智能貼心拐杖的設計于實現

楊愛文　錢義勇　王君

摘 要：目前國內市場上普遍的都還是傳統的拐杖，或者僅有手電筒以及SOS報警功能，為使該產品更智能化、人性化、安全化，于是產生了智能拐杖，基于中國日益嚴重的人口老齡化問題，智能拐杖的更新換代應該會很快，而提高拐杖的附加值，使拐杖更人性化、安全化、智能化也是智能拐杖的發展趨勢。

關鍵詞：傳感器；單片機；拐杖

項目簡介：目前國內市場上普遍的都還是傳統的拐杖，或者僅有手電筒以及SOS報警功能，為使該產品更智能化、人性化、安全化，于是產生了智能拐杖。在我們的設計目標中，實現了具有心跳檢測，溫度顯示，時間顯示以及USB充電功能的拐杖，我們所做拐杖不僅具備普通拐杖的助行功能，還擁有夜間照明、USB充電、心跳檢測、收音機功能，日常的時間、溫度顯示功能，讓老人夜間出行無憂老人方便的知道當前時間和溫度，以及sos報警功能供老人需要時提供幫助。

總體設計方案：系統結構分為三大模塊，控制模塊、信息采集模塊以及輸出模塊。各功能模塊包括溫度傳感器，單片機，LCD顯示屏，電源、各項功能實現裝置等。主要設計部分與創新處有單片機內核控制程序設計，電路設計，外形設計，來實現相應的功能。而且由于單片機超低功耗的特點，節能環保。

此系統是通過傳感器及一些譯碼電路把數字信號傳送給MSP430F149單片機，經單片機處理之后把結果顯示在顯示屏上，以及一些控制按鈕來實現人機交互，下面著重介紹下心率檢測功能及時間顯示和溫度檢測功能：

1.心率檢測電路

①傳感器：

采用壓電陶瓷片作為傳感器，將壓電陶瓷片貼于人體頸部，感受心跳時頸部動脈壓力變化，在陶瓷片兩面產生電位差，通過采集電壓變化信號探測心跳。

②前置放大器：

采用集成運算放大器LM358。LM358內部包括有兩個獨立的高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，具有電源電壓范圍寬、低功耗電流、低輸入偏置電流、輸出電壓擺幅大等特點。由于在實際應用中，外界信號的干擾，以及考慮到放大器的穩定性，一級放大器不能實現如此大的增益，所以電壓放大器一般由兩級組成，分為前置放大器和后級放大電路中，為防止心率信號產生非線性失真，放大器的放大倍數不宜設的過高，為了便于后續處理，心率信號整的放大倍數在1000倍左右，考慮到整個電路的放大要求以及放大器的性能，我們將其前置放大器的放大倍數設置為100倍。

③低通濾波器：

采用二階巴特沃斯低通濾波器，主要用于抑制心率信號中5HZ以上高頻干擾，并獲取純凈的心率信號，即按人體心跳在運動后最高跳動次數達240次/分來計算，其截止頻率為4HZ，但為了保證心率信號不被衰減過大，將其截止頻率設為5Hz。為了防止前面對于高頻干擾濾除的不夠徹底，電路中還設計了由放大器U3、電阻R8、R9和電容C6、C7組成的5HZ有源低通濾波器電路，進一步濾除高頻干擾，如下圖電路。

該低通濾波器采用二階貝塞爾濾波器，它具有巴特沃斯濾波器的所有優點，其通頻帶內的頻率響應曲線非常平坦，沒有起伏，對帶外的衰減可以達到-40dB/10倍頻，是一種比較流行、廣泛應用的濾波器。按人體心跳在運動后最高跳動次數達240次/分來計算，其截止頻率為4HZ，但為了保證心率信號不被衰減，在這里將其截止頻率設為5Hz。電路中要求R8=R9，C6=2C7，根據其截止頻率公式：可以確定R8、R9和C6、C7的值。如果取R8、R9的值為100K，可以算出C7=300nF，C8=2*C7=600nF。

④末級放大器

采用可調增益放大器，由于人體心率信號極不穩定，變化范圍大、且信號幅度的大小因人而異，因此，最可取的方式是將后級放大器設置為增益可調放大器。本系統后級放大電路采用增益可調的可控增益放大電路，電路主要由運算放大器LM358和四雙向模擬開關CD4066構成

⑤整形電路：

經過放大、濾波后的心率信號還必須對其進行整形，得到一個可供單片機處理的脈沖信號。我們采用電壓比較器?？梢愿鶕碾娦盘栔鞑ǚ蹈叩奶攸c，通過設置合適的比較器門限電壓，即可得到準確、平滑的矩形脈沖信號。門限電壓由外部電路提供。設計時，通常將電源電壓經分壓電阻分壓后供給比較器，為了便于調節，分壓電阻一般采用電位器。上述心率信號為模擬信號，不能直接作為單片機的接口信號，必須整形處理成方波信號。本電路采用LM393比較器作整形電路。

⑥主控單元：

MSP430f149是德州公司新開發的一類具有16位總線的帶FLASH 的單片機，由于其性價比和集成度高，受到廣大技術開發人員的青睞.它采用16位的總線，外設和內存統一編址，尋址范圍可達64K，還可以外擴展存儲器.具有統一的中斷管理，具有豐富的片上外圍模塊，片內有精密硬件乘法器、兩個16位定時器、一個14路的12位的模數轉換器、一個看門狗、6路P口、兩路USART通信端口、一個比較器、一個DCO內部振蕩器和兩個外部時鐘，支持8M 的時鐘.由于為FLASH型，則可以在線對單片機進行調試和下載，且JTAG口直接和FET（FLASH EMULATION TOOL）的相連，不須另外的仿真工具，方便實用，而且，可以在超低功耗模式下工作，對環境和人體的輻射小，測量結果為100mw左右的功耗（電流為14mA左右），可靠性能好，加強電干擾運行不受影響，適應工業級的運行環境，適合與做手柄之類的自動控制的設備.

⑧數據測試

測試儀器：FUKE TD9250數字萬用表、F40數字合成函數信號發生器。

測試方法：函數信號發生器產生一個峰-峰值為2mV的正弦信號作為輸入信號，調節頻率范圍為0.5～4HZ，用直流電壓檔測試各級各級輸出信號。

2 溫度檢測系統：

該溫度檢測系統由主控制器MSP430F149、存儲模塊CAT24WC64、液晶顯示模塊HTM1602A、溫度傳感器DS18B20組成。溫度測量電路只占用了MSP430F149 的一個普通IO口， 系統資源利用率較高。

DS18B20芯片：DS18B20主要由四部分組成： 光刻ROM、溫度傳感器、非易失性的溫度報警觸發器TH 和TL 配置寄存器。訪問DS18B20的工作順序通常為： 初始化， 發送ROM 操作命令， 發送RAM 操作命令。通過初始化復位工作使主設備知道傳感器DS18B20存在并準備工作。通過發送ROM 命令可以知道某個特定的DS18B20是否存在并且是否超過溫度警界值。該系統是把從DS18B20測得的溫度模擬信號傳送給單片機，然后單片機經處理之后把8421BCD碼傳送給CD4511譯碼器，再經譯碼后把十進制碼顯示在LG5011顯示屏上。

3 時鐘模塊

所用芯片：DS1302芯片：是通過三根口線實現與單片機的通信。DS1302是一種高性能、低功耗的實時時鐘芯片，附加31字節靜態RAM，采用SPI三線接口與CPU進行通信，并可采用突發方式一次傳送多個字節的時鐘信號和RAM數據。實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月小于31天時可以自動調整，且具有閏年補償功能。

DS1302的數據讀寫是通過I/O串行進行的，當進行一次讀寫操作時最少得讀操作時最少得讀兩個字節，就是一個命令，告訴DS1302是讀還是寫操作，是對RAM還是對CLOK寄存器操作，以及操作的址，第二個字節就是要讀或者寫的數據了。在進行操作之前先得將CE（也可以說是RST）置高電平，然后單片機將控制字符的位0放在I/O上，當I/O的數據穩定后，將SCLK置高電平，DS1302檢測到SCLK上升沿后就將I/O上的數據讀取，然后單片機將SCLK置為低電平，再將控制字的位1放在I/O上。讀與寫操作的不同就在于寫操作是在SCLK低電平時單片機將數據放到I/O上，當SCLK上升沿時，DS1302讀取。而讀操作是在SCLK高電平時DS1302放數據到IO上，將SCLK置為低電平后，單片機就可以從IO上讀取數據。

未來發展方向：隨著科技的日益加速發展，中國人口老年化比例越來越高，相信未來適用于老年人的拐走會有更多更實用的功能。用拐杖打電話、用拐杖的語音導航等更實用的功能將會出現，而且成本更低，讓我們拭目以待。

參考文獻

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