盲人輔助行走拐杖的設(shè)計

摘要：傳統(tǒng)盲人的拐杖僅僅是一根普通長棍，盲人只能感覺接觸到的障礙物，使得他們在行走中充滿了安全隱患。針對這個問題，本文基于 STC單片機(jī)設(shè)計了一種盲人輔助行走拐杖，該設(shè)計模仿蝙蝠避障原理，利用嵌入式技術(shù)和超聲波測距技術(shù)，探測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，對需要進(jìn)行警告的信息進(jìn)行人性化語音提示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計的盲人輔助行走拐杖能夠有效幫助盲人識別障礙物與自己之間的距離遠(yuǎn)近，供盲人提前作出應(yīng)對方案，減少行走過程中的危險，從而達(dá)到輔助盲人獨(dú)立行走的目的。同時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;超聲波測距;超聲拐杖;語音報警

在日常生活中，盲人基本都是通過普通的盲杖來輔助行走的，有的甚至只是一根普通的長桿，它只有接觸才會發(fā)覺局部的障礙物，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超聲波測距和WT588D語音模塊結(jié)合固定在定制拐杖上的智能語音提示拐杖。當(dāng)盲人的前方有障礙物的時候會被該系統(tǒng)檢測到時候，從而提示語音供使用者判斷。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

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、語音模塊的接受信號處理程序和語音芯片驅(qū)動程序。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖見圖1所示。

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

1.2 電源模塊的設(shè)計

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移動電源，含有通用USB充放電接口。另配備了一個4節(jié)5號電池的電池盒，系統(tǒng)在緊急情況下允許短時間直接使用。

1.3 復(fù)位電路

51系列的單片機(jī)通過外部電路復(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，即每次打開開關(guān)就初始化一次，保持設(shè)備不受上次使用的干擾。

1.4 時鐘電路

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

2 導(dǎo)盲拐杖各部分模塊設(shè)計

2.1 主控電路

控芯片引腳通過P3^0與語音芯片進(jìn)行通信，控制語音的輸出，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)超聲波模塊信號的發(fā)送與接收。

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

物之間的往返時間，主控模塊計算出障礙物距離長短，并根據(jù)得到的距離的長短選擇相應(yīng)的觸發(fā)信號，將信號發(fā)送給語音模塊。調(diào)用語音模塊的相應(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。即簡化了電路又節(jié)約了電能的消耗。

2.3 超聲波測距模塊

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覺上限而得名。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)過轉(zhuǎn)換成聲波發(fā)射出去。并自動檢測回波，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，就會被反射回來，然后被接收器收到。超聲波在空氣中的傳播速度為已知，來回穿越時間極短可認(rèn)為距離是相等的，利用程序測量出發(fā)射聲波和接收聲波的時間差(T1+T2)，空氣中傳播速度已知，即可計算出發(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語音模塊

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

本設(shè)計一共錄制了6段語音，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，開始從芯片內(nèi)部讀取語音，通過喇叭發(fā)生。拐杖使用了兩個超聲波模塊，分別在上部和下部，經(jīng)測試使用后會較的測量范圍廣，障礙定位更加準(zhǔn)確。

3 程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要完成障礙的探測，距離的計算，和語音的提示功能。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，計時與計算子程序，判斷子程序，語音錄入子程序其工作流程如圖6。在程序執(zhí)行過程中，為了補(bǔ)償在同一方向上前方和腳下對同一個障礙的的誤差(拐杖在前進(jìn)過程中是傾斜使用的)，故對于超聲波模塊2進(jìn)行了距離補(bǔ)償20 cm。經(jīng)過測試發(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同時都接收到了數(shù)據(jù)，通過模塊的合理安裝和程序的精心設(shè)計仍可保持兩個模塊互不干擾，得到各自的精確數(shù)據(jù)。從而保證測量和判斷環(huán)境的準(zhǔn)確性。

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

4 拐杖的設(shè)計與安裝

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，各節(jié)結(jié)合部分附加強(qiáng)力彈簧在行走過程中亦可適當(dāng)助力。外部用相對廉價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的起不到節(jié)約的作用，效果好的對成本有影響，并且對于獨(dú)立拐杖來說電源是個寶貴的資源，經(jīng)過夜間測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)計為了得到正前方的詳細(xì)信息，采用了兩個超聲波傳感器，分別探測成年人在實(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)過試驗(yàn)后兩個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，防止行走過程損壞設(shè)備。語音模塊在一側(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

經(jīng)過一系列的實(shí)地測試，本設(shè)計能夠在規(guī)定安全距離內(nèi)對碰到對正前方障礙物和腳前方凸起的路面進(jìn)行語音提示，并且視情況給出不同的提示語音，夜間在有燈光的地方普通人能夠?qū)照茸龀鰷?zhǔn)確識別，本設(shè)計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)計只能含有漢語提示和檢測正前方的障礙，不能檢測地面深坑和左右環(huán)境情況，下一步主要會完善語音提示的種類模式選擇使其能夠面對不同的國家和語言種族都能使用，也會努力嵌入可以定位的 GPS定位功能，使盲人能夠隨時隨地的把自己的信息反饋給關(guān)心自己的人。