基于51單片機(jī)的導(dǎo)盲護(hù)腕設(shè)計與實現(xiàn)

陳文甫 陳雪

摘要：隨著社會的發(fā)展，在社會生活中供盲人使用的避障產(chǎn)品已經(jīng)有很多，但市面上所售的導(dǎo)盲產(chǎn)品普遍未能在便攜性上為盲人帶去便利，因此開發(fā)一款便攜性較高的導(dǎo)盲產(chǎn)品具有實際意義。裝置設(shè)計上以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心處理器，將單片機(jī)的實時控制、數(shù)據(jù)處理與紅外線的發(fā)射接收功能，傳感器技術(shù)相結(jié)合，在為盲人提供基礎(chǔ)的避障功能的同時，還提供了由GPS與GSM構(gòu)成的遠(yuǎn)程定位功能，以及簡單的夜間自動亮燈功能。

關(guān)鍵詞：智能避障;紅外線測距;STC12C5A60S2單片機(jī);GPS+GSM遠(yuǎn)程定位;導(dǎo)盲

中圖分類號：TP368? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）16-0220-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

我國迄今共進(jìn)行過兩次全國殘疾人的抽樣調(diào)查，其中，根據(jù)第二次（2006年）的數(shù)據(jù)顯示，我國盲人數(shù)量約為406萬人，而日常生活中受影響的不僅僅只有盲人，高達(dá)827萬的低視力患者和1223萬的單純視力殘疾患者也飽受目不能視的困擾。這么多年過去了，隨著我國人口的不斷增長，我國的患有視力障礙的人群只會有增無減，我國將成為世界上視力殘疾患者最多的國家之一。隨著人民生活水平的不斷提高，接納社會的邊緣群體成為我國社會進(jìn)步的重要一環(huán)。盲人既是社會公民的一員，同時又是一個特殊的邊緣群體，他們因為先天或者后天的種種原因，在日常生活中本就有諸多不便，如不能準(zhǔn)確判斷障礙物的方位并進(jìn)行回避，尤其是盲人在感知腰部以上的障礙物時經(jīng)常無法依賴于傳統(tǒng)的導(dǎo)盲杖，而且目前市面上所售的新型導(dǎo)盲產(chǎn)品重量較重，無法很好地方便盲人的出行。一款輕便，造價低，識別精度高，功能齊全的導(dǎo)盲產(chǎn)品，能為盲人的生活帶來更多的可能性。由于光速遠(yuǎn)比超聲波傳播速度快，所以紅外線測距在對比超聲波測距中有明顯的優(yōu)勢，其傳播和反射時間更短，能更快地提供預(yù)警功能[1]。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國近年在市政建設(shè)上，盲道的修建一直是重中之重，這為盲人出行提供了極大的便利。但從導(dǎo)盲犬和電子導(dǎo)盲手杖在日常生活中的實際表現(xiàn)看來，兩者很難為盲人帶來最大程度上的便利。其中，攜帶不便，費用高昂以及使用場景限制等因素影響了他們在日常學(xué)習(xí)生活中享受的待遇，對于心理敏感的年輕族群也會降低他們出行的意愿。于是，就有了最初的設(shè)計理念——導(dǎo)盲護(hù)腕，通過降低盲人在人群中的辨識度，并提高盲人日常出行便利性，讓盲人能很好融入社會生活中，有尊嚴(yán)地出行。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1設(shè)計思路

整個系統(tǒng)主要通過簡單處理紅外線回傳數(shù)據(jù)后，通過發(fā)出聲音預(yù)警危險信號。當(dāng)夜間環(huán)境暗，LED燈亮起以起到警示效果，同時提醒過往車輛與行人注意避讓。通過控制開關(guān)可發(fā)送當(dāng)前地理位置信息，或者通過發(fā)送短信獲取當(dāng)前地理位置信息，以進(jìn)一步保障使用者的人身安全。

2.1.1 單片機(jī)模塊

STC12C5A60S2單片機(jī)采用增強(qiáng)型8051內(nèi)核，抗干擾能力強(qiáng)，處理速度比起普通的8051快6～12倍。使用閃存技術(shù)的大容量程序存儲器，兼容8051指令和引腳，可通過加電進(jìn)行10萬次以上擦除和重寫。此外，支持串行口編程。通用I/O端口設(shè)計，每個I/O端口驅(qū)動能力可達(dá)到20mA，但建議總體不要超過120mA[2]。

2.1.2 電源模塊

電源模塊使用外接5V供電，為提高設(shè)計的場景適用性，采用USB線纜外接供電，可選用充電寶供電，也可以接入電腦USB供電口，在設(shè)計調(diào)試階段方便對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。USB線纜直連DC插座，通過自鎖開關(guān)后，直連單片機(jī)和各模塊的供電電路，負(fù)極串聯(lián)接地。除GSM模塊加了電解電容穩(wěn)壓外，其余各部分電路均沒有外接穩(wěn)壓裝置，因此在驅(qū)動電路元件工作時，相對考驗供電的穩(wěn)定。

2.1.3 紅外線檢測模塊

紅外線檢測模塊選用的是E18-D80NK紅外避障光電傳感器，可發(fā)射紅外光和接收反射的紅外光。發(fā)射光被調(diào)制發(fā)射后，接收頭解調(diào)并輸出反射光。配合使用光學(xué)透鏡系統(tǒng)，可根據(jù)實際情況通過后部的電位器旋鈕進(jìn)行調(diào)整檢測障礙物的距離，使得這種傳感器能探測到高達(dá)80厘米的距離，結(jié)合紅外光自身特性，不同顏色物體探測距離也各不相同，其中，白色物體檢測距離最遠(yuǎn)，黑色物體檢測距離最近，避免一定強(qiáng)度的可見光干擾[3]。

該傳感器直徑為18毫米，傳感器長為45毫米，線纜長為18厘米，可在零下30攝氏度到65攝氏度的環(huán)境下工作，默認(rèn)工作電壓為5伏特，工作電路為10～15毫安，最小驅(qū)動電路為100毫安，可探測3～80厘米的距離。紅外波段約為900納米。它的調(diào)制頻率為100～150KHZ，不受可見光的影響。

E18-D80NK紅外避障光電傳感器通過檢測被檢測物對光束的反射，同步回路連通電路，以此達(dá)到檢測檢測物體有無的目的。采用NPN光電漫反射開關(guān)，輸出數(shù)字電路中的高電平和低電平，即0或1。目標(biāo)檢測為低電平輸出，正常狀態(tài)為高電平輸出;高電平為4.5～5伏，低電平為0～0.5伏，為TTL電平。需經(jīng)過外加一個阻值10K的上拉電阻后，才能連接到IO端口。

2.1.4 蜂鳴器模塊

蜂鳴器模塊選用的是TMB12A05有源電磁式蜂鳴器。額定工作電壓為5伏，同時也可在4～7伏寬電壓范圍下工作，額定工作電流為30毫安，可在零下20攝氏度到60攝氏度下正常工作。

單片機(jī)本身除P0口有較強(qiáng)的驅(qū)動能力，其他的IO口自身驅(qū)動能力有限，若直連蜂鳴器，輸出電流過小，則工作狀態(tài)下幾乎不響，因此需要在蜂鳴器電路中加個三極管，利用三極管的開關(guān)特性，提升驅(qū)動能力，增大輸出電路，從而使蜂鳴器可以正常工作。

2.1.5 GPS+GSM模塊

GPS模塊采用VK2828U7G5LF集成模塊，核心芯片為UBX-G7020-KT，L1接收頻段，信號強(qiáng)度約為-130dBm，誤差小于兩米，大約可用六個衛(wèi)星，可在海拔五千米的地方所使用。默認(rèn)工作電壓為5伏，可在3.3～5.5伏的寬電壓范圍下工作，標(biāo)準(zhǔn)工作電路為30毫安，浮動電流值不得大于5毫安。正常工作溫度在零下40攝氏度到85攝氏度之間，存儲溫度與之相同。冷啟動實際平均為29秒，熱啟動時間平均為1秒。可通過軟件配置數(shù)據(jù)速率，默認(rèn)為9600bps。

GSM模塊采用以SIM900A為核心組件的集成通訊模塊，板載一顆鉭電容、純銅天線、自動開機(jī)電路、帶電換卡電路、麥克風(fēng)耳機(jī)輸入輸出、休眠電路以及復(fù)位電路。默認(rèn)工作電壓為4.4～5.5伏之間，當(dāng)電壓大于5.5伏則會燒毀電路，在復(fù)位腳接GND情況下，關(guān)機(jī)電流為4毫安，工作電流為50毫安，待機(jī)電流為20毫安，具體會在0～20毫安之間浮動，在注冊期間，發(fā)射的峰值電流達(dá)2安。這意味著電源輸出電路最低達(dá)到2安，才能保障模塊的正常工作。這是整個電路設(shè)計中最為考究的部分，因為常規(guī)充電寶的輸出電路一般也峰值只在2安，無法滿足整個系統(tǒng)的電路供電需求，而只有市面上快充充電寶的輸出電路能保持在2.4安，在實際測試的時候需要注意這個問題。

本模塊為TTL電平接口，可以直接與單片機(jī)相連，無需轉(zhuǎn)換器件。GSM模塊電路采用了一顆470uf電解電容，接到兩端的VCC和GND，主要就是讓模塊工作更加穩(wěn)定。

2.1.6 光敏傳感器模塊

本模塊采用四線制集成傳感器模塊，對環(huán)境光線最敏感，核心部件為GL5516光敏電阻，用來檢測周圍環(huán)境的光線亮度的變化，靈敏度高。額定工作電壓為3.3～5伏，驅(qū)動能力強(qiáng)，超過15毫安。可輸出數(shù)字信號和模擬信號，自帶電位器，可用以調(diào)節(jié)檢測光線亮度。PCB整板長3.2厘米，寬1.4厘米，有固定螺栓孔，便于安裝拆卸。

雖然采用的是4線制的傳感器，但實際上并沒有用到AO模擬信號輸出口。所以和三線制的接法一致，VCC 接電源正極，GND接電源負(fù)極，DO輸出端直連單片機(jī)，當(dāng)外界環(huán)境光線亮度超過設(shè)定閾值時，DO 端輸出低電平，當(dāng)環(huán)境光線亮度達(dá)不到設(shè)定閾值時，DO 端輸出高電平。再通過單片機(jī)控制驅(qū)動繼電器模塊，由此組成一組光控開關(guān)，控制LED燈模塊的亮滅。

2.2 硬件系統(tǒng)實現(xiàn)

參考繪制的原理圖，并結(jié)合實際情況，對各個子系統(tǒng)的模塊進(jìn)行焊接，完成硬件系統(tǒng)的最后一步。

萬用板的規(guī)格為9*15cm，DC電源接口后面連接自鎖開關(guān)，再連接到電路供電。指示燈的添加是為了驗證電路接通時電流的流通性，方便檢驗GSM模塊電路的工作情況。而與光敏模塊相連的LED燈模塊，則是通過并聯(lián)后再接入電路，通過三極管的開關(guān)特性來控制。單片機(jī)最小系統(tǒng)選用的是11.0592MHz晶振，以降低誤差率，提高精度。考慮到蜂鳴器工作環(huán)境存在局限性，因此加入了一個撥動開關(guān)，用來單獨控制蜂鳴器的開關(guān)。在GSM模塊的兩段，并聯(lián)了一顆470uf電解電容，以確保電流的穩(wěn)定性。

考慮到實驗后期測試需要不斷進(jìn)行單片機(jī)的燒錄，反復(fù)焊接相較麻煩，因此在電路中添加一個40腳的IC座。在焊接好IC座的插腳后，把單片機(jī)插到里面就可以接通電路。在調(diào)整需要的時候，只需要簡單把單片機(jī)拔下來，不需要多次熔焊，在整個開發(fā)過程中，可以極大減少時間。同理，光敏模塊用到了4P排母，GSM模塊用到了8P排母。而紅外線避障探頭所用到的3P接線端子則是為了焊接的穩(wěn)定性，避免紅外線探頭自身重量導(dǎo)致線材斷連，電路斷路[4]。

3軟件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1紅外線檢測+蜂鳴器報警軟件部分設(shè)計流程

紅外線測距作為導(dǎo)盲護(hù)腕的核心功能，是本身設(shè)計的重中之重。但是因為選材上的取巧，在設(shè)計軟件程序上并不需要浪費過量存儲空間和算力去判斷回傳信號時間和計算測量距離。當(dāng)系統(tǒng)開始通電，芯片開始初始化，載入類庫，把三個紅外線探頭分別設(shè)置為people1，people2，people3，蜂鳴器設(shè)置為beep，使用if循環(huán)嵌套語句判斷三個紅外線探頭返回值是否為0，若任意返回值為0，則判斷為三個探頭前方存在障礙物，此時蜂鳴器從默認(rèn)的不工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)。其中，在蜂鳴器工作時，三個紅外線探頭保持偵聽狀態(tài)，若檢測到三個紅外線前方均無障礙物，即返回值均不為0，則蜂鳴器從工作狀態(tài)裝為不工作狀態(tài)。并保持紅外線探頭的偵聽狀態(tài)[5]。

3.2 GPS+GSM模塊軟件部分設(shè)計流程

GPS+GSM模塊主要用以確認(rèn)設(shè)備所在，主要有主動回傳地理位置和接收短信并回傳地理位置的功能，是整個設(shè)計中程序最為復(fù)雜的一塊。

首先需要定義全局變量，最重要的是不要遺漏串口接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，把使用Unicode字符轉(zhuǎn)碼后的電話號碼設(shè)為PhoneNo，這個是作為唯一的接收回送地理位置的手機(jī)號碼。通過if嵌套循環(huán)語句判斷GSM模塊回應(yīng)是否以+開頭，并讀取GPS信號，開頭$則接收定位信息。再添加串行口2中斷處理函數(shù)，接著定義發(fā)送信息文本，優(yōu)先發(fā)送指令，繼而發(fā)送接收短信的號碼，再依次發(fā)送北緯，小數(shù)點，東經(jīng)和小數(shù)點，完成地理位置的發(fā)送。編輯主函數(shù)，使用if循環(huán)語句定時讀取新短信，并在發(fā)送短信后刪除所有短信。并在最后再次使用if循環(huán)語句定時讀取短信[6]。

3.3光敏傳感器+燈光模塊軟件部分設(shè)計流程

光敏傳感器控制LED燈是盲人夜間出行的又一道安全保障，這個在軟件設(shè)計上并不復(fù)雜。使用if循環(huán)判斷光敏傳感器light_dat，若光敏高，則繼電器打開，即relay1為0，反之為光敏低，繼電器關(guān)閉，relay1為1[7]。

3.4軟件系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)前面的軟件設(shè)計思路，用C語言為主的設(shè)計語言實現(xiàn)所設(shè)想的功能。因為選材的取巧，可以省去大量的代碼用以計算檢測距離以及比較距離，只需要通過簡單的嵌套循環(huán)，判斷紅外線反射信號的有無，進(jìn)而控制蜂鳴器的工作狀態(tài)。同理，得益于光敏傳感器的高度集成，這里也只需要判斷光敏信號的高低，轉(zhuǎn)而控制繼電器的工作狀態(tài)[8]。

在代碼開發(fā)過程中，與流程圖邏輯有所不同的地方在于，判斷GSM模塊是否有接收到短信，以及判斷發(fā)送短信按鈕是否又被按下，邏輯上并不存在嵌套關(guān)聯(lián)。但相同的是，兩者都需要獲取GPS信息，發(fā)送短信到指定的手機(jī)號碼上，然后再刪除短信。最后，需要定時讀取短信。特別注意的是，這個模塊的代碼用到了兩種不同編碼方式，其中，Unicode編碼用于編譯指定手機(jī)號碼，用來收取當(dāng)前地理位置信息的短信，而UCS2編碼則是設(shè)置手機(jī)卡當(dāng)前的字符集。

綜合系統(tǒng)的各個模塊所寫，在編譯運行無誤后，生成hex文件，燒錄到單片機(jī)上并調(diào)試，即可完成設(shè)計。

4 結(jié)語

導(dǎo)盲護(hù)腕的最終設(shè)計能夠正常產(chǎn)生紅外線，實現(xiàn)紅外線的發(fā)送和接收，從而實現(xiàn)利用紅外線方法探測前方障礙物，并進(jìn)行預(yù)警。預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用，可以大大減少盲人的行走不便和安全風(fēng)險，有效減少盲人由于無法正確識別障礙物所造成的事故，對盲人出行安全輔助起到了一定作用。

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【通聯(lián)編輯：王力】