基于STMC89C51 的避障智能盲人眼鏡設(shè)計

何月陽 歐美英 段祥瑞 伍正國 張 勝

（滁州學(xué)院機械與電氣工程學(xué)院，安徽 滁州239000）

隨著時代的發(fā)展，最近幾年人工智能的技術(shù)在快速的發(fā)展，使我們現(xiàn)在的生活越來越智能化。其中，避障智能盲人眼鏡的發(fā)展將會有效的解決盲人的出行問題，避障智能盲人眼鏡是一種新型的基于超聲波和圖像識別的盲人智能導(dǎo)航避障眼鏡，解決了盲人在行走過程中定位和躲避障礙的問題，從而提高了他們的工作和生活效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計

眼鏡品牌采用琺瑯詩頓板材鏡框模型，板材鏡框是采用高科技塑料記憶板材做成的，塑料為合成的高分子化合物。鏡框使用冷加工制造，精細(xì)，質(zhì)量好，經(jīng)久耐用。板材鏡框不易燃燒，比較輕，幾乎不受紫外線的照射而變色，硬度大光澤度好。

眼鏡的構(gòu)架主要由幾個系統(tǒng)模塊組成，它們分別是：小型單片機系統(tǒng)控制模塊、紅外線系統(tǒng)感應(yīng)模塊，超聲波系統(tǒng)接收和發(fā)射模塊，LED 燈系統(tǒng)警示模塊、電源系統(tǒng)管理模塊、語言系統(tǒng)感言模塊，GPS 芯片系統(tǒng)追蹤定位模塊、高清攝像頭探測模塊、主從開關(guān)模塊，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 避障智能盲人眼鏡結(jié)構(gòu)框圖

小型單片機系統(tǒng)控制模塊：該模塊的核心是采用STC89C51小型單片機，該款小型單片機體積小，質(zhì)量輕，便于在眼鏡上使用，并且該小型單片機還是一種微控制器，具有消耗低、性能高的優(yōu)點。障礙物系統(tǒng)檢測模塊：采用多個超聲波測距傳感器來實現(xiàn)測距的功能，與此同時，每組的超聲波的接收與發(fā)射模塊會接收信號，以此來判定前方是否有障礙物。當(dāng)檢測模塊接收到超聲波接收與發(fā)射模塊帶來的返回信號時，計數(shù)器將會被中斷。檢測的探頭通過驅(qū)動器進行驅(qū)動以后，產(chǎn)生超聲波，超聲波系統(tǒng)接收與發(fā)射模塊的電路采用已有的電路模塊，這樣可以節(jié)約工作時間，提高工作效率。

信息系統(tǒng)反饋模塊：該模塊要求當(dāng)障礙物系統(tǒng)檢測模塊檢測到前方有障礙物阻攔時，單片機系統(tǒng)控制模塊就會對此種情況進行分析，從而來計算出人與障礙物之間的距離，將這個計算得到的距離傳輸給信息系統(tǒng)反饋模塊，蜂鳴器就會根據(jù)不同的距離發(fā)出不同頻率的報警聲音。

發(fā)光二極管系統(tǒng)警示模塊：是由8 個發(fā)光二極管燈和光敏電路組成。當(dāng)光線足夠強時，燈熄滅；當(dāng)光線暗淡時，發(fā)光二極管點亮。增加發(fā)光二極管的功能特性，同時也提高了發(fā)光二極管的安全性。其次，發(fā)光二極管的功耗低、亮度高，性能高的優(yōu)點也跟我們此次創(chuàng)新節(jié)能的要求完全相符和。

紅外傳感器系統(tǒng)模塊:當(dāng)前方遇到障礙物的時候，紅外發(fā)射管發(fā)射出去的紅外光經(jīng)障礙物反射之后被紅外接收管接收，其輸出會立即發(fā)生高低電平的轉(zhuǎn)換，該信號經(jīng)由放大電路放大之后被送入單片機系統(tǒng)控制模塊，之后由單片機系統(tǒng)分析處理后做出前方有障礙物的判斷，從而可以對盲人的前進方向做出修正。

電源系統(tǒng)管理模塊：該模塊的9V 電壓是由可充電電池來供給的，通過LM7805 轉(zhuǎn)換成5V 的電壓，為系統(tǒng)提供一個相對穩(wěn)定的電源。整個系統(tǒng)以晶振為信號源，來控制系統(tǒng)工作。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)電路圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路圖

2 基本模塊布置圖

圖3 避障智能盲人眼鏡模塊布置圖

避障智能盲人眼鏡的基本模塊布置圖如圖3 所示，當(dāng)盲人需要出行時，可以用手來撥動控制開關(guān)，來接通各個模塊。盲人出行時眼鏡上安裝的攝像頭會實時監(jiān)測周圍的環(huán)境。當(dāng)遇到障礙物時LED 燈就會發(fā)出警示，隨后紅外感應(yīng)器和超聲波接收發(fā)射器就會收到信息并對此信息進行處理分辨來提示盲人前方是否有障礙物。GPS 芯片可以對盲人的行動路線進行實時追蹤，主控芯片則是用于連接耳機和語言感應(yīng)模塊，當(dāng)盲人需要獲取周圍環(huán)境信息時可以觸碰耳機外部旋轉(zhuǎn)按鈕模塊，等待三秒便可以說出指令，當(dāng)該模塊接收到盲人發(fā)出的此指令時，語言感應(yīng)系統(tǒng)首先會分辨此語言指令，隨后會進行工作。攝像頭則一直監(jiān)測前方以及周圍環(huán)境的狀況，方便其他模塊有效的運行。紅外感應(yīng)器和超聲波接收發(fā)射器也會協(xié)同語言系統(tǒng)感應(yīng)模塊和GPS 芯片模塊工作，來達到幫助盲人的目的。

3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

軟件是采用模塊化的形式設(shè)計的，程序由主程序、超聲波測距程序、信息反饋程序等組成，系統(tǒng)軟件的工作流程是：在盲人開始啟動使用眼鏡的時候，系統(tǒng)會初始化隨后就會發(fā)出超聲波來判斷前方是否有障礙物。如果有障礙物，揚聲器就會發(fā)出報警聲音，之后重新回到系統(tǒng)初始化的狀態(tài)，重復(fù)上述過程；如果前方?jīng)]有檢測到障礙物，則會重新發(fā)出超聲波再次來判斷有無障礙物。超聲波發(fā)射器向一定的方向發(fā)射超聲波，在超聲波信號發(fā)射的時候開始計時，超聲波在空氣中傳播，在傳播的途中如果遇到障礙物就立即返回，反射波被超聲波接收器接收后就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340 米/秒。

超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能與超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波時，將電能轉(zhuǎn)換成機械振動而產(chǎn)生發(fā)射超聲波;在收到回波時，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號,超聲波測距時，在控制電路的控制下，超聲波發(fā)射探頭向前發(fā)射8 個超聲波，當(dāng)超聲波在空氣中遇到障礙物時，就會被反射回來，并通過超聲波接收探頭轉(zhuǎn)換成電信號，由控制器來判別回波信號。超聲波在空氣中的傳播速度為已知，來回穿越時間是相等的，只要測量出發(fā)射聲波和接收聲波的時間差，乘以傳播速度，就可以計算出障礙物的實際距離。我們這款眼鏡的設(shè)計主體主體是采用超聲波測距離。

記錄的時間可以通過定時器來看，可以計算出發(fā)射點跟障礙物之間的距離。軟件實現(xiàn)的功能包括：控制超聲波的發(fā)送與接收以及信號的實時采集實現(xiàn)超聲波測距的計算；實現(xiàn)語言感應(yīng)模塊和攝像頭的功能，能有效的進行記錄和復(fù)位；遇到障礙物時能夠根據(jù)障礙物的距離，語音提示不同的內(nèi)容；語音提醒的同時LED 燈閃爍時，提醒行人讓路；盲人按下控制開關(guān)，語音提醒就會停止（圖4）。

圖4 避障智能盲人眼鏡機構(gòu)圖

結(jié)束語

盲人智能避障眼鏡在硬件和軟件設(shè)計上都能達到使用的基本要求，能實現(xiàn)設(shè)計中的各個功能。智能設(shè)備在當(dāng)今時代還是十分吸引人的，有著獨特的魅力。避障智能盲人眼鏡如果應(yīng)用到生活中可以大大的方便盲人群體，給他們帶來巨大的幫助。