基于51單片機的導盲護腕設計與實現

陳文甫 陳雪

摘要：隨著社會的發(fā)展，在社會生活中供盲人使用的避障產品已經有很多，但市面上所售的導盲產品普遍未能在便攜性上為盲人帶去便利，因此開發(fā)一款便攜性較高的導盲產品具有實際意義。裝置設計上以STC12C5A60S2單片機為核心處理器，將單片機的實時控制、數據處理與紅外線的發(fā)射接收功能，傳感器技術相結合，在為盲人提供基礎的避障功能的同時，還提供了由GPS與GSM構成的遠程定位功能，以及簡單的夜間自動亮燈功能。

關鍵詞：智能避障;紅外線測距;STC12C5A60S2單片機;GPS+GSM遠程定位;導盲

中圖分類號：TP368? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）16-0220-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

我國迄今共進行過兩次全國殘疾人的抽樣調查，其中，根據第二次（2006年）的數據顯示，我國盲人數量約為406萬人，而日常生活中受影響的不僅僅只有盲人，高達827萬的低視力患者和1223萬的單純視力殘疾患者也飽受目不能視的困擾。這么多年過去了，隨著我國人口的不斷增長，我國的患有視力障礙的人群只會有增無減，我國將成為世界上視力殘疾患者最多的國家之一。隨著人民生活水平的不斷提高，接納社會的邊緣群體成為我國社會進步的重要一環(huán)。盲人既是社會公民的一員，同時又是一個特殊的邊緣群體，他們因為先天或者后天的種種原因，在日常生活中本就有諸多不便，如不能準確判斷障礙物的方位并進行回避，尤其是盲人在感知腰部以上的障礙物時經常無法依賴于傳統的導盲杖，而且目前市面上所售的新型導盲產品重量較重，無法很好地方便盲人的出行。一款輕便，造價低，識別精度高，功能齊全的導盲產品，能為盲人的生活帶來更多的可能性。由于光速遠比超聲波傳播速度快，所以紅外線測距在對比超聲波測距中有明顯的優(yōu)勢，其傳播和反射時間更短，能更快地提供預警功能[1]。

調查發(fā)現，我國近年在市政建設上，盲道的修建一直是重中之重，這為盲人出行提供了極大的便利。但從導盲犬和電子導盲手杖在日常生活中的實際表現看來，兩者很難為盲人帶來最大程度上的便利。其中，攜帶不便，費用高昂以及使用場景限制等因素影響了他們在日常學習生活中享受的待遇，對于心理敏感的年輕族群也會降低他們出行的意愿。于是，就有了最初的設計理念——導盲護腕，通過降低盲人在人群中的辨識度，并提高盲人日常出行便利性，讓盲人能很好融入社會生活中，有尊嚴地出行。

2 硬件系統設計與實現

2.1設計思路

整個系統主要通過簡單處理紅外線回傳數據后，通過發(fā)出聲音預警危險信號。當夜間環(huán)境暗，LED燈亮起以起到警示效果，同時提醒過往車輛與行人注意避讓。通過控制開關可發(fā)送當前地理位置信息，或者通過發(fā)送短信獲取當前地理位置信息，以進一步保障使用者的人身安全。

2.1.1 單片機模塊

STC12C5A60S2單片機采用增強型8051內核，抗干擾能力強，處理速度比起普通的8051快6～12倍。使用閃存技術的大容量程序存儲器，兼容8051指令和引腳，可通過加電進行10萬次以上擦除和重寫。此外，支持串行口編程。通用I/O端口設計，每個I/O端口驅動能力可達到20mA，但建議總體不要超過120mA[2]。

2.1.2 電源模塊

電源模塊使用外接5V供電，為提高設計的場景適用性，采用USB線纜外接供電，可選用充電寶供電，也可以接入電腦USB供電口，在設計調試階段方便對系統進行調試。USB線纜直連DC插座，通過自鎖開關后，直連單片機和各模塊的供電電路，負極串聯接地。除GSM模塊加了電解電容穩(wěn)壓外，其余各部分電路均沒有外接穩(wěn)壓裝置，因此在驅動電路元件工作時，相對考驗供電的穩(wěn)定。

2.1.3 紅外線檢測模塊

紅外線檢測模塊選用的是E18-D80NK紅外避障光電傳感器，可發(fā)射紅外光和接收反射的紅外光。發(fā)射光被調制發(fā)射后，接收頭解調并輸出反射光。配合使用光學透鏡系統，可根據實際情況通過后部的電位器旋鈕進行調整檢測障礙物的距離，使得這種傳感器能探測到高達80厘米的距離，結合紅外光自身特性，不同顏色物體探測距離也各不相同，其中，白色物體檢測距離最遠，黑色物體檢測距離最近，避免一定強度的可見光干擾[3]。

該傳感器直徑為18毫米，傳感器長為45毫米，線纜長為18厘米，可在零下30攝氏度到65攝氏度的環(huán)境下工作，默認工作電壓為5伏特，工作電路為10～15毫安，最小驅動電路為100毫安，可探測3～80厘米的距離。紅外波段約為900納米。它的調制頻率為100～150KHZ，不受可見光的影響。

E18-D80NK紅外避障光電傳感器通過檢測被檢測物對光束的反射，同步回路連通電路，以此達到檢測檢測物體有無的目的。采用NPN光電漫反射開關，輸出數字電路中的高電平和低電平，即0或1。目標檢測為低電平輸出，正常狀態(tài)為高電平輸出;高電平為4.5～5伏，低電平為0～0.5伏，為TTL電平。需經過外加一個阻值10K的上拉電阻后，才能連接到IO端口。

2.1.4 蜂鳴器模塊

蜂鳴器模塊選用的是TMB12A05有源電磁式蜂鳴器。額定工作電壓為5伏，同時也可在4～7伏寬電壓范圍下工作，額定工作電流為30毫安，可在零下20攝氏度到60攝氏度下正常工作。

單片機本身除P0口有較強的驅動能力，其他的IO口自身驅動能力有限，若直連蜂鳴器，輸出電流過小，則工作狀態(tài)下幾乎不響，因此需要在蜂鳴器電路中加個三極管，利用三極管的開關特性，提升驅動能力，增大輸出電路，從而使蜂鳴器可以正常工作。

2.1.5 GPS+GSM模塊

GPS模塊采用VK2828U7G5LF集成模塊，核心芯片為UBX-G7020-KT，L1接收頻段，信號強度約為-130dBm，誤差小于兩米，大約可用六個衛(wèi)星，可在海拔五千米的地方所使用。默認工作電壓為5伏，可在3.3～5.5伏的寬電壓范圍下工作，標準工作電路為30毫安，浮動電流值不得大于5毫安。正常工作溫度在零下40攝氏度到85攝氏度之間，存儲溫度與之相同。冷啟動實際平均為29秒，熱啟動時間平均為1秒?？赏ㄟ^軟件配置數據速率，默認為9600bps。

GSM模塊采用以SIM900A為核心組件的集成通訊模塊，板載一顆鉭電容、純銅天線、自動開機電路、帶電換卡電路、麥克風耳機輸入輸出、休眠電路以及復位電路。默認工作電壓為4.4～5.5伏之間，當電壓大于5.5伏則會燒毀電路，在復位腳接GND情況下，關機電流為4毫安，工作電流為50毫安，待機電流為20毫安，具體會在0～20毫安之間浮動，在注冊期間，發(fā)射的峰值電流達2安。這意味著電源輸出電路最低達到2安，才能保障模塊的正常工作。這是整個電路設計中最為考究的部分，因為常規(guī)充電寶的輸出電路一般也峰值只在2安，無法滿足整個系統的電路供電需求，而只有市面上快充充電寶的輸出電路能保持在2.4安，在實際測試的時候需要注意這個問題。

本模塊為TTL電平接口，可以直接與單片機相連，無需轉換器件。GSM模塊電路采用了一顆470uf電解電容，接到兩端的VCC和GND，主要就是讓模塊工作更加穩(wěn)定。

2.1.6 光敏傳感器模塊

本模塊采用四線制集成傳感器模塊，對環(huán)境光線最敏感，核心部件為GL5516光敏電阻，用來檢測周圍環(huán)境的光線亮度的變化，靈敏度高。額定工作電壓為3.3～5伏，驅動能力強，超過15毫安?？奢敵鰯底中盘柡湍M信號，自帶電位器，可用以調節(jié)檢測光線亮度。PCB整板長3.2厘米，寬1.4厘米，有固定螺栓孔，便于安裝拆卸。

雖然采用的是4線制的傳感器，但實際上并沒有用到AO模擬信號輸出口。所以和三線制的接法一致，VCC 接電源正極，GND接電源負極，DO輸出端直連單片機，當外界環(huán)境光線亮度超過設定閾值時，DO 端輸出低電平，當環(huán)境光線亮度達不到設定閾值時，DO 端輸出高電平。再通過單片機控制驅動繼電器模塊，由此組成一組光控開關，控制LED燈模塊的亮滅。

2.2 硬件系統實現

參考繪制的原理圖，并結合實際情況，對各個子系統的模塊進行焊接，完成硬件系統的最后一步。

萬用板的規(guī)格為9*15cm，DC電源接口后面連接自鎖開關，再連接到電路供電。指示燈的添加是為了驗證電路接通時電流的流通性，方便檢驗GSM模塊電路的工作情況。而與光敏模塊相連的LED燈模塊，則是通過并聯后再接入電路，通過三極管的開關特性來控制。單片機最小系統選用的是11.0592MHz晶振，以降低誤差率，提高精度?？紤]到蜂鳴器工作環(huán)境存在局限性，因此加入了一個撥動開關，用來單獨控制蜂鳴器的開關。在GSM模塊的兩段，并聯了一顆470uf電解電容，以確保電流的穩(wěn)定性。

考慮到實驗后期測試需要不斷進行單片機的燒錄，反復焊接相較麻煩，因此在電路中添加一個40腳的IC座。在焊接好IC座的插腳后，把單片機插到里面就可以接通電路。在調整需要的時候，只需要簡單把單片機拔下來，不需要多次熔焊，在整個開發(fā)過程中，可以極大減少時間。同理，光敏模塊用到了4P排母，GSM模塊用到了8P排母。而紅外線避障探頭所用到的3P接線端子則是為了焊接的穩(wěn)定性，避免紅外線探頭自身重量導致線材斷連，電路斷路[4]。

3軟件設計與實現

3.1紅外線檢測+蜂鳴器報警軟件部分設計流程

紅外線測距作為導盲護腕的核心功能，是本身設計的重中之重。但是因為選材上的取巧，在設計軟件程序上并不需要浪費過量存儲空間和算力去判斷回傳信號時間和計算測量距離。當系統開始通電，芯片開始初始化，載入類庫，把三個紅外線探頭分別設置為people1，people2，people3，蜂鳴器設置為beep，使用if循環(huán)嵌套語句判斷三個紅外線探頭返回值是否為0，若任意返回值為0，則判斷為三個探頭前方存在障礙物，此時蜂鳴器從默認的不工作狀態(tài)轉為工作狀態(tài)。其中，在蜂鳴器工作時，三個紅外線探頭保持偵聽狀態(tài)，若檢測到三個紅外線前方均無障礙物，即返回值均不為0，則蜂鳴器從工作狀態(tài)裝為不工作狀態(tài)。并保持紅外線探頭的偵聽狀態(tài)[5]。

3.2 GPS+GSM模塊軟件部分設計流程

GPS+GSM模塊主要用以確認設備所在，主要有主動回傳地理位置和接收短信并回傳地理位置的功能，是整個設計中程序最為復雜的一塊。

首先需要定義全局變量，最重要的是不要遺漏串口接收數據緩沖區(qū)，把使用Unicode字符轉碼后的電話號碼設為PhoneNo，這個是作為唯一的接收回送地理位置的手機號碼。通過if嵌套循環(huán)語句判斷GSM模塊回應是否以+開頭，并讀取GPS信號，開頭$則接收定位信息。再添加串行口2中斷處理函數，接著定義發(fā)送信息文本，優(yōu)先發(fā)送指令，繼而發(fā)送接收短信的號碼，再依次發(fā)送北緯，小數點，東經和小數點，完成地理位置的發(fā)送。編輯主函數，使用if循環(huán)語句定時讀取新短信，并在發(fā)送短信后刪除所有短信。并在最后再次使用if循環(huán)語句定時讀取短信[6]。

3.3光敏傳感器+燈光模塊軟件部分設計流程

光敏傳感器控制LED燈是盲人夜間出行的又一道安全保障，這個在軟件設計上并不復雜。使用if循環(huán)判斷光敏傳感器light_dat，若光敏高，則繼電器打開，即relay1為0，反之為光敏低，繼電器關閉，relay1為1[7]。

3.4軟件系統實現

根據前面的軟件設計思路，用C語言為主的設計語言實現所設想的功能。因為選材的取巧，可以省去大量的代碼用以計算檢測距離以及比較距離，只需要通過簡單的嵌套循環(huán)，判斷紅外線反射信號的有無，進而控制蜂鳴器的工作狀態(tài)。同理，得益于光敏傳感器的高度集成，這里也只需要判斷光敏信號的高低，轉而控制繼電器的工作狀態(tài)[8]。

在代碼開發(fā)過程中，與流程圖邏輯有所不同的地方在于，判斷GSM模塊是否有接收到短信，以及判斷發(fā)送短信按鈕是否又被按下，邏輯上并不存在嵌套關聯。但相同的是，兩者都需要獲取GPS信息，發(fā)送短信到指定的手機號碼上，然后再刪除短信。最后，需要定時讀取短信。特別注意的是，這個模塊的代碼用到了兩種不同編碼方式，其中，Unicode編碼用于編譯指定手機號碼，用來收取當前地理位置信息的短信，而UCS2編碼則是設置手機卡當前的字符集。

綜合系統的各個模塊所寫，在編譯運行無誤后，生成hex文件，燒錄到單片機上并調試，即可完成設計。

4 結語

導盲護腕的最終設計能夠正常產生紅外線，實現紅外線的發(fā)送和接收，從而實現利用紅外線方法探測前方障礙物，并進行預警。預警系統的應用，可以大大減少盲人的行走不便和安全風險，有效減少盲人由于無法正確識別障礙物所造成的事故，對盲人出行安全輔助起到了一定作用。

參考文獻：

[1] 田鵬，李澤滔.基于單片機的紅外避障系統設計[J].自動化與儀器儀表，2015（6）：40-42.

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[3] 吳海清.一種智能紅外遙控輸出系統[J].今日電子，2014（6）：55-57.

[4] 范鐵錘.高強度紅外光的醫(yī)療系統設計理念探析[J].價值工程，2010，29（14）：97.

[5] 王懿川.基于單片機控制的超聲波測距報警系統[J].上海計量測試，2011，38（5）：53-56.

[6] 徐馳宇，齊慶堃，雷巍，等.智能導盲拐杖設計[J].電子世界，2018（7）：167-169.

[7] 隋冶.基于AT89C51系列單片機的倒計時器制作研究[J].雞西大學學報，2011，11（3）：66-68.

[8] 董蘊寶，潘旭君.淺談C語言在單片機中的程序設計[J].科技信息，2009（13）：59，67.

【通聯編輯：王力】