由于电路中二极管、的单向导电特性，使电容器C的充放电回路分开，调节电位器，就可调节多谐振荡器的占空比。图中，通过、向电容

32、C充电，充电时间为：0.7C (2.2.4)电容器C通过D、R及555中的三极管T放电，放电时间为： 0.7C (2.2.5)因而，振荡频率为： (2.2.6)电路输出波形的占空比为： q(%)=×100% (2.2.7)图2.10 占空比可调的方波发生器以上讨论了由555定时器组成的多谐振荡器，由于555定时器的比较器灵敏度高、输出驱动电流大、功能灵活，因而在电子电路中获得广泛应用。在本设计中也发挥了很大的作用，是本文电压-频率变换器电路组成部分。2.4电子指南音响电路 图2.11 电子指南音响电路如图2.11所示555及其周围元件构成一个电压-频率转换电路。用于确定地球磁场方位的

33、器件是一块霍尔效应集成传感器UGN-3501M，该传感器内含一个霍尔单元和一个线性差分放大器，该器件的敏感度约为1.4毫伏高斯，为提高测量地球磁场的灵敏度，在传感器两侧紧贴两根扁平磁棒，以捡拾到更多的地球磁力线。传感器的差分输出端（1脚，8脚）分别与A741组成的差分放大器的反相端（2脚）和同相脚（3脚）相连，进一步放大，然后加至555.输出电压的大小取决于霍尔器件上拾取的磁场强度，而555组成的电压-频率变换器输出的脉冲频率的高低则取决于上的充电电压值，也就是说，输出频率的高低是由指南音响所处的方位来决定的。调整时，通过调节电位器，使在磁场强度为零时，555的脉冲频率为某一值（如1000Hz

34、），当方位变化时，由于磁场的变化致使频率发生变化，盲人可根据音调的变化，确定行走的方位。2.5 电子指南音响的调节及使用第三章 测量数据的处理第四章 总结世界各国存在数量庞大的视觉残疾人。如何提高他们的生活质量，解决盲人的出行，已经成为全世界各国共同关注的问题。目前，盲人仍主要依靠探路棍、简单的触觉来认识世界。我国盲人用品用具市场存在两极分化的现状，低端的生活学习用品、用具较为丰富，而高端的产品却极为稀缺。当前市场上的助盲器材成型产品仅处于障碍物报警的初始水平，实用功能极其有限，不能给盲人提供足以理解周围环境的信息，远远不能满足盲人的生活需求。世界上有许多国家和科研机构正在研发盲人导行识别装置

35、。本文提出利用霍尔传感器感应地球磁力线，经差分放大器发达信号，加至555及其周围元件构成电压-频率转换器，最后根据不同频率由喇叭发出不同的音调，从而达到导盲的效果。从上学期末开始，在党老师悉心的帮助下，我按时完成每一阶段的任务，开始阶段的资料查找，极大的提高了我查阅资料的能力，在英文翻译的过程中，我学到了许多英文专业术语，并且增加了外文资料翻译的经验，由于这个毕业设计题目的要求需要霍尔集成传感器UGN-3501M，市面上难以购买我发做成实际电路板，只能用Pspice软件模拟出实验结果，在此过程中我要衷心感谢程华军同学对我的帮助，教会我使用该软件。最后是论文的撰写部分，一开始我并不知道如何下手去

36、写，后来党老师给了我一篇范文格式我才着手写论文。一些论文的要求，极大的提高了自己的文字表述能力。论文中涉及的文献资料，电路资料需要从图书馆，互联网等渠道去获得。在这次毕业设计以及论文中，学到了许多在书本上学不到的东西，了解了课题研究的基本过程。最后，在此感谢党老师、以及其他所有给过我帮助的老师、同学在毕业设计过程中给予我的帮助和鼓励。参考文献1 康华光 电子技术基础（数字部分） 2006年第五版 高等教育出版社 414页2 朱兆优 电子电路设计技术 2007年 国防工业出版社 81-83页3 潘炼 传感器原理及应用 2012年 电子工业出版社 145页4 黄贤武 传感器原理与应用 2010年

37、高等教育出版社电子科技大学出版社 198页致谢大学时光将近尾声，在毕业设计完成之际，对四年来指导、帮助、关心过我的老师、同学和朋友致以最真挚的感谢。首先我要感谢我的导师党兰芬老师。本论文是在导师党兰芬的悉心指导下完成的。从设计课题的选择,到设计过程中的指导,再到对论文的修改,党老师给了我莫大的帮助。在她身上体现了严谨治学的态度,渊博的学识,对事业执着追求的精神.在此我向党老师致以深深的谢意!感谢我的班主任汪小萍老师，感谢他在我的专业知识和专业技能上给予的指导，以及给了很多合理的建议和关心。感谢他在学习和生活上给予我的教育和关心，以及在毕业设计过程中给予我的鼓励。 感谢毕业设计同组同学夏棚、周奇、薛冬雷、冯小军等同学在设计过程中给予的帮助。 最后感谢学院、母校对我的培养和教育！祝母校明天更加辉煌!