盲人輔助行走拐杖的設(shè)計(jì)

摘要：傳統(tǒng)盲人的拐杖僅僅是一根普通長(zhǎng)棍，盲人只能感覺(jué)接觸到的障礙物，使得他們?cè)谛凶咧谐錆M了安全隱患。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文基于 STC單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種盲人輔助行走拐杖，該設(shè)計(jì)模仿蝙蝠避障原理，利用嵌入式技術(shù)和超聲波測(cè)距技術(shù)，探測(cè)盲人正前方的障礙物，由單片機(jī)控制收集信息，并利用相關(guān)軟件處理，對(duì)需要進(jìn)行警告的信息進(jìn)行人性化語(yǔ)音提示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的盲人輔助行走拐杖能夠有效幫助盲人識(shí)別障礙物與自己之間的距離遠(yuǎn)近，供盲人提前作出應(yīng)對(duì)方案，減少行走過(guò)程中的危險(xiǎn)，從而達(dá)到輔助盲人獨(dú)立行走的目的。同時(shí)拐杖采用特制的可伸縮折疊結(jié)構(gòu)，使之更加便于不同的用戶群使用。

關(guān)鍵詞：STC89C52;超聲波測(cè)距;超聲拐杖;語(yǔ)音報(bào)警

在日常生活中，盲人基本都是通過(guò)普通的盲杖來(lái)輔助行走的，有的甚至只是一根普通的長(zhǎng)桿，它只有接觸才會(huì)發(fā)覺(jué)局部的障礙物，存在著明顯的不足。導(dǎo)盲犬雖然也是一種可靠的手段，但是維護(hù)成本太大，在盲人群體中的利用率并不高。我們所設(shè)計(jì)的電子導(dǎo)肓拐杖是基于STC89C52單片機(jī)控制，利用HSR-04超聲波測(cè)距和WT588D語(yǔ)音模塊結(jié)合固定在定制拐杖上的智能語(yǔ)音提示拐杖。當(dāng)盲人的前方有障礙物的時(shí)候會(huì)被該系統(tǒng)檢測(cè)到時(shí)候，從而提示語(yǔ)音供使用者判斷。和傳統(tǒng)拐杖相比它具有障礙提示功能，具有可折疊性，占用空間小，攜帶方便。和市面上銷售的普通電子拐杖相比它的成本較少，測(cè)量范圍廣，具有功能可擴(kuò)展性，功能更加齊全。

1 導(dǎo)盲拐杖系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1. 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由主控制模塊STC89C52單片機(jī)、電源模塊、超聲波模塊、語(yǔ)音模塊、發(fā)聲喇叭等組成，軟件部分包括單片機(jī)中斷程序、語(yǔ)音模塊的接受信號(hào)處理程序和語(yǔ)音芯片驅(qū)動(dòng)程序。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1所示。

超聲波模塊1檢測(cè)上方的障礙物，超聲波模塊2檢測(cè)腳前的障礙物，當(dāng)檢測(cè)到障礙物在設(shè)定需要提醒的距離內(nèi)時(shí)，主控制器給語(yǔ)音模塊發(fā)送控制信息，從而控制喇叭發(fā)出對(duì)應(yīng)語(yǔ)音提示。供盲人提前做出應(yīng)對(duì)，避免發(fā)生危險(xiǎn)。

1.2 電源模塊的設(shè)計(jì)

因?yàn)閱纹瑱C(jī)工作的電壓為+5 V，考慮到盲人生活有諸多的不變，并且所處環(huán)境復(fù)雜，對(duì)電源的容量，穩(wěn)定性和使用壽命都有較高的要求。所以本設(shè)計(jì)采用了使用市面上性能穩(wěn)定的大容量POWERBANK(一種電源品牌)的+5 V移動(dòng)電源，含有通用USB充放電接口。另配備了一個(gè)4節(jié)5號(hào)電池的電池盒，系統(tǒng)在緊急情況下允許短時(shí)間直接使用。

1.3 復(fù)位電路

51系列的單片機(jī)通過(guò)外部電路復(fù)位，在RST引腳(復(fù)位引腳)持續(xù)10ms以上的高電平，有上電復(fù)位和按鈕復(fù)位，本系統(tǒng)采用上電復(fù)位，即每次打開(kāi)開(kāi)關(guān)就初始化一次，保持設(shè)備不受上次使用的干擾。

1.4 時(shí)鐘電路

為了提供精確地參考時(shí)間信息，單片機(jī)需要外部提供時(shí)鐘電路，本系統(tǒng)采用12 MHz晶振和兩個(gè)30PF的陶瓷電容，以滿足設(shè)計(jì)要求。由于電容在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)熱且晶振為精密器件，所以焊接時(shí)候應(yīng)彼此保持適當(dāng)距離，以保持時(shí)間的周期真實(shí)可靠。

2 導(dǎo)盲拐杖各部分模塊設(shè)計(jì)

2.1 主控電路

控芯片引腳通過(guò)P3^0與語(yǔ)音芯片進(jìn)行通信，控制語(yǔ)音的輸出，P1^0和P1^1接超聲波的Trig口，P3^2和P3^3接超聲波傳感器的Echo口，負(fù)責(zé)超聲波模塊信號(hào)的發(fā)送與接收。

如圖2所示，在使用過(guò)程中，超聲波開(kāi)始定向發(fā)出超聲波，主控模塊處理芯片開(kāi)啟中斷，當(dāng)檢測(cè)到障礙物在設(shè)定需要提醒的最大距離內(nèi)時(shí)，中斷結(jié)束，從而得到超聲波在障礙

物之間的往返時(shí)間，主控模塊計(jì)算出障礙物距離長(zhǎng)短，并根據(jù)得到的距離的長(zhǎng)短選擇相應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)，將信號(hào)發(fā)送給語(yǔ)音模塊。調(diào)用語(yǔ)音模塊的相應(yīng)信息。

2.2 揚(yáng)聲器部分電路

由于發(fā)聲器芯片本身支持5 V的PWM(Pulse Width Modulation脈沖寬度調(diào)制)輸出，故喇叭外不用外加電路。即簡(jiǎn)化了電路又節(jié)約了電能的消耗。

2.3 超聲波測(cè)距模塊

超聲波是高于2 000 Hz的聲波的范稱，因其頻率下限大約等于人的聽(tīng)覺(jué)上限而得名。它的能量集中性能好，方向性強(qiáng)，能穿透多種介質(zhì)，在醫(yī)療和工業(yè)探傷中均有應(yīng)用，HS— SR04超聲波模塊能把電能經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換成聲波發(fā)射出去。并自動(dòng)檢測(cè)回波，其精度可達(dá)1 cm2，距離可達(dá)2～450 cm。模塊的發(fā)射端為trig，接收端echo。當(dāng)超聲波在空氣中遇到障礙物時(shí)，就會(huì)被反射回來(lái)，然后被接收器收到。超聲波在空氣中的傳播速度為已知，來(lái)回穿越時(shí)間極短可認(rèn)為距離是相等的，利用程序測(cè)量出發(fā)射聲波和接收聲波的時(shí)間差(T1+T2)，空氣中傳播速度已知，即可計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離 S。

距離換算公式：

S=C*(T1+T2)/2(C=340 m/s)

2. 4 WT588語(yǔ)音模塊

系統(tǒng)的語(yǔ)音提示部分由WT588語(yǔ)音模塊完成。其主要特點(diǎn);28腳模塊封裝，可通過(guò)更換存儲(chǔ)器以獲得不同長(zhǎng)度的語(yǔ)音存儲(chǔ)時(shí)間;內(nèi)嵌獨(dú)特的人聲語(yǔ)音處理器，使語(yǔ)音表現(xiàn)極為自然悅耳;支持加載6K～22kHz采樣率WAV(微軟公司開(kāi)發(fā)的一種聲音文件格式)音頻;PWM輸出可直接推動(dòng)0.5W/8Ω揚(yáng)聲器，推挽電流充沛;通過(guò)真人錄音，把語(yǔ)音信號(hào)用音頻軟件處理后，通過(guò)與其匹配的專業(yè)下載軟件，把語(yǔ)音按照WAV的格式，按照預(yù)先計(jì)劃的順序燒錄進(jìn)模塊內(nèi)。完成語(yǔ)音的裝載。通過(guò)軟件的設(shè)置可以控制任意一段語(yǔ)音在合適的時(shí)候進(jìn)行播放。在一線串口下，通過(guò)定義STC89C52單片機(jī)的P3^0與語(yǔ)音模塊的P0^3相連接，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與語(yǔ)音芯片的通信，從而在邏輯上把語(yǔ)音模塊和單片機(jī)構(gòu)造成一個(gè)整體。在主控芯片控制下，單片機(jī)不斷分析從超聲波傳感器獲得的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析后向語(yǔ)音芯片發(fā)送不同的語(yǔ)音控制指令，使其距離障礙物的距離和不同的提示音連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)不同情況下的多種語(yǔ)音提示。

本設(shè)計(jì)一共錄制了6段語(yǔ)音，分別為正前方障礙的遠(yuǎn)中近，和腳下附近的遠(yuǎn)中近。在單片機(jī)芯片獲得了相關(guān)數(shù)據(jù)后，開(kāi)始從芯片內(nèi)部讀取語(yǔ)音，通過(guò)喇叭發(fā)生。拐杖使用了兩個(gè)超聲波模塊，分別在上部和下部，經(jīng)測(cè)試使用后會(huì)較的測(cè)量范圍廣，障礙定位更加準(zhǔn)確。

3 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要完成障礙的探測(cè)，距離的計(jì)算，和語(yǔ)音的提示功能。其中主程序又包含了以下子程序，初始化子程序，超聲波的產(chǎn)生和接收子程序，計(jì)時(shí)與計(jì)算子程序，判斷子程序，語(yǔ)音錄入子程序其工作流程如圖6。在程序執(zhí)行過(guò)程中，為了補(bǔ)償在同一方向上前方和腳下對(duì)同一個(gè)障礙的的誤差(拐杖在前進(jìn)過(guò)程中是傾斜使用的)，故對(duì)于超聲波模塊2進(jìn)行了距離補(bǔ)償20 cm。經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)能很好地滿足要求。即使障礙物比較大，模塊1和模塊2同時(shí)都接收到了數(shù)據(jù)，通過(guò)模塊的合理安裝和程序的精心設(shè)計(jì)仍可保持兩個(gè)模塊互不干擾，得到各自的精確數(shù)據(jù)。從而保證測(cè)量和判斷環(huán)境的準(zhǔn)確性。

另外考慮到節(jié)約能源，在每次超聲波探測(cè)后都會(huì)進(jìn)行停頓0.5 s，既可以很好的滿足設(shè)計(jì)要求又能節(jié)約能源，延長(zhǎng)行駛距離。

4 拐杖的設(shè)計(jì)與安裝

由于盲人需要隨身攜帶導(dǎo)盲杖，為此，導(dǎo)盲杖的設(shè)計(jì)應(yīng)輕巧實(shí)用。拐杖采用鋁合金或者不銹鋼的材質(zhì)，內(nèi)部中空，可折疊、可伸縮、質(zhì)量輕，簡(jiǎn)單便捷。采用兩種組合結(jié)構(gòu)以滿足不同人的需要，一種內(nèi)部用強(qiáng)力皮筋連接，分為多節(jié)可以折疊使用。另一種是多節(jié)，各節(jié)螺旋結(jié)構(gòu)相連可伸縮，可以根據(jù)不同的身高和年齡段適當(dāng)調(diào)整高度。手柄用傳統(tǒng)的貼合設(shè)計(jì)，各節(jié)結(jié)合部分附加強(qiáng)力彈簧在行走過(guò)程中亦可適當(dāng)助力。外部用相對(duì)廉價(jià)的反光紙取代了警示燈，盲人不能分辨白天黑夜，市面上的光敏元件廉價(jià)的起不到節(jié)約的作用，效果好的對(duì)成本有影響，并且對(duì)于獨(dú)立拐杖來(lái)說(shuō)電源是個(gè)寶貴的資源，經(jīng)過(guò)夜間測(cè)試在有燈光的地方距離20 m以外均能發(fā)現(xiàn)拐杖的存在。提高了盲人夜間行走的安全性。

安裝：本設(shè)計(jì)為了得到正前方的詳細(xì)信息，采用了兩個(gè)超聲波傳感器，分別探測(cè)成年人在實(shí)際環(huán)境中腰部以上(超聲波模塊1)的障礙和膝蓋以下(超聲波模塊2) 前方的的障礙。拐杖在實(shí)際應(yīng)用中為傾斜使用，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后兩個(gè)模塊均水平向下傾斜30°附近安裝可基本滿足不同身高段的使用者要求，頂部盡量靠近手柄部分，底部的應(yīng)距離底座5 cm以上，防止行走過(guò)程損壞設(shè)備。語(yǔ)音模塊在一側(cè)，迷你發(fā)生器在另一側(cè)，電源在背面，含有電池槽和固定設(shè)備。且主控模塊和語(yǔ)音部分均留有擴(kuò)展接口，根據(jù)附帶的技術(shù)資料。便于有一定技術(shù)基礎(chǔ)的使用者根據(jù)自身實(shí)際情況調(diào)節(jié)產(chǎn)品，擴(kuò)展性能。達(dá)到最佳效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)一系列的實(shí)地測(cè)試，本設(shè)計(jì)能夠在規(guī)定安全距離內(nèi)對(duì)碰到對(duì)正前方障礙物和腳前方凸起的路面進(jìn)行語(yǔ)音提示，并且視情況給出不同的提示語(yǔ)音，夜間在有燈光的地方普通人能夠?qū)照茸龀鰷?zhǔn)確識(shí)別，本設(shè)計(jì)幫助了盲人更好的適現(xiàn)代生活，切實(shí)保障了盲人在前進(jìn)路上的人身安全。目前本設(shè)計(jì)只能含有漢語(yǔ)提示和檢測(cè)正前方的障礙，不能檢測(cè)地面深坑和左右環(huán)境情況，下一步主要會(huì)完善語(yǔ)音提示的種類模式選擇使其能夠面對(duì)不同的國(guó)家和語(yǔ)言種族都能使用，也會(huì)努力嵌入可以定位的 GPS定位功能，使盲人能夠隨時(shí)隨地的把自己的信息反饋給關(guān)心自己的人。