基于51單片機(jī)的智能盲人助行器的設(shè)計(jì)

嚴(yán)莉莉, 張慎, 胡應(yīng)超, 張憲萍

(南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院, 江蘇 南京 210023)

0 引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各類(lèi)生活用智能電子產(chǎn)品可謂是琳瑯滿(mǎn)目，比如：聲控LED臺(tái)燈、自動(dòng)面包機(jī)、電子血糖儀等等，這些電子產(chǎn)品極大地方便了我們的生活，但是針對(duì)殘障人士的智能電子產(chǎn)品依然較少。

本文提出了以51單片機(jī)為核心控制器件設(shè)計(jì)的一款盲人智能助行器，該助行器能夠通過(guò)超聲避障和語(yǔ)音提醒幫助使用者及時(shí)避開(kāi)周?chē)系K物，并且配置GPS和GSM模塊，當(dāng)使用者需要幫助時(shí)，可以一鍵發(fā)送自己的位置信息給指定手機(jī)號(hào)。由于盲人一般不能準(zhǔn)確說(shuō)出自己的位置，通過(guò)GPS定位，方便家人能夠及時(shí)找到[1-2]。

1 智能助行器硬件設(shè)計(jì)

1.1 助行器結(jié)構(gòu)及工作原理

智能助行器以51單片機(jī)為控制核心結(jié)合超聲波模塊、語(yǔ)音模塊、GPS模塊、GSM模塊和按鍵構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 智能助行器結(jié)構(gòu)框圖

助行器使用時(shí)單片機(jī)通過(guò)控制安裝在前方、左方、右方的三個(gè)超聲波模塊探測(cè)周?chē)鷥擅變?nèi)的障礙物，當(dāng)某個(gè)方向有障礙物時(shí)，通過(guò)語(yǔ)音模塊提醒使用者“某方向有障礙物，請(qǐng)小心!”而且助行器中安裝的GPS模塊實(shí)時(shí)接收使用者所處位置的經(jīng)緯度信息，當(dāng)使用者需要幫助時(shí)，可以按下控制鍵，通過(guò)GSM模塊發(fā)送自己的位置信息短信給綁定手機(jī)號(hào)碼，接收者可以通過(guò)經(jīng)緯度信息獲知具體位置，及時(shí)找到求助者所在位置。

1.2 51單片機(jī)選型

本文設(shè)計(jì)的智能助行器以51系列單片機(jī)為核心控制器，但是51系列的單片機(jī)型號(hào)眾多，考慮到智能助行器中有GPS模塊和GSM模塊，這兩個(gè)模塊都是通過(guò)串行口和單片機(jī)進(jìn)行通信，所以在選擇控制器時(shí)考慮選用具有雙串口的單片機(jī)。本設(shè)計(jì)最終選用STC12C5A602作為控制器，它是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8 051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8 051,但速度快8-12倍，而且具有雙串口，能夠滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的需求。

1.3 超聲避障語(yǔ)音功能實(shí)現(xiàn)

超聲避障功能是依據(jù)超聲波方向性好、反射能力強(qiáng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的。本助行器中超聲模塊采用HC-SR04，它可提供2 cm-400 cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可高達(dá)3 mm,性能穩(wěn)定，體積小，便于與微控制器連接[3]。在使用中單片機(jī)控制三個(gè)超聲模塊每隔2秒依次輪流發(fā)出超聲波，當(dāng)周?chē)鷥擅字畠?nèi)有障礙物時(shí)，單片機(jī)觸發(fā)語(yǔ)音模塊進(jìn)行語(yǔ)音提醒，提醒使用者在某個(gè)方向有障礙物，請(qǐng)小心。

語(yǔ)音提醒功能是通過(guò)WT588D語(yǔ)音模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，WT588D語(yǔ)音芯片是一款功能強(qiáng)大的可重復(fù)擦除燒寫(xiě)的語(yǔ)音單片機(jī)芯片，內(nèi)置SPI-Flash存儲(chǔ)器。WT588D提供了MP3控制模式、按鍵控制模式、并口控制模式、串口控制模式。本設(shè)計(jì)中使用了串口控制模式下的三線(xiàn)串口控制模式，三線(xiàn)串口控制模式由三條通信線(xiàn)組成，分別是數(shù)據(jù)DATA(P01)、片選CS(P02)、時(shí)鐘CLK(P03)，時(shí)序根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SPI通信方式。音頻輸出采用PWM輸出模式，直接連接揚(yáng)聲器。超聲模塊和語(yǔ)音模塊與單片機(jī)的接口電路如圖2所示。

圖2 超聲模塊和語(yǔ)音模塊與單片機(jī)的接口電路

1.4 助行器定位功能實(shí)現(xiàn)

助行器定位功能通過(guò)接收GPS信號(hào)再進(jìn)行解碼獲得使用者當(dāng)前的經(jīng)緯度信息。GPS是Global Positioning System的簡(jiǎn)稱(chēng)，也就是全球定位系統(tǒng)。它由美國(guó)建立，并在上世紀(jì)60年代應(yīng)用于美國(guó)軍方。由于其性能好、精度高等特點(diǎn)，現(xiàn)已在日常生活的電子產(chǎn)品中廣泛使用。

助行器定位功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是如何正確接收GPS信號(hào)并解析出經(jīng)緯度信息。目前對(duì)于GPS信號(hào)的接收多采用GPS接收模塊，該模塊以GPS接收芯片為核心結(jié)合外圍器件和天線(xiàn)構(gòu)成，性能穩(wěn)定并且使用非常方便，定位成功后直接就可以通過(guò)模塊的串口輸出GPS地理信息。

本設(shè)計(jì)中GPS信號(hào)接收模塊選用的是VK2828U7G5LF GPS接收模塊，該模塊功耗低，性能穩(wěn)，通用性強(qiáng)，適合使用電池供電的便攜式產(chǎn)品，模塊直接以TTL電平輸出，可直接與單片機(jī)串行口連接，接收信息。通常情況下只需要連接電源、地、發(fā)送和接收引腳即可。在本助行器的設(shè)計(jì)中，GPS模塊發(fā)送引腳連接單片機(jī)的P1.2引腳，接收引腳連接P1.3引腳，P1.2和P1.3引腳是單片機(jī)的串行口2的接收和發(fā)送引腳。GPS模塊與單片機(jī)的接口電路如圖3所示。

圖3 GPS模塊與單片接口電路

1.5 助行器求助功能的實(shí)現(xiàn)

本助行器設(shè)計(jì)時(shí)考慮的使用對(duì)象是盲人，當(dāng)他們需要救助時(shí)，困難的是不能準(zhǔn)確說(shuō)出自己的位置?？紤]到這種因素，所以求助功能通過(guò)按鍵結(jié)合GSM模塊實(shí)現(xiàn)，需要時(shí)，只要按下“求助”鍵，就可以通過(guò)GSM模塊發(fā)送自己的GPS位置信息給指定手機(jī)號(hào)，方便親人及時(shí)找到他們。

本設(shè)計(jì)中使用的GSM模塊是SIM800C，它是一款四頻GSM/GPRS模塊，性能穩(wěn)定，外觀(guān)小巧，性?xún)r(jià)比高，能滿(mǎn)足客戶(hù)的多種需求。模塊輸出TTL電平，可直接與單片機(jī)連接。在本設(shè)計(jì)中，GSM模塊的TXD和RXD引腳分別連接單片機(jī)串行口1的P3.0和P3.1引腳。VIN和VTTL接DC5V，GND接電源地。GSM模塊使用時(shí)要注意VTTL引腳通常與控制它的單片機(jī)電源連接，它是單片機(jī)板子的電壓引腳對(duì)GSM模塊的TTL邏輯電平的調(diào)整，這樣保證模塊TXD和RXD引腳邏輯電平和控制它的單片機(jī)一致。 GSM模塊與單片機(jī)接口電路如圖4所示。

圖4 GSM模塊與單片機(jī)接口電路

2 助行器軟件程序設(shè)計(jì)

助行器的程序控制主要是單片機(jī)對(duì)超聲模塊、語(yǔ)音模塊、GSM模塊和GPS模塊的控制，主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

助行器初次使用時(shí)，首先要在GSM模塊中插入SIM卡，并且綁定發(fā)送短信的指定號(hào)碼，其綁定方式是：使用要綁定號(hào)碼的手機(jī)給GSM模塊中SIM卡發(fā)送一條“PHONE SMS:***********”(*表示GSM模塊中SIM卡號(hào))，當(dāng)手機(jī)收到“Set End”短信回復(fù)時(shí)，表示綁定成功。之后當(dāng)GPS接收模塊指示燈每3秒左右閃爍一下的時(shí)候，表示GPS接收器已經(jīng)能夠成功接收衛(wèi)星信號(hào)。助行器中的前、左、右三個(gè)超聲模塊循環(huán)發(fā)出超聲波，探測(cè)周?chē)鷥擅字畠?nèi)是否有障礙物，當(dāng)有障礙物時(shí)，語(yǔ)音模塊發(fā)出提醒。在設(shè)計(jì)中用軟件定時(shí)器，產(chǎn)生定時(shí)中斷，當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，掃描求助按鍵是否按下，若有按鍵，則將GPS位置信息經(jīng)GSM模塊發(fā)出。

GPS數(shù)據(jù)輸出格式為標(biāo)準(zhǔn)的NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)。NMEA-0183是美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)(National Marine Electronics Association)為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式。這種格式所輸出的語(yǔ)句采用的是ASCII字符碼，包含緯度、經(jīng)度、速度、日期、時(shí)間、航向以及衛(wèi)星信號(hào)情況等信息。其串行通信默認(rèn)參數(shù)為：波特率=9 600 bps;數(shù)據(jù)位=8 bit;開(kāi)始位=1 bit;停止位=1 bit;無(wú)奇偶校驗(yàn)。NMEA-0183協(xié)議語(yǔ)句非常多，比較常用且兼容性最廣的語(yǔ)句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。本設(shè)計(jì)中主要接收GPRMC幀信息，解析其中包含的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)[4]。

GSM模塊使用的是AT指令，AT是Attention的簡(jiǎn)稱(chēng)，最早在上世紀(jì)90年代僅用于MODEM的操作，后來(lái)又慢慢應(yīng)用于移動(dòng)通信領(lǐng)域，并形成了一套完整的AT指令，用于控制手機(jī)GSM模塊。AT指定絕大多數(shù)是以“AT+XXXX=X”的格式使用[5]，本設(shè)計(jì)主要是使用AT指令發(fā)送經(jīng)緯度短信息，使用到的兩條AT指令是“AT+CMGF”和“AT+CMGS”。

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的盲人助行器能夠有效解決盲人的出行困難，減少盲人因?yàn)榕鲎捕鴮?dǎo)致的傷害，助行器采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)清晰，操作簡(jiǎn)單。通過(guò)超聲波測(cè)距來(lái)感測(cè)盲人所處地理位置是否有障礙物，利用語(yǔ)音模塊來(lái)提醒盲人避開(kāi)障礙物，簡(jiǎn)單的一鍵求助功能便于盲人進(jìn)行操作。