基于AT89C51主控芯片的導(dǎo)盲護(hù)腕設(shè)計

陳文甫 陳雪

摘 ?要：該款基于AT89C51主控芯片的導(dǎo)盲護(hù)腕的設(shè)計，充分考慮了視力殘疾的特殊人群需求，對產(chǎn)品的設(shè)計思路、功能模塊和功能實現(xiàn)原理進(jìn)行了解析，在傳統(tǒng)導(dǎo)盲杖基礎(chǔ)上增加了二維測距、GPS定位、振動預(yù)警、紅外測溫等功能，相比傳統(tǒng)的導(dǎo)盲杖能更好地服務(wù)弱勢群體。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)盲護(hù)腕;51單片機(jī);傳感器

中圖分類號：TP732.2 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）16-0155-03

Abstract：This section is based on the design of the guide wrist of the AT89C51 master chip. It fully considers the needs of special people with visual disabilities and analyzes the design ideas，functional modules and functional realization principles of the product. Based on the traditional guide blind stick，the functions of two-dimensional ranging，GPS positioning，vibration early warning，and infrared temperature measurement are added，which can better serve vulnerable groups than the traditional guide blind stick.

Keywords：guide wrist;51 MCU;sensor

0 ?引 ?言

目前，我國有1731萬視力殘疾人，其中盲人有500多萬人，平均每80人中就有一個“黑暗中的行者”。但是由于社會現(xiàn)階段發(fā)展不夠完善，無障礙公共設(shè)施投放率不高，對弱勢群體包容性不夠強，視力缺陷讓盲人的學(xué)習(xí)、工作和生活困難重重，導(dǎo)致視力障礙人群出行率低。面對如今紛繁復(fù)雜的社會，需要更好的導(dǎo)盲工具來幫助視力障礙人群更好地融入社會，因而將適用人群定位為特殊人群的日常用品有著相對廣闊的市場。

不同于市面上的傳統(tǒng)導(dǎo)盲杖，本設(shè)計不僅具有導(dǎo)盲杖的探路功能，而且增加了定位和振動提示。主要實現(xiàn)對二維平面的距離探知、線性水平的溫度測量、基于GPS的定位和振動預(yù)警等功能。內(nèi)置的紅外測溫功能，不僅能探知一般產(chǎn)品所探知不到的潛在危險，而且能使盲人在就餐時更加自如。與手機(jī)結(jié)合使用，實現(xiàn)雙頻定位功能，使導(dǎo)航功能更加完善，中高齡盲人學(xué)習(xí)能力較差，產(chǎn)品的簡單輕便也使他們能很快地上手。而且與近幾年新興的電子導(dǎo)盲杖相比，本產(chǎn)品具有便于攜帶的明顯優(yōu)勢，并且能降低盲人在人群中的辨識度，提高盲人日常出行便利性，讓盲人能更好融入社會生活中，有尊嚴(yán)地出行。綜上所述，這款產(chǎn)品在智能導(dǎo)盲領(lǐng)域有一定競爭力。

1 ?總體設(shè)計思路

這款導(dǎo)盲護(hù)腕核心組件有超聲波模塊URM37 V4.0、紅外光電傳感器ST276、GPS模塊S-87、振動模塊Z04A、藍(lán)牙模塊ATK-HC05、紅外線測溫MLX90615，其主控芯片為AT89C51。通過獨有的振動傳感系統(tǒng)，對危機(jī)進(jìn)行分級分類警報。外觀設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

2 ?功能模塊介紹

2.1 ?超聲波模塊URM37 V4.0

超聲波模塊采用URM37 V4.0為核心芯片，通過其對外圍電路的控制，由超聲波發(fā)射器、超聲波接收器、比例放大電路來收集信號。由于該超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、費用低、信息處理簡單可靠，因此易于實現(xiàn)小型化與集成化，容易實現(xiàn)實時控制，并且在測量精度上能達(dá)到一般的使用要求。

外觀設(shè)計上：在表面露出超聲波發(fā)射和接收探頭。為了使得護(hù)腕能夠全方位地采集環(huán)境信息，在護(hù)腕的橈骨佩戴一側(cè)分別安裝兩個超聲波探頭，呈90°分開，分別對地水平傾斜45°，實現(xiàn)對正前方障礙物與前方下端距離的探知。

2.2 ?紅外光電傳感器ST276

在護(hù)腕的手背一側(cè)加入紅外光電傳感器ST276。由于超聲波傳感器不能有效地檢測到靠近超聲波傳感器的物體，存在探測盲區(qū)，所以用紅外光電傳感器精確的短距離測距功能彌補這一點。紅外傳感器由紅外發(fā)射管、紅外接收管、控制電路組成。與超聲波模塊互為補充，增加了探測范圍，補充了探測盲區(qū)，增強了避障的功能。

2.3 ?GPS模塊S-87

GPS模塊S-87采用3V的可充電鋰電池，放電高達(dá)500小時。高性能接收多達(dá)20顆衛(wèi)星的信號，TTL輸出，低功

耗，平均冷啟動時間為42秒，采用1MB容量的芯片SRAM存儲器，重新獲得信息時間0.1秒，支持準(zhǔn)確1pps輸出信號接軌GPS校準(zhǔn)，支持NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和SIRF二進(jìn)制協(xié)議，多路徑減緩硬件。

2.4 ?振動模塊Z04A

振動模塊Z04A是一種直徑為20mm，厚度為3mm，重量約1克的片狀高靈敏振動模塊，輸出為瞬態(tài)脈沖，可作為振動報警器的微型傳感頭。靈敏度極高，能檢測極其微弱的振動波，抗干擾性好，對外界聲響無反映，對同一物體上的碰觸極為敏感。抗沖擊強度高，能承受同類傳感器不能承受的強烈振動工作條件。采用環(huán)氧樹脂封裝，防水性能好，能適應(yīng)濕度較大的工作環(huán)境。壽命長，體積小，輕薄的外形如同一枚紐扣。

2.5 ?藍(lán)牙模塊ATK-HC05

ATK-HC05模塊，規(guī)格為16mm*32mm，是ALIENTEK開發(fā)的一款高性能主從一體藍(lán)牙串口模塊，可同各種帶藍(lán)牙功能的電腦、藍(lán)牙主機(jī)、手機(jī)、PDA、PSP等智能終端配對，該模塊支持非常寬的波特率范圍：4800bps～1382400bps，并且模塊兼容3.3V單片機(jī)系統(tǒng)，可以很方便與電路板進(jìn)行連接。使用非常靈活、方便。ATK-HC05模塊非常小巧，模塊通過6個2.54mm間距的排針與外部連接。可以連接電腦，在工廠模式下對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改調(diào)試，也可以借助手機(jī)APP實現(xiàn)進(jìn)一步功能拓展。

2.6 ?紅外溫度檢測模塊MLX90615

MLX90615是用于非接觸溫度測量的紅外溫度計。對IR靈敏的熱電堆探測器芯片和信號處理ASSP被集成在同一TO-46密封罐封裝里。由于集成了低噪聲放大器、16位ADC和強大的DSP單元，使得高度集成和高精度的溫度計得以實現(xiàn)。溫度計具備出廠校準(zhǔn)和數(shù)字的SMBus兼容界面。讀數(shù)精度為0.02℃。在此之前，盲人很多時候只能靠觸摸感受物體溫度，但借助這個模塊，可以為他們規(guī)避更多高溫帶來的傷害。

3 ?功能實現(xiàn)

3.1 ?超聲波模塊URM37與振動模塊Z04A聯(lián)動

在個性設(shè)定模式下，需使用者手持導(dǎo)盲護(hù)腕，手臂自然下垂，超聲波1模塊探頭朝下，此時根據(jù)反饋距離完成個性化的安全距離設(shè)置。

在寬廣模式下，使用者手臂對地面垂直下垂時，超聲波模塊1對地垂直夾角為45°。假定超聲波模塊1對地的測量距離為x米，則把超聲波模塊1安全距離設(shè)置為x± 0.2米，當(dāng)超聲波反饋距離小于x-0.2米時，振動兩下，重復(fù)三次;當(dāng)超聲波反饋距離大于x+0.2米時，振動三下，重復(fù)三次。超聲波模塊2與超聲波模塊1的夾角為90°，把超聲波模塊2安全距離設(shè)置為x米，當(dāng)超聲波反饋距離小于x米時，長震一秒，重復(fù)兩次。

通過用手往下?lián)軇映暡K，則可以切換到擁擠模 式，使用者手臂對地面垂直下垂時，超聲波模塊1對地垂直夾角為30°。假定超聲波模塊1對地的測量距離為x，則把安全距離設(shè)置為x±0.2米，當(dāng)超聲波反饋距離小于x-0.2米時，振動兩下，重復(fù)三次;當(dāng)超聲波反饋距離大于x+0.2米時，振動三下，重復(fù)三次。超聲波模塊2與超聲波模塊1的夾角為90°，把超聲波模塊2安全距離設(shè)置為x米，當(dāng)超聲波反饋距離小于x米時，長震一秒，重復(fù)兩次。

3.2 ?紅外線測溫MLX90615與振動模塊Z04A聯(lián)動

在日常生活中，盲人由于無法目測物體的表面溫度，往往需要用手去試探，可這其中潛藏著許多安全隱患，為此，在導(dǎo)盲護(hù)腕中加入了高溫預(yù)警功能。

因為溫度測探功能使用頻率較之探路功能使用較少，出于節(jié)能考慮，所以此功能需手動開啟，同時關(guān)閉探路功能保持電壓穩(wěn)定。溫度探頭位于護(hù)腕內(nèi)側(cè)，預(yù)設(shè)安全溫度為50度，當(dāng)溫度高于安全溫度時，振動一次，持續(xù)兩秒。

3.3 ?;GPS模塊S-87與藍(lán)牙模塊ATK-HC05聯(lián)動

GPS模塊S-87常閉，防止被不法分子追蹤使用者的地理位置，同時嚴(yán)格保護(hù)使用者的隱私安全。導(dǎo)盲護(hù)腕的藍(lán)牙模塊ATK-HC05與手機(jī)的藍(lán)牙模塊保持連接，使用者的親人可以通過在手機(jī)上安裝監(jiān)護(hù)人APP來連接使用者的手機(jī)，當(dāng)監(jiān)護(hù)人APP的尋人定位功能啟用時，方才通過手機(jī)連通護(hù)腕藍(lán)牙，激發(fā)預(yù)設(shè)程控，開啟GPS模塊，并通過藍(lán)牙發(fā)送地理位置返回手機(jī)，通過手機(jī)將地理位置反饋到監(jiān)護(hù)人APP中。

4 ?結(jié) ?論

本產(chǎn)品設(shè)計使用超聲波測距實現(xiàn)對前方障礙物的距離探知，并根據(jù)使用者身高，調(diào)節(jié)下端的超聲波測距模塊的預(yù)警距離，實現(xiàn)對高度落差的探知。紅外光電傳感器作為輔助測距模塊，有效增加探測范圍，降低意外的發(fā)生概率。振動模塊實現(xiàn)障礙物報警，地面落差報警，以及溫度過高報警。借助藍(lán)牙接入監(jiān)護(hù)人APP，實現(xiàn)對使用者個性化數(shù)據(jù)的定制調(diào)節(jié)，內(nèi)嵌定位芯片，方便家人對用戶的追蹤保護(hù)。本設(shè)計有著傳統(tǒng)導(dǎo)盲產(chǎn)品所具有的所有功能，并在此基礎(chǔ)上，增加了二維測距、高溫預(yù)警、全球定位等功能，相比起傳統(tǒng)的導(dǎo)盲杖能更好地服務(wù)弱勢群體。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賈丹平，王巖，王陽，等.多功能盲人智能拐杖的設(shè)計 [J].電子設(shè)計工程，2016，24（14）：136-138+142.

[2] 林志謀.一種基于手機(jī)藍(lán)牙的智能家居系統(tǒng)設(shè)計 [J].順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2017，15（1）：10-12.

[3] 梁秋艷，葛宜元，牛國玲，等.基于視覺監(jiān)測的智能盲人拐杖設(shè)計 [J].佳木斯大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，33（4）：584-587.

[4] 何建新，黃靜，雷學(xué)堂，等.基于AT89C52的超聲波測距儀設(shè)計 [J].電子世界，2012（23）：119-120.

[5] 張超.基于單片機(jī)的超聲波導(dǎo)盲杖設(shè)計研究 [J].科技信息，2014（4）：136.

作者簡介：陳文甫（1998-），男，漢族，廣東吳川人，計算機(jī)科學(xué)與工程系16級網(wǎng)絡(luò)工程本科在讀，研究方向：人工智能;陳雪（1982-），女，漢族，湖北公安人，計算機(jī)科學(xué)與工程系教師，講師，碩士，研究方向：計算機(jī)應(yīng)用、人工智能。