基于單片機(jī)的盲人智能手杖設(shè)計(jì)

李海東　康偉　高曉玲　戴瑞

摘? 要：傳統(tǒng)的導(dǎo)盲杖已經(jīng)不能保障盲人的安全出行，本系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C52作為核心處理器，采用超聲波測(cè)距技術(shù)，ISD1420語(yǔ)音芯片，利用proteus軟件搭建了系統(tǒng)各模塊的硬件仿真電路，結(jié)合Keil C平臺(tái)進(jìn)行了軟件編程實(shí)現(xiàn)。通過(guò)調(diào)試和測(cè)試，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的盲人的智能手杖，可以對(duì)道路上的障礙物進(jìn)行距離探測(cè)，并提供語(yǔ)音提示、時(shí)間播報(bào)、燈光示警等功能，為盲人提供行走時(shí)避讓障礙物服務(wù)，起到避免安全隱患的作用。

關(guān)鍵詞：STC89C52;超聲波測(cè)距;盲人智能手杖

中圖分類(lèi)號(hào)：TP216? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）22-0030-03

Abstract：The traditional walking stick can not guarantee the safe travel of the blind. This system uses the single-chip STC89C52 as the core processor，adopts ultrasonic ranging technology，ISD1420 voice chip，and uses the proteus software to build the hardware simulation circuit of each module of the system，combined with Keil C platform is implemented by software programming. Through debugging and testing，the system design blind intelligent walking stick，can detect the obstacles on the road，and provide voice prompts，time broadcast，light alarms，etc.，to provide blind people with obstacles when walking，to avoid potential safety hazards.

Keywords：STC89C52;ultrasonic ranging;blind intelligent walking stick

0? 引? 言

盲人受先天或后天視力上的缺陷影響，導(dǎo)致一個(gè)人行走時(shí)必須依靠導(dǎo)盲裝置，其中最常見(jiàn)的導(dǎo)盲裝置就是手杖。普通手仗可以幫助盲人發(fā)現(xiàn)60cm以?xún)?nèi)的障礙物的避讓?zhuān)禽^遠(yuǎn)一點(diǎn)或者懸空的障礙卻不能及時(shí)準(zhǔn)確地避讓?zhuān)虼诉@種傳統(tǒng)的導(dǎo)盲杖已經(jīng)不能保障盲人的安全出行。本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為控制器，設(shè)計(jì)了一種超聲波導(dǎo)盲手杖，可以對(duì)道路上的障礙物進(jìn)行距離探測(cè)，通過(guò)語(yǔ)音提示，避讓障礙同時(shí)達(dá)到導(dǎo)盲作用。

1? 設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)作為控制器，在測(cè)距方案的選擇上，對(duì)比了常用的避障測(cè)距技術(shù)，如：激光測(cè)距、紅外線(xiàn)測(cè)距、超聲波測(cè)距等技術(shù)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)激光測(cè)距，雖然測(cè)量精度較高，但是價(jià)格昂貴。而在距離較短的情況下，采用紅外線(xiàn)測(cè)距，由于發(fā)射到接收的時(shí)間過(guò)短，單片機(jī)無(wú)法獲得數(shù)據(jù)，所以紅外測(cè)距不適合本設(shè)計(jì)。綜合考慮之后，本設(shè)計(jì)采用了價(jià)格較便宜、更適合短距離測(cè)量的超聲波技術(shù)作為測(cè)距模塊。利用超聲波傳感器完成測(cè)距，對(duì)盲人前方道路上的障礙物進(jìn)行距離探測(cè)，并把障礙物距離信息轉(zhuǎn)換成語(yǔ)音提示，盲人可以根據(jù)提示音，在避讓障礙的同時(shí)達(dá)到導(dǎo)盲作用。同時(shí)，考慮到在夜晚時(shí)能見(jiàn)度低，為了車(chē)輛和行人更容易避讓盲人，采用光敏電阻檢測(cè)周?chē)h(huán)境的亮度，并將該亮度轉(zhuǎn)化為相反邏輯的紅色警示光，用來(lái)提醒來(lái)往行人和車(chē)輛及時(shí)避讓。本系統(tǒng)還提供語(yǔ)音播報(bào)時(shí)間功能，能進(jìn)行整點(diǎn)提醒。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的控制核心為STC89C52單片機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)的硬件由超聲波測(cè)距模塊、語(yǔ)音提示模塊、光警提示模塊、時(shí)鐘模塊、顯示模塊構(gòu)成。系統(tǒng)上電之后，超聲測(cè)距模塊檢測(cè)到有障礙物之后，發(fā)送給單片機(jī)控制中心，單片機(jī)將超聲波的距離信息處理之后，通過(guò)語(yǔ)音提示電路進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，同時(shí)觸發(fā)光警提示模塊。本系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。

2.1? STC89C52單片機(jī)

STC89C52是一種帶8K字節(jié)可編程Flash存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，可為嵌入式控制系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器、512字節(jié)內(nèi)部RAM、32個(gè)雙向I/O口、三個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷、兩個(gè)串行中斷，共六個(gè)中斷源，全雙工串行口。另外，STC89C52支持低功耗空閑和掉電模式：空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作;掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。STC89C52引腳分布如圖2所示。

2.2? 超聲波測(cè)距模塊

本系統(tǒng)中超聲波測(cè)距模塊選用的是HC-SR04測(cè)距模塊。HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到3mm;模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。其中心頻率為40KHz，發(fā)射聲壓在10V，0dB=0.02m/Pa的條件下≥95dB;接收靈敏度在40KHz中心頻率，0dB=10V/pa的條件下≥-65dB;靜電容量為1260pF-2340pF;探測(cè)距離為0.2-3m。基本工作原理：采用IO觸發(fā)測(cè)距，觸發(fā)信號(hào)輸入端（Trig）輸入一個(gè)10微秒以上的高電平信號(hào)，超聲發(fā)送口收到信號(hào)，自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40Hz方波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，待傳感器接收到回波則停止計(jì)時(shí)并輸出回響信號(hào)，回響信號(hào)脈沖寬度與所測(cè)距離成正比。根據(jù)時(shí)間間隔可以計(jì)算距離，公式：距離=（高電平時(shí)間*聲速）/2。

本系統(tǒng)中超聲波測(cè)距電路如圖3所示。通過(guò)單片機(jī)的P1.1口輸入一個(gè)20us的高電平脈沖，來(lái)觸發(fā)超聲波模塊開(kāi)始工作，并且定時(shí)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，同時(shí)，接收端開(kāi)始不斷檢測(cè)有無(wú)回波。一旦接收到有回波信號(hào)，則P3.2口立即進(jìn)入中斷，停止定時(shí)器計(jì)數(shù)，把計(jì)數(shù)值送入寄存器中計(jì)算當(dāng)前距離。

2.3? ISD1420語(yǔ)音芯片

ISD1420是美國(guó)信息存貯器件公司推出的ISD系列語(yǔ)音電路，采用直接模擬存貯技術(shù)，錄放音質(zhì)好，并有一定混響效果，且電路斷電后語(yǔ)音內(nèi)容仍不丟失。電路內(nèi)部由振蕩器、語(yǔ)音存儲(chǔ)單元、前置放大器、自動(dòng)增益控制電路、抗干擾濾波器、輸出放大器組成;外圍元件簡(jiǎn)單，僅需要少量阻容元件、麥克風(fēng)即可組成一個(gè)完整錄放系統(tǒng)。ISD1420語(yǔ)音芯片單電源供電，典型電壓為5V，待機(jī)時(shí)低功耗僅為0.5μA，典型放音電流15mA;放音時(shí)間20s，可擴(kuò)充級(jí)聯(lián);可持續(xù)放音，也可分段錄放，可分段數(shù)160段;錄放次數(shù)達(dá)10萬(wàn)次，操作簡(jiǎn)單，無(wú)須專(zhuān)用編程器及語(yǔ)音開(kāi)發(fā)器。ISD1420語(yǔ)音芯片引腳說(shuō)明如圖4所示。

2.4? 燈光示警模塊設(shè)計(jì)

示警方式：通常有燈光示警，用閃動(dòng)的指示燈來(lái)警示人;其次是聲音示警，發(fā)出特定的語(yǔ)音提示;在選擇警示電路時(shí)，需要使其硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編程簡(jiǎn)單。此次設(shè)計(jì)除了語(yǔ)音警示外還添加了人性化的光控制LED燈示警系統(tǒng)，為了方便夜晚時(shí)提醒路過(guò)的車(chē)輛和行人避讓盲人而設(shè)計(jì)。采用光敏電阻控制示警燈開(kāi)關(guān)，當(dāng)夜晚光線(xiàn)變暗時(shí)，光控制系統(tǒng)導(dǎo)通，給警示燈供電。光線(xiàn)采集電路如圖5所示。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于Keil C軟件編程環(huán)境，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，將程序拆分成幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子程序，這樣既方便程序的閱讀，也有利于以后對(duì)程序進(jìn)行修改和移植，具有良好的可續(xù)性和擴(kuò)展性。本系統(tǒng)以Proteus軟件為電路仿真設(shè)計(jì)環(huán)境。Proteus ISIS是英國(guó)Labcenter公司開(kāi)發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件，功能極其強(qiáng)大，可以仿真、分析（SPICE）各種模擬器件和集成電路。

系統(tǒng)上電后，首先將各個(gè)模塊初始化，通過(guò)IO觸發(fā)測(cè)距，觸發(fā)信號(hào)使超聲測(cè)距模塊工作，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，待傳感器接收到回波則停止計(jì)時(shí)，然后根據(jù)時(shí)間間隔可以計(jì)算距離，將此數(shù)值傳送給語(yǔ)音模塊，通過(guò)語(yǔ)音電路進(jìn)行提示。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

4? 結(jié)? 論

通過(guò)測(cè)試與調(diào)試，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的盲人手杖能夠?qū)崿F(xiàn)利用超聲波方法測(cè)量物體間的距離，并給出預(yù)警。本系統(tǒng)以單片機(jī)作為實(shí)時(shí)控制核心，通過(guò)超聲波進(jìn)行距離測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音提示，使盲人在看不見(jiàn)的情況下，能夠識(shí)別前方的障礙物正常地行走，起到保護(hù)盲人安全的作用。

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作者簡(jiǎn)介：李海東（1994-），男，回族，寧夏靈武人，助理工程師，本科，研究方向：電路系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì);通訊作者：高曉玲（1981-），女，漢族，寧夏平羅人，碩士，講師，主要從事電子信息專(zhuān)業(yè)的教學(xué)與研究工作。