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作者：南阳理工学院 周凌峰 邵占 魏万里
指导教师：徐源 高有堂

　　作品简介

　　设计背景：随着科技水平的不断提高，各种各样的高科技产品在不断的使我们的生活起居变得更加方便。当我们安然享受社会带给我们的这些便利之时，我们往往会忽略了一个重要的社会群体—盲人。据新华网报道我国约有500万盲人，占世界盲人总数的18%左右。且世界每年约有45万人失明。盲人由于身体的缺陷他们无法和我们一样自然的享受这些便利。虽然导盲犬和gps可以给盲人提供引导，可是导盲犬饲养困难且gps价格太昂贵，超出了大部分盲人的经济承受范围。纵观当今社会还没有哪款产品能真正解决盲人朋友的出行困难。基于此我们用单片机设计了一种带语音提示功能的“智能生活助手”，有了它盲人朋友不但可以安全的出行，而且也可以带上它去各个景区，每到一处它都可以用语音向主人介绍景点的各种信息，使盲人朋友能像正常人一样享受大自然和能工巧匠带给我们的各种震撼。系统的整体图如下：　　

 　　功能介绍及使用说明：“智能生活助手”基于为盲人提供便利的服务为目的，同时考虑到正常人的使用和时尚，我们为其设计了一个带触摸的3.0寸tft液晶显示屏。整个系统分为发射部分和手持设备。操作非常简单，通过预先在各个地点安装我们的我们非常廉价和小巧的发射装置，当用户手持设备靠近时会自动识别该地点的地址编码，然后与手持设备中存储的信息进行比对，然后用语音播放相应的地点信息。通过触摸选择屏幕上的相关功能选项就可以进入相应的功能区。比如进入mp3播放器、在主菜单获取实时环境信息。当环境改变时还会通过语音提示我们采取相应的措施。此外通过在sd卡中预存的相关信息可以实现为吃货们解决到处乱窜的烦恼，为你介绍所在地点最实惠的购物去处，为你提供各种事务提醒功能，为你提供最便捷的行车线路根据你现有的交通工具，还可为CEO们提供当天公司人员上班情况，是否有人迟到，检测车间各种大型系统机器运行是否正常，是否出过差错。为你提供景点、街道、文化和消费为重点的自动智能导游助手服务。涵盖范围宽广，可不断扩展、升级，丰富其功能。整个系统的使用非常简单，我们为其设置了人性化的彩屏显示界面，用户只需按照显示屏上的提示操作即可。
　　整个系统包括主控部分即嵌入式开发板(Freescale MK10DN512ZVLL10)，音频解码模块(vs1003)，存储设备(sd卡)，功率放大模块，无线发射与接收模块(NRF24L01)，显示模块(3.0寸TFT触摸彩屏)。系统的整体结构图如下：　　

 　　平台选型说明

　　考虑到系统的先进性以及多I/O口和运行快速稳定的需要我们选用了大赛指定的嵌入式开发板(Freescale MK10DN512ZVLL10芯片为控制核心)

　　设计说明

　　设计方案论证：在本次设计中我们本着模块化开发的理念，把系统的各个功能模块化，先实现每个模块的基本功能，然后再进行拼接实现整体的功能。在整个设计过程中，我们总共设计了三种方案。第一种方案就是只针对盲人用户，即只有无线发射与接收模块，音频解码模块和存储模块。通过讨论认为这种方案面向的社会群体太小，难以成品化，于是我们又有了第二种方案，就是在第一种方案的基础之上加上了一块触摸彩屏，在彩屏上显示播放的景点信息，这种方案虽然使面向的对象变得广泛了，可是系统的功能还是太单一，满足不了人们的日常需求，于是我们就有了第三种方案，也是我们本次设计“智能生活助手”所采用的方案，除了方案二所实现的模块之外我们又增加了时钟和温湿度的模块，并且在sd卡中存储了大量的生活信息。用户可以通过我们的人性化触摸彩屏界面选择进入相应的功能分区。在彩屏上的功能主分区主要分为MP3，助手，时间，温湿度四个模块。在mp3功能选项下，我们通过屏幕显示了sd卡音乐文件夹下的所有音乐，闲暇时用户可以通过触摸彩屏选择播放自己喜爱的音乐，也可以随意的切换，暂停或者是停止。在助手功能选项下用户可以进行设置是否打开助手。如果打开助手，当检测到有发射信号时，手持设备就会自动的播报该地点的相关信息，如果关闭助手，即使检测到信号时，也不会播报。时间和温湿度模块主要是给用户提供实时时间和环境的信息，并根据温湿度信息给用户一些友好的提示。

　　一、电源部分
　　电源部分我们目前采用的是7.2v的可充电电池给整个系统供电，由于主控部分嵌入式开发板需要5v的电压供电，因此我们需要进行电压的转换，lm2940具有纹波小，电路结构简单的优点，且具有低压差线性稳压的特性，于是我们就选用lm2940做为电源稳压芯片，经过测试输出电压稳定，符合我们的设计要求，电源稳压电路如下：　　

 　　备注：图中VDD为输入电压7.2v，VCC为输出电压5v。

　　二、音频解码模块
　　当今主流的音频解码芯片有很多，比如飞利浦的SAA775x芯片，韩国生产的Telechips芯片，还有产自美国的Sigmatel系列以及产自芬兰vlsi半导体公司的vs1003芯片。通过比对我们发现vs1003芯片价格便宜且功能强大，操作简单且易于编程，解码与控制芯片分离，所以音质非常好，完全能够满足我们本次设计的全部需求，因此我们决定采用vs1003做为我们“智能生活助手”的音频解码芯片。解码部分的设计原理图如下：　　

 　　Vs1003是一个单片MP3/WMA/MIDI音频解码器和ADPCM编码器。它包含了一个高性能低功耗的DSP处理器核VS_DSP4，工作数据存储器 ，为用户应用提供5k的指令RAM和0.5K的数据RAM。串行的控制盒数据接口，4个常规用途的I/O口，一个UART，也有一个高品质可变采样率的ADC和立体声DAC，还有一个耳机放大器和地缓冲器。此外vs1003还有16个功能寄存器，用户可以通过读取这些寄存器获取vs1003的状态，比如播放时间等，用户还可以通过向这些寄存器中写入不同的初值实现不同的功能，比如重音加强，音量加减等。Vs1003通过一个串行接口来接收输入的比特流，它可以作为一个系统的从机。输入的比特流被解码，然后通过一个数字音量控制器到达一个18位过采样多为DAC。通过串行总线控制解码器。除了基本的解码，在用户RAM中还可以做其他特殊应用，例如DSP音效处理。
　　Vs1003采用SCI和SDI通信方式给vs1003发送指令或者是音频数据，通过拉低/XDCS或者是/XCS来选择vs1003是进入接收指令模式或者是接收音频数据模式。在接收指令模式下，可以通过嵌入式开发板的主控芯片向vs1003的16个寄存器中写入相应的数据，比如向0x0b号寄存器中写入响应的值就可以改变vs1003的音量。在接收数据模式下，可以通过spi的方式向vs1003中写入音频数据，从而实现音频文件的播放。此外，为了方便用户的学习和编程，vs1003内部还集成的有正弦测试程序，用户通过向vs1003写入一定的数据序列可以打开vs1003的正弦测试模式，也可以通过向vs1003写入一定的数据序列关闭正弦测试。
　　Vs1003的工作流程图如下：　　

 　　三、存储模块：
　　存储模块我们主要考虑的是通用性和大容量，基于此我们选择了广泛应用于手机和数码产品中的sd卡，sd卡配合fat32文件系统可以轻松的实现对sd卡中某一个文件的操作。这也是我们选择sd卡的重要原因之一。SD卡共有两种通信方式，SD模式和SPI模式，其中SD模式需要占用六个I/O口而SPI模式只需占用四个I/O口，虽然SD通信模式的速度要比SPI的通信速度快，但SD模式占用的I/O口偏多且当今许多单片机都带有硬件的SPI通信模式，因此本次设计中我们也采用了SPI的通信方式。SD卡在SPI通信模式下的管脚说明及与主控芯片的连接关系如下图所示：　　

 　　SD卡本身拥有完备的指令系统，对SD卡的复位和初始化，以及读写扇区只需向SD卡中写入相应的指令序列即可，操作成功之后会返回相应的数值。对SD卡读写扇区成功之后接下来就要构造fat32文件系统了，关于fat32文件系统最重要的信息主要是两个模块，一个是MBR另外一个就是DBR，在MBR中我们主要获得的信息是磁盘的总大小，磁盘的分区信息，以及DBR所在的扇区，有了这些信息我们就可以找到DBR的位置并读取出相应扇区的数据，通过整理这些信息我们能够知道每个扇区的字节数，每簇的扇区数，保留扇区数目，FAT表的大小，FAT表的数量，根目录的簇号。通过这些信息我们能够计算出第一个FAT表的扇区号和第一个目录的扇区号，通过读取并分析FAT表中的各种信息我们就能知道个个簇之间的相互链接关系，便于我们读取一个文件的完整信息。然后再把这些信息转化成相应的代码就可以实现对某一个文件的各种操作了。

　　四、功率放大模块
　　vs1003内置耳机放大器，但在室外的一些场合有时候人们不方便或者是不想戴耳机，这时候就要求我们的“智能生活助手”能够通过扬声器播放信息。因此我们为其设计了一个功放电路。手持设备对功率要求不高，因此我们采用的功放电路是基于小功率放大器TDA2822设计的，电路的原理图如下所示：　　

 　　备注：JP7为5v电源输入口，JP5为输入的音频信号，JP8为接扬声器端口

　　五、时钟与温湿度模块
　　为了使用户能够方便的了解当前时间和实时的环境信息，比如温湿度，我们特意为该“智能生活助手”增加了温湿度和时钟模块。其中时钟模块我们采用的是DS1302并增加了一块备用电子，在程序中我们加入了掉电保护的部分，即使用户的电量不足也能保证时间数据不丢失。极大的方便了用户的生活。温湿度模块我们采用了DHT11，虽然DHT11的温度范围有限，不过也能满足我们日常的需求，当环境的信息改变时能够通过界面提出一些人性化的友好提示。　　

 　　六、TFT触摸显示模块
　　触摸显示模块即对各个模块的信息实时显示，又对各个模块控制，友好的人机交互界面。TFT显示控制用的是XPS2046芯片，触摸控制芯片用的是5024芯片。
　　触摸屏内容主要包括以下几个方面：
　　1、 MP3音乐播放：在此菜单下可以播放，SD卡中储存的音乐，设置播放模式，和设置音量大小等。
　　2、 日期：在此菜单下可以设置和储存设备的日期
　　3、 闹钟：在此菜单可以设置闹钟时间
　　4、 助手：在此菜单下可以打开助手功能，设置助手选项，查看助手介绍。
　　通过TFT触摸可以轻松对设备各模块进行操作，完善的界面，人性化的功能，让用户使用起来极其方便、舒适。系统的功能图如下所示：　　

 　　作品特色

　　“智能生活助手”发射模块采用廉价的89c52单片机，手持设备的主控采用高性能32位的k10单片机系统运行快速稳定。创新性体现在用语音代替了传统的图片或者是文字提示达到了最佳的提示效果。如果政府部门或者是社会公益组织在城市各个路口或者是危险区域安装了我们的发射模块，再为盲人配备一块我们的手持设备，这样当盲人朋友到达危险区域时系统就会检测到发射装置的信息，然后自动的通过语音提示为盲人朋友提供各种引导，避免了危险的发生。这样一来花费很少的资金就可以为盲人朋友的出行带来巨大的方便，景区如果安装了我们的发射装置，再采用租赁或者是其他的方式给游客提供手持设备这样就可以轻松的为自驾游或者是没有导游的团体提供各个景点的语音介绍。此外我们的“智能生活助手”还可以做为城市的公交自动报站系统使用，这样当公交车靠近车牌时就会检测到站点的信息，及时准确的通过语音播报站点的信息，避免了错报或者是漏报站点信息和人工操作的麻烦。还可运用到工业设备状态监测，当检测到工业现场发射点，回读发射点信息，统计各设备运行状况。避免了危险的发生。
　　此设备应用了SD卡储存、音频解码、TFT触摸、无线收发等多种先进技术人机交互界面友好，使用方便。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2352