基于51單片機的個性化康復健身拐杖設計

董佳楠，朱玲鈴，位健，尤照江，許崇彩

(1.宿遷學院，江蘇宿遷，223800；2.宿遷學院產業技術研究院，江蘇宿遷，223800)

0 引言

據中國國家統計局數據顯示：預計到2020年，老年人口達到2.48億，老齡化水平達到17.17%，其中，80歲以上老年人口將達到3067萬人；2025年，六十歲以上人口將達到3億，中國成為超老年型國家；2040年，我國人口老齡化進程[1]達到頂峰。

當今，大多數青壯年忙于工作，無暇顧及家中的老人，老人在獨立環境下的日常健身與跌倒康復訓練問題越來越受到社會的重視。而隨著物聯網技術、計算機技術、電子技術的迅猛發展，產品的更新換代愈來愈快，生活中智能[2]產品日益增多。服務機器人、工業機器人等的出現，使得人機關系在現代信息化社會中地位突出。人們對產品的便捷性要求更高，對社會服務的人性化、智能化的愿望更強烈。

拐杖[3]，作為重要的醫療康復輔助用具，種類主要有三種：手杖、肘杖、腋杖。其中，手杖主要用于輕度腿疾患者，且使用便捷，適用度廣。考慮到上述種種因素，本設計針對老年人康復健身問題，選用手杖作為媒介，合理加裝電子產品[4]，使其智能化。

1 總體方案

本設計系統的主控芯片為STC89C52單片機，功能模塊包括光感照明模塊、障礙物檢測模塊、計步定位模塊、姿態監測模塊與報警模塊。由使用者需求，可自由選取模塊，進行個性化組裝。

系統上電后, 拐杖開啟智能模式，根據環境明暗變化，自動開燈和關燈；使用者在行走中, 拐杖檢測到前方障礙物,提示報警，避免人為事故的發生；使用者可根據頂部安裝的顯示屏幕，查看當前走的步數，作為運動量的一個簡單估測；使用者摔倒時，自動啟動語音提醒，外出讓家人更加放心。系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2 硬件模塊設計

■2.1 STC89C52

STC89C52單片機[5]是STC公司出品的一種集運算速度快、功耗小及抗干擾能力強等優點于一身的新型單片機芯片。它具有8K字節的ROM、片上集成512字節RAM、可編程可擦除的CMOS 8位微控制器，雖然沿用了經典的MCS-51內核，但經過多方面的改進使它的功能比傳統的51單片機更加強大。本設計STC89C52單片機實現各個模塊的整體控制，完成信息的通訊。

■2.2 光感照明模塊

本模塊采用光敏電阻檢測環境明暗變化，當光敏電阻感應[6]到光線變化時，將信號傳給控制單元進行處理，再由控制單元控制路燈的亮滅。

通常，光敏電阻器都制成薄片結構，以便吸收更多的光能。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極常采用梳狀圖案，它是在一定的掩膜下向光電導薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。當它受到光的照射時，半導體片（光敏層）內就激發出電子—空穴對，參與導電，使電路中電流增強。

■2.3 障礙物檢測模塊

超聲波傳感器[7]主要有電致伸縮和磁致伸縮兩類，電致伸縮采用雙壓電陶瓷晶片制成，具有可逆特性。

本模塊采用軟件查詢的方法，檢測超聲波模塊接收管腳的回波信號情況。模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路。當信號為0時，表示沒有回波信號，此時等待信號變為高電平，當接收到回波信號時，程序繼續運行，此時開啟定時器T0，直到回波信號消失才關閉，此時測到的時間就是回波信號的高電平脈寬時間長度。

定時器T1使用數碼管顯示，每隔500ms作為一個周期，發送一次超聲波。HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm至400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可高達3mm，其模塊組裝實物圖如圖2所示。

圖2 障礙物檢測模塊組裝實物圖

■2.4 計步定位模塊

本模塊采用三軸加速度傳感器[8]，其體積小，利于制作成為便攜計步器。

通過數字濾波器讓使用者豎向、前向和側向的加速度變得平滑。系統持續更新3軸加速的最大值和最小值, 每采樣50次更新一次。平均值(Max+Min) /2為動態閾值。接下來的50次采樣利用此閾值判斷個體是否邁步。由于閾值每50次采樣更新一次, 這種選擇具有自適應性也足夠快。步伐計數器根據x、y、z三軸加速度變化最大的一個軸計算步數。如果加速度變化太小, 計數將忽略，其模塊組裝實物圖如圖3所示。

圖3 計步定位模塊組裝實物圖

■2.5 姿態監測模塊

本模塊采用傾斜傳感器[9]，它既能測量運動或沖擊導致的動態加速度，也能測量靜止加速度，例如重力加速度，此時可使器件作為傾斜傳感器來使用。

差分電容由獨立固定板和活動質量連接板組成，能對結構偏向進行測量。

當物體移動時，加速度慣性使質量連接板偏轉、差分電容失衡，傳感器的輸出的幅度與加速度呈正比。由相敏解調以確定加速度的幅度和極性，從而可以計算出物體的的傾斜角度。

■2.6 報警模塊

由于拐杖被廣泛用于室外的嘈雜環境中，本模塊采用蜂鳴器報警，當通過超聲波的發射和接收電路以及軟件結合判斷出前方有障礙物時，系統將發出報警信號。聲音報警電路通過一個簡單的三極管驅動蜂鳴器報警。

單片機控制BEEP的高低電平來讓蜂鳴器是否工作，Q1為三極管，NPN型，所以此處BEEP為高電平時，三極管開通，蜂鳴器接地得電，相反為低電平時，三極管截止，蜂鳴器不得電。

■2.7 復位電路模塊

復位電路由按鍵、電容、電阻、VCC及GND組成。S2為按鍵，按下手動復位，復位即讓程序重新運行，不會導致電路板任何器件的損壞或者程序的丟失。

■2.8 電源模塊

電源模塊需要具備系統簡單、運行可靠的特點。在電路設計中如果電壓太大,會造成電流過大，容易縮減組件的使用壽命，并且會燒壞單片機的芯片，從而導致不可預估的損耗。本文中所設計的系統需要5V電壓，因此單電源方案最為合適。

電源電路目的:給控制電路及其它電路提供一個穩定的電源。它的穩定與否涉及到電路是否能穩定工作。本次設計采用可穩壓芯片 LM393，是最常見的三端穩壓集成電路，用其組成穩壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。

3 軟件程序設計

系統的軟件設計采用 C 語言，可以大大提高程序編寫時的效率，設計的關鍵是超聲波的發射和接收，以及障礙物距離的計算和語音報警。單片機端設計的軟件功能版塊主要有：明暗監測子模塊、報警子模塊、超聲波子模塊、姿態監測模塊等。

主程序首先對系統初始化，然后循調用超聲波發射子程序，延時程序，超聲波測距子程序，報警子程序等。主程序框架圖如圖4所示。

圖4 主程序框架圖

4 結論

本文設計的智能拐杖操作簡單, 功能實用, 能夠滿足使用者的生活需求。打開電源，環境明暗檢測系統自動檢測周圍光線強度，當光線為弱光時，自動開啟LED；當光線為強光時，自動關閉LED。使用者打開系統總開關后，計步功能自動開啟，實時監測使用者的狀態，反饋步數信息；同時，系統自動開啟超聲波測距功能，結合警報系統實時反饋信息。系統內置震動和聲音兩種提醒方式，當智能拐杖判定有危險時，警報提醒模塊發出警報。當超聲波測距系統測量到前方1米內有障礙物或監測到使用者為摔倒狀態時，自動將信號傳遞給警報提示系統并發出警報，且離障礙物越近警報聲越急促，此時震動馬達也開始工作。

且針對目前智能拐杖的發展形勢，我們在現有的功能個性化與人性化基礎上，制作了后期的優化發展方案，添加幾個重要的模塊組件及改動：

（1）歌曲播放功能：由TF卡槽與功放板組成該模塊，使得運動的過程更加休閑輕松。

（2）一鍵通信救助：該模塊主要由GSM無線通信模塊與GPS構成，能夠對使用者進行實時定位，并且在使用者發出求助后，發送短信定位給使用者的家人。

（3）GPS定位功能：通過GPS[10]以及GSM模塊實時發送定位與客戶端，家人守護更放心。

（4）語音提醒：通過語音的方式進行交互，更好的實現智能化。

（5）體積、線路優化：能夠真正的打造成一款產品，對其體積與線路高度集成化，增強其防水性能，提高電池的續航能力。

5 結束語

本文介紹了一種基于51單片機的個性化康復健身拐杖設計，包括有四個主要功能：光感照明功能、障礙物檢測功能、計步定位功能以及多傳感提醒功能。在功能的組裝上充分考慮用戶體驗，可根據用戶需求，自行選擇模塊，個性化裝配。通過對硬件電路與軟件程序的設計，在實踐中驗證方案的可行性與有效性。