基于51單片機的智能盲人助行器的設計

嚴莉莉, 張慎, 胡應超, 張憲萍

(南京信息職業技術學院 電子信息學院, 江蘇 南京 210023)

0 引言

隨著現代電子技術的迅速發展，各類生活用智能電子產品可謂是琳瑯滿目，比如：聲控LED臺燈、自動面包機、電子血糖儀等等，這些電子產品極大地方便了我們的生活，但是針對殘障人士的智能電子產品依然較少。

本文提出了以51單片機為核心控制器件設計的一款盲人智能助行器，該助行器能夠通過超聲避障和語音提醒幫助使用者及時避開周圍障礙物，并且配置GPS和GSM模塊，當使用者需要幫助時，可以一鍵發送自己的位置信息給指定手機號。由于盲人一般不能準確說出自己的位置，通過GPS定位，方便家人能夠及時找到[1-2]。

1 智能助行器硬件設計

1.1 助行器結構及工作原理

智能助行器以51單片機為控制核心結合超聲波模塊、語音模塊、GPS模塊、GSM模塊和按鍵構成，其結構框圖如圖1所示。

圖1 智能助行器結構框圖

助行器使用時單片機通過控制安裝在前方、左方、右方的三個超聲波模塊探測周圍兩米內的障礙物，當某個方向有障礙物時，通過語音模塊提醒使用者“某方向有障礙物，請小心!”而且助行器中安裝的GPS模塊實時接收使用者所處位置的經緯度信息，當使用者需要幫助時，可以按下控制鍵，通過GSM模塊發送自己的位置信息短信給綁定手機號碼，接收者可以通過經緯度信息獲知具體位置，及時找到求助者所在位置。

1.2 51單片機選型

本文設計的智能助行器以51系列單片機為核心控制器，但是51系列的單片機型號眾多，考慮到智能助行器中有GPS模塊和GSM模塊，這兩個模塊都是通過串行口和單片機進行通信，所以在選擇控制器時考慮選用具有雙串口的單片機。本設計最終選用STC12C5A602作為控制器，它是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8 051單片機，指令代碼完全兼容傳統8 051,但速度快8-12倍，而且具有雙串口，能夠滿足本設計的需求。

1.3 超聲避障語音功能實現

超聲避障功能是依據超聲波方向性好、反射能力強的特點設計的。本助行器中超聲模塊采用HC-SR04，它可提供2 cm-400 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可高達3 mm,性能穩定，體積小，便于與微控制器連接[3]。在使用中單片機控制三個超聲模塊每隔2秒依次輪流發出超聲波，當周圍兩米之內有障礙物時，單片機觸發語音模塊進行語音提醒，提醒使用者在某個方向有障礙物，請小心。

語音提醒功能是通過WT588D語音模塊來實現的，WT588D語音芯片是一款功能強大的可重復擦除燒寫的語音單片機芯片，內置SPI-Flash存儲器。WT588D提供了MP3控制模式、按鍵控制模式、并口控制模式、串口控制模式。本設計中使用了串口控制模式下的三線串口控制模式，三線串口控制模式由三條通信線組成，分別是數據DATA(P01)、片選CS(P02)、時鐘CLK(P03)，時序根據標準SPI通信方式。音頻輸出采用PWM輸出模式，直接連接揚聲器。超聲模塊和語音模塊與單片機的接口電路如圖2所示。

圖2 超聲模塊和語音模塊與單片機的接口電路

1.4 助行器定位功能實現

助行器定位功能通過接收GPS信號再進行解碼獲得使用者當前的經緯度信息。GPS是Global Positioning System的簡稱，也就是全球定位系統。它由美國建立，并在上世紀60年代應用于美國軍方。由于其性能好、精度高等特點，現已在日常生活的電子產品中廣泛使用。

助行器定位功能實現的關鍵是如何正確接收GPS信號并解析出經緯度信息。目前對于GPS信號的接收多采用GPS接收模塊，該模塊以GPS接收芯片為核心結合外圍器件和天線構成，性能穩定并且使用非常方便，定位成功后直接就可以通過模塊的串口輸出GPS地理信息。

本設計中GPS信號接收模塊選用的是VK2828U7G5LF GPS接收模塊，該模塊功耗低，性能穩，通用性強，適合使用電池供電的便攜式產品，模塊直接以TTL電平輸出，可直接與單片機串行口連接，接收信息。通常情況下只需要連接電源、地、發送和接收引腳即可。在本助行器的設計中，GPS模塊發送引腳連接單片機的P1.2引腳，接收引腳連接P1.3引腳，P1.2和P1.3引腳是單片機的串行口2的接收和發送引腳。GPS模塊與單片機的接口電路如圖3所示。

圖3 GPS模塊與單片接口電路

1.5 助行器求助功能的實現

本助行器設計時考慮的使用對象是盲人，當他們需要救助時，困難的是不能準確說出自己的位置。考慮到這種因素，所以求助功能通過按鍵結合GSM模塊實現，需要時，只要按下“求助”鍵，就可以通過GSM模塊發送自己的GPS位置信息給指定手機號，方便親人及時找到他們。

本設計中使用的GSM模塊是SIM800C，它是一款四頻GSM/GPRS模塊，性能穩定，外觀小巧，性價比高，能滿足客戶的多種需求。模塊輸出TTL電平，可直接與單片機連接。在本設計中，GSM模塊的TXD和RXD引腳分別連接單片機串行口1的P3.0和P3.1引腳。VIN和VTTL接DC5V，GND接電源地。GSM模塊使用時要注意VTTL引腳通常與控制它的單片機電源連接，它是單片機板子的電壓引腳對GSM模塊的TTL邏輯電平的調整，這樣保證模塊TXD和RXD引腳邏輯電平和控制它的單片機一致。 GSM模塊與單片機接口電路如圖4所示。

圖4 GSM模塊與單片機接口電路

2 助行器軟件程序設計

助行器的程序控制主要是單片機對超聲模塊、語音模塊、GSM模塊和GPS模塊的控制，主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

助行器初次使用時，首先要在GSM模塊中插入SIM卡，并且綁定發送短信的指定號碼，其綁定方式是：使用要綁定號碼的手機給GSM模塊中SIM卡發送一條“PHONE SMS:***********”(*表示GSM模塊中SIM卡號)，當手機收到“Set End”短信回復時，表示綁定成功。之后當GPS接收模塊指示燈每3秒左右閃爍一下的時候，表示GPS接收器已經能夠成功接收衛星信號。助行器中的前、左、右三個超聲模塊循環發出超聲波，探測周圍兩米之內是否有障礙物，當有障礙物時，語音模塊發出提醒。在設計中用軟件定時器，產生定時中斷，當中斷發生時，掃描求助按鍵是否按下，若有按鍵，則將GPS位置信息經GSM模塊發出。

GPS數據輸出格式為標準的NMEA-0183標準。NMEA-0183是美國國家海洋電子協會(National Marine Electronics Association)為海用電子設備制定的標準格式。這種格式所輸出的語句采用的是ASCII字符碼，包含緯度、經度、速度、日期、時間、航向以及衛星信號情況等信息。其串行通信默認參數為：波特率=9 600 bps;數據位=8 bit;開始位=1 bit;停止位=1 bit;無奇偶校驗。NMEA-0183協議語句非常多，比較常用且兼容性最廣的語句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。本設計中主要接收GPRMC幀信息，解析其中包含的經緯度數據[4]。

GSM模塊使用的是AT指令，AT是Attention的簡稱，最早在上世紀90年代僅用于MODEM的操作，后來又慢慢應用于移動通信領域，并形成了一套完整的AT指令，用于控制手機GSM模塊。AT指定絕大多數是以“AT+XXXX=X”的格式使用[5]，本設計主要是使用AT指令發送經緯度短信息，使用到的兩條AT指令是“AT+CMGF”和“AT+CMGS”。

3 總結

本文設計的盲人助行器能夠有效解決盲人的出行困難，減少盲人因為碰撞而導致的傷害，助行器采用模塊化的設計方案，結構清晰，操作簡單。通過超聲波測距來感測盲人所處地理位置是否有障礙物，利用語音模塊來提醒盲人避開障礙物，簡單的一鍵求助功能便于盲人進行操作。