基于51單片機(jī)的盲文助讀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

李錦明，李文景，陳紅梅，駢 根

（哈爾濱理工大學(xué) 榮成學(xué)院，山東 威海 264300）

0 引言

中國是全世界盲人最多的國家之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)約有900萬盲人［1］。盲人接受文字信息的途徑主要有利用語音合成發(fā)聲軟件閱讀和觸摸盲文凸字兩種形式。語音合成發(fā)聲感情生硬，缺乏閱讀快感，較晦澀的文字和公式更是難以理解記憶。同時(shí)，供盲人閱讀的新版圖書只有104種，盲文期刊僅8種，品種數(shù)量可謂奇缺［2］。另一方面，現(xiàn)有的盲文助讀器由于采用壓電陶瓷，其價(jià)格也頗為昂貴。本文基于51單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種新型的盲文助讀器。

1 新型盲文助讀器的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

目前廣泛應(yīng)用的盲文有現(xiàn)行盲文和雙拼盲文兩種，現(xiàn)行盲文以三行兩列的6個(gè)凸點(diǎn)為一個(gè)基本單位，6個(gè)凸點(diǎn)之間通過不同的排列組合形成不同的文字，本文基于流行最廣的現(xiàn)行盲文設(shè)計(jì)了一種8方的盲文助讀器。因微型步進(jìn)電機(jī)具有體積小、利于控制、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，機(jī)械部分采用步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)凸點(diǎn)的起落，控制部分則采用STC89C51單片機(jī)，通過6個(gè)LB1848M步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來控制6個(gè)步進(jìn)電機(jī)，每個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制1個(gè)凸點(diǎn)的起降，每6個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制的凸點(diǎn)表示1個(gè)盲文單元（即盲文的1方），每個(gè)盲文單元可以顯示1個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字或英文字母，2個(gè)或3個(gè)單元可以顯示1個(gè)漢字。電路連接部分采用自行設(shè)計(jì)的PCB板，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、步進(jìn)電機(jī)、單片機(jī)有序地連接。單片機(jī)通過內(nèi)部程序控制來實(shí)現(xiàn)盲文單元內(nèi)6個(gè)步進(jìn)電機(jī)間以及每個(gè)盲文單元間的協(xié)調(diào)組合，從而實(shí)現(xiàn)盲文的表達(dá)輸出。新型盲文助讀器的總體框架如圖1所示。

圖1 新型盲文助讀器的總體框架

2 機(jī)械整體架構(gòu)

采用微型步進(jìn)電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)（即控制終端），通過單片機(jī)發(fā)送的信號控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)控制螺母和凸點(diǎn)的升降運(yùn)動(dòng)。將微型步進(jìn)電機(jī)鑲嵌在底盤內(nèi)，焊接在PCB板上，利用導(dǎo)軌板壁和與之配合的電機(jī)限制螺母沿x，y，z軸平動(dòng)和繞x，y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使之只能繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)沿導(dǎo)軌板壁的上下移動(dòng)，每6個(gè)凸點(diǎn)為1個(gè)單元，通過不同凸點(diǎn)的起降變化，顯示不同的文字。盲文助讀器的機(jī)械整體構(gòu)架如圖2所示。

步進(jìn)電機(jī)是四線二項(xiàng)混合式（Hybrid Stepping，HS）微型步進(jìn)電機(jī)，此款電機(jī)屬于二相四拍式步進(jìn)電機(jī)。通過LB1848M芯片產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)絲軸上的螺母上下運(yùn)動(dòng)，距離控制在2mm的統(tǒng)一高度。步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

3 控制部分設(shè)計(jì)

3.1 多機(jī)通訊的硬件設(shè)計(jì)

PC機(jī)作為上位機(jī)，主機(jī)和從機(jī)都為51單片機(jī)。PC機(jī)與主機(jī)通過串口通訊。由于通訊距離較短，所以本項(xiàng)目采用RS232進(jìn)行串口通訊，波特率為9 600b/s，數(shù)據(jù)位為8位。

圖2 盲文助讀器的機(jī)械整體構(gòu)架

圖3 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

主機(jī)利用緩沖寄存器SBUF接收PC機(jī)發(fā)來的字符數(shù)據(jù)后經(jīng)過內(nèi)部轉(zhuǎn)碼處理，將字符數(shù)據(jù)翻譯為對應(yīng)的電機(jī)控制碼，通過串行通訊發(fā)送給從機(jī)。從機(jī)接收完主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)后，實(shí)時(shí)控制相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。主、從機(jī)通訊的電路節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)見圖4，其中從機(jī)部分只顯示出了一個(gè)單片機(jī)和1個(gè)電機(jī)。

PCB板的設(shè)計(jì)是本項(xiàng)目硬件系統(tǒng)的重要部分，使用Protel DXP2004，實(shí)現(xiàn)了SCH（原理圖）設(shè)計(jì)、SCH仿真、PCB（印制電路板）設(shè)計(jì)、Auto Router（自動(dòng)布線器）和FPGA設(shè)計(jì)。

在PCB的制作過程中，芯片LB1848M的封裝根據(jù)技術(shù)手冊完成。為了減小盲人助讀器的整體尺寸并且配合微型步進(jìn)電機(jī)的焊接，實(shí)際制作時(shí)，采用兩層PCB板作為信號層，其主要的工藝指標(biāo)如下：PCB板寬為24mil；最小線寬為6mil；走線與焊盤的最小距離為12mil；過孔最小內(nèi)徑為16mil。

3.2 多機(jī)通訊的軟件設(shè)計(jì)

通過對51單片機(jī)內(nèi)部的多機(jī)通訊控制位SM2、SM1的控制實(shí)現(xiàn)多機(jī)通訊。多機(jī)通訊流程圖如圖5所示。

利用串行通訊來實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)間的通訊，主機(jī)先利用串口向所有從機(jī)發(fā)送地址，在從機(jī)接收到地址時(shí)進(jìn)行判斷。若地址不符則不作為，地址相符則繼續(xù)接收主機(jī)發(fā)來的電機(jī)控制信息，進(jìn)而對電機(jī)進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)盲文的顯示。

圖4 主、從機(jī)通訊的電路節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖5 多機(jī)通訊流程圖

在進(jìn)行多機(jī)通訊時(shí)，主機(jī)依次對從機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)8組步進(jìn)電機(jī)的依次控制，先控制第1個(gè)從機(jī)，令電機(jī)顯示第1個(gè)盲文，再控制第2個(gè)從機(jī)，令電機(jī)顯示第2個(gè)盲文，……

在8組從機(jī)依次控制完畢后將所有從機(jī)的控制位SM2、SM1恢復(fù)為初始狀態(tài)，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次通訊命令的接收。

4 結(jié)論

本文從我國盲文使用現(xiàn)狀入手，指出了現(xiàn)有語音合成發(fā)聲軟件和紙質(zhì)書籍的弊端，并詳細(xì)介紹了新型盲文助讀器的具體設(shè)計(jì)原理。利用微型步進(jìn)電機(jī)控制凸點(diǎn)，用單片機(jī)控制電機(jī)，通過PCB進(jìn)行電路搭建，實(shí)現(xiàn)了新型盲文助讀器的設(shè)計(jì)。它能很方便地將電子版文字轉(zhuǎn)化為盲文凸起形式，價(jià)格低廉，對盲人的學(xué)習(xí)、生活有很大的幫助。

［1］張映娣，張小慰.誰來關(guān)注盲人的閱讀需求［J］.出版參考，2005（36）：7.

［2］李然，武俊峰.電動(dòng)公交客車CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，17（1）：68-72.