基于51單片機(jī)的個(gè)性化康復(fù)健身拐杖設(shè)計(jì)

董佳楠，朱玲鈴，位健，尤照江，許崇彩

(1.宿遷學(xué)院，江蘇宿遷，223800；2.宿遷學(xué)院產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，江蘇宿遷，223800)

0 引言

據(jù)中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示：預(yù)計(jì)到2020年，老年人口達(dá)到2.48億，老齡化水平達(dá)到17.17%，其中，80歲以上老年人口將達(dá)到3067萬(wàn)人；2025年，六十歲以上人口將達(dá)到3億，中國(guó)成為超老年型國(guó)家；2040年，我國(guó)人口老齡化進(jìn)程[1]達(dá)到頂峰。

當(dāng)今，大多數(shù)青壯年忙于工作，無(wú)暇顧及家中的老人，老人在獨(dú)立環(huán)境下的日常健身與跌倒康復(fù)訓(xùn)練問(wèn)題越來(lái)越受到社會(huì)的重視。而隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，產(chǎn)品的更新?lián)Q代愈來(lái)愈快，生活中智能[2]產(chǎn)品日益增多。服務(wù)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人等的出現(xiàn)，使得人機(jī)關(guān)系在現(xiàn)代信息化社會(huì)中地位突出。人們對(duì)產(chǎn)品的便捷性要求更高，對(duì)社會(huì)服務(wù)的人性化、智能化的愿望更強(qiáng)烈。

拐杖[3]，作為重要的醫(yī)療康復(fù)輔助用具，種類主要有三種：手杖、肘杖、腋杖。其中，手杖主要用于輕度腿疾患者，且使用便捷，適用度廣?？紤]到上述種種因素，本設(shè)計(jì)針對(duì)老年人康復(fù)健身問(wèn)題，選用手杖作為媒介，合理加裝電子產(chǎn)品[4]，使其智能化。

1 總體方案

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主控芯片為STC89C52單片機(jī)，功能模塊包括光感照明模塊、障礙物檢測(cè)模塊、計(jì)步定位模塊、姿態(tài)監(jiān)測(cè)模塊與報(bào)警模塊。由使用者需求，可自由選取模塊，進(jìn)行個(gè)性化組裝。

系統(tǒng)上電后, 拐杖開(kāi)啟智能模式，根據(jù)環(huán)境明暗變化，自動(dòng)開(kāi)燈和關(guān)燈；使用者在行走中, 拐杖檢測(cè)到前方障礙物,提示報(bào)警，避免人為事故的發(fā)生；使用者可根據(jù)頂部安裝的顯示屏幕，查看當(dāng)前走的步數(shù)，作為運(yùn)動(dòng)量的一個(gè)簡(jiǎn)單估測(cè)；使用者摔倒時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)語(yǔ)音提醒，外出讓家人更加放心。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

■2.1 STC89C52

STC89C52單片機(jī)[5]是STC公司出品的一種集運(yùn)算速度快、功耗小及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)于一身的新型單片機(jī)芯片。它具有8K字節(jié)的ROM、片上集成512字節(jié)RAM、可編程可擦除的CMOS 8位微控制器，雖然沿用了經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但經(jīng)過(guò)多方面的改進(jìn)使它的功能比傳統(tǒng)的51單片機(jī)更加強(qiáng)大。本設(shè)計(jì)STC89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的整體控制，完成信息的通訊。

■2.2 光感照明模塊

本模塊采用光敏電阻檢測(cè)環(huán)境明暗變化，當(dāng)光敏電阻感應(yīng)[6]到光線變化時(shí)，將信號(hào)傳給控制單元進(jìn)行處理，再由控制單元控制路燈的亮滅。

通常，光敏電阻器都制成薄片結(jié)構(gòu)，以便吸收更多的光能。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極常采用梳狀圖案，它是在一定的掩膜下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。當(dāng)它受到光的照射時(shí)，半導(dǎo)體片（光敏層）內(nèi)就激發(fā)出電子—空穴對(duì)，參與導(dǎo)電，使電路中電流增強(qiáng)。

■2.3 障礙物檢測(cè)模塊

超聲波傳感器[7]主要有電致伸縮和磁致伸縮兩類，電致伸縮采用雙壓電陶瓷晶片制成，具有可逆特性。

本模塊采用軟件查詢的方法，檢測(cè)超聲波模塊接收管腳的回波信號(hào)情況。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。當(dāng)信號(hào)為0時(shí)，表示沒(méi)有回波信號(hào)，此時(shí)等待信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，?dāng)接收到回波信號(hào)時(shí)，程序繼續(xù)運(yùn)行，此時(shí)開(kāi)啟定時(shí)器T0，直到回波信號(hào)消失才關(guān)閉，此時(shí)測(cè)到的時(shí)間就是回波信號(hào)的高電平脈寬時(shí)間長(zhǎng)度。

定時(shí)器T1使用數(shù)碼管顯示，每隔500ms作為一個(gè)周期，發(fā)送一次超聲波。HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2cm至400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可高達(dá)3mm，其模塊組裝實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 障礙物檢測(cè)模塊組裝實(shí)物圖

■2.4 計(jì)步定位模塊

本模塊采用三軸加速度傳感器[8]，其體積小，利于制作成為便攜計(jì)步器。

通過(guò)數(shù)字濾波器讓使用者豎向、前向和側(cè)向的加速度變得平滑。系統(tǒng)持續(xù)更新3軸加速的最大值和最小值, 每采樣50次更新一次。平均值(Max+Min) /2為動(dòng)態(tài)閾值。接下來(lái)的50次采樣利用此閾值判斷個(gè)體是否邁步。由于閾值每50次采樣更新一次, 這種選擇具有自適應(yīng)性也足夠快。步伐計(jì)數(shù)器根據(jù)x、y、z三軸加速度變化最大的一個(gè)軸計(jì)算步數(shù)。如果加速度變化太小, 計(jì)數(shù)將忽略，其模塊組裝實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 計(jì)步定位模塊組裝實(shí)物圖

■2.5 姿態(tài)監(jiān)測(cè)模塊

本模塊采用傾斜傳感器[9]，它既能測(cè)量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度，也能測(cè)量靜止加速度，例如重力加速度，此時(shí)可使器件作為傾斜傳感器來(lái)使用。

差分電容由獨(dú)立固定板和活動(dòng)質(zhì)量連接板組成，能對(duì)結(jié)構(gòu)偏向進(jìn)行測(cè)量。

當(dāng)物體移動(dòng)時(shí)，加速度慣性使質(zhì)量連接板偏轉(zhuǎn)、差分電容失衡，傳感器的輸出的幅度與加速度呈正比。由相敏解調(diào)以確定加速度的幅度和極性，從而可以計(jì)算出物體的的傾斜角度。

■2.6 報(bào)警模塊

由于拐杖被廣泛用于室外的嘈雜環(huán)境中，本模塊采用蜂鳴器報(bào)警，當(dāng)通過(guò)超聲波的發(fā)射和接收電路以及軟件結(jié)合判斷出前方有障礙物時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)。聲音報(bào)警電路通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。

單片機(jī)控制BEEP的高低電平來(lái)讓蜂鳴器是否工作，Q1為三極管，NPN型，所以此處BEEP為高電平時(shí)，三極管開(kāi)通，蜂鳴器接地得電，相反為低電平時(shí)，三極管截止，蜂鳴器不得電。

■2.7 復(fù)位電路模塊

復(fù)位電路由按鍵、電容、電阻、VCC及GND組成。S2為按鍵，按下手動(dòng)復(fù)位，復(fù)位即讓程序重新運(yùn)行，不會(huì)導(dǎo)致電路板任何器件的損壞或者程序的丟失。

■2.8 電源模塊

電源模塊需要具備系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠的特點(diǎn)。在電路設(shè)計(jì)中如果電壓太大,會(huì)造成電流過(guò)大，容易縮減組件的使用壽命，并且會(huì)燒壞單片機(jī)的芯片，從而導(dǎo)致不可預(yù)估的損耗。本文中所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要5V電壓，因此單電源方案最為合適。

電源電路目的:給控制電路及其它電路提供一個(gè)穩(wěn)定的電源。它的穩(wěn)定與否涉及到電路是否能穩(wěn)定工作。本次設(shè)計(jì)采用可穩(wěn)壓芯片 LM393，是最常見(jiàn)的三端穩(wěn)壓集成電路，用其組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)格便宜。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用 C 語(yǔ)言，可以大大提高程序編寫時(shí)的效率，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是超聲波的發(fā)射和接收，以及障礙物距離的計(jì)算和語(yǔ)音報(bào)警。單片機(jī)端設(shè)計(jì)的軟件功能版塊主要有：明暗監(jiān)測(cè)子模塊、報(bào)警子模塊、超聲波子模塊、姿態(tài)監(jiān)測(cè)模塊等。

主程序首先對(duì)系統(tǒng)初始化，然后循調(diào)用超聲波發(fā)射子程序，延時(shí)程序，超聲波測(cè)距子程序，報(bào)警子程序等。主程序框架圖如圖4所示。

圖4 主程序框架圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的智能拐杖操作簡(jiǎn)單, 功能實(shí)用, 能夠滿足使用者的生活需求。打開(kāi)電源，環(huán)境明暗檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)周圍光線強(qiáng)度，當(dāng)光線為弱光時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟LED；當(dāng)光線為強(qiáng)光時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉LED。使用者打開(kāi)系統(tǒng)總開(kāi)關(guān)后，計(jì)步功能自動(dòng)開(kāi)啟，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)使用者的狀態(tài)，反饋步數(shù)信息；同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟超聲波測(cè)距功能，結(jié)合警報(bào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋信息。系統(tǒng)內(nèi)置震動(dòng)和聲音兩種提醒方式，當(dāng)智能拐杖判定有危險(xiǎn)時(shí)，警報(bào)提醒模塊發(fā)出警報(bào)。當(dāng)超聲波測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量到前方1米內(nèi)有障礙物或監(jiān)測(cè)到使用者為摔倒?fàn)顟B(tài)時(shí)，自動(dòng)將信號(hào)傳遞給警報(bào)提示系統(tǒng)并發(fā)出警報(bào)，且離障礙物越近警報(bào)聲越急促，此時(shí)震動(dòng)馬達(dá)也開(kāi)始工作。

且針對(duì)目前智能拐杖的發(fā)展形勢(shì)，我們?cè)诂F(xiàn)有的功能個(gè)性化與人性化基礎(chǔ)上，制作了后期的優(yōu)化發(fā)展方案，添加幾個(gè)重要的模塊組件及改動(dòng)：

（1）歌曲播放功能：由TF卡槽與功放板組成該模塊，使得運(yùn)動(dòng)的過(guò)程更加休閑輕松。

（2）一鍵通信救助：該模塊主要由GSM無(wú)線通信模塊與GPS構(gòu)成，能夠?qū)κ褂谜哌M(jìn)行實(shí)時(shí)定位，并且在使用者發(fā)出求助后，發(fā)送短信定位給使用者的家人。

（3）GPS定位功能：通過(guò)GPS[10]以及GSM模塊實(shí)時(shí)發(fā)送定位與客戶端，家人守護(hù)更放心。

（4）語(yǔ)音提醒：通過(guò)語(yǔ)音的方式進(jìn)行交互，更好的實(shí)現(xiàn)智能化。

（5）體積、線路優(yōu)化：能夠真正的打造成一款產(chǎn)品，對(duì)其體積與線路高度集成化，增強(qiáng)其防水性能，提高電池的續(xù)航能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于51單片機(jī)的個(gè)性化康復(fù)健身拐杖設(shè)計(jì)，包括有四個(gè)主要功能：光感照明功能、障礙物檢測(cè)功能、計(jì)步定位功能以及多傳感提醒功能。在功能的組裝上充分考慮用戶體驗(yàn)，可根據(jù)用戶需求，自行選擇模塊，個(gè)性化裝配。通過(guò)對(duì)硬件電路與軟件程序的設(shè)計(jì)，在實(shí)踐中驗(yàn)證方案的可行性與有效性。