翁興華++陳永煌++顧天華++李丹璐

摘要：為了防止盲人出行時(shí)碰到障礙物而摔倒，提出了一種基于 ST89C51 單片機(jī)的多功能盲人智能拐杖設(shè)計(jì)方案，并完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。 整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由超聲波測(cè)距模塊、激光測(cè)距模塊，光電門模塊，語音播報(bào)等模塊組成，實(shí)現(xiàn)了障礙探測(cè)功能，并且該功能均伴有詳細(xì)的語音提示。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該智能拐杖克服了傳統(tǒng)拐杖的缺點(diǎn)，可以檢測(cè)許多類型的障礙物，尤其是那種普通傳感器難以檢測(cè)出來的較小的障礙，以適應(yīng)多種可能出現(xiàn)的情況，能夠?yàn)槊と伺笥烟峁└影踩某鲂蟹绞健?/p>

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)； 測(cè)距；光電門；超聲波；激光；語音播報(bào)

1 引言

1984年，在世界盲人聯(lián)盟成立大會(huì)上，經(jīng)過討論一致通過確立每年10月15日為國(guó)際盲人節(jié)。世界盲人組織的宗旨是：致力于盲癥防治，提高盲人福利，使盲人能完全平等地參與社會(huì)活動(dòng)，提供國(guó)際論壇交流盲人工作經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)現(xiàn)有殘疾人8300多萬，其中盲人、低視力和視力障礙的多重殘疾人有1691萬，這個(gè)數(shù)字還在逐年增加。由于生理上的缺陷，盲人在生活自理、工作等方面有很多不便。在戶外行走時(shí)，盲人只能依靠手中的拐杖和聽覺來綜合判斷周圍的障礙物，沒有安全感。盲人很難在沒有人陪同的情況下安全行走。政府花費(fèi)巨資對(duì)城市道路進(jìn)行改革，增設(shè)無障礙人行道，在紅綠燈路口增設(shè)報(bào)警信號(hào)等。盡管如此，盲人還是感覺不便。

因此，盲人朋友急需一種智能導(dǎo)盲拐杖來保障其出行的方便與安全。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的導(dǎo)盲輔助設(shè)設(shè)備更趨于完善化、人性化、及智能化。國(guó)內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)研究和生產(chǎn)出相關(guān)電子導(dǎo)盲裝置，多數(shù)市面上可見的導(dǎo)盲設(shè)備大部分為超聲波傳感器的應(yīng)用技術(shù)，其中也有紅外感應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用。

然而大部分的導(dǎo)盲設(shè)備只能探測(cè)前進(jìn)方向存在威脅的障礙物，其所能提供的導(dǎo)盲作用并不明顯。而且，在一些路況較為復(fù)雜的情況下，其對(duì)周圍路況的綜合采集功能還存在不足，不能傳遞給盲人準(zhǔn)確的路況信息，因此盲人行走時(shí)的準(zhǔn)確與安全得不到充分的保障。

因此，為解決上述問題，就需要一種智能導(dǎo)盲拐杖，能準(zhǔn)確探測(cè)并預(yù)警較小障礙物的存在，具有對(duì)周圍路況的良好采集功能和明顯的導(dǎo)盲作用，適應(yīng)盲人的日常生活，保證盲人行走的準(zhǔn)確與安全。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由超聲波測(cè)距模塊、激光測(cè)距模塊，光電門模塊，語音播報(bào)模塊等構(gòu)成。以 STC89C51單片機(jī)作為主控，使整個(gè)系統(tǒng)能夠正常工作。系統(tǒng)的硬件功能框圖如圖 1 所示。該智能拐杖的避障檢測(cè)有語音提示，使用簡(jiǎn)單。

電源開關(guān)：控制整體電路電源的開關(guān)；

超聲波測(cè)距模塊：檢測(cè)前方障礙物的距離；

激光測(cè)距模塊：檢測(cè)前方的凹坑或突起；

激光發(fā)射器，發(fā)射激光，作為信號(hào)源：

光敏電阻：測(cè)激光發(fā)出的光線，從而判斷障礙物，構(gòu)成光電門：

充電插孔，用于外部供電：

蓄電池，為整個(gè)系統(tǒng)供電；

蜂鳴器，當(dāng)障礙物存在于光電門之間時(shí)，一直鳴響，方便盲人通過挪動(dòng)判斷障礙物的大小。

pcb板，嵌有MCS—51單片機(jī)，語音播放模塊，是本系統(tǒng)核心控制部件。單片機(jī)獲得各個(gè)模塊傳達(dá)的信息并進(jìn)行判斷，根據(jù)不同的情況，控制MP3播放模塊播放不同的語音。

拐杖各模塊設(shè)計(jì)原理

2.1 光電門原理：

當(dāng)物體通過光電門時(shí)光被擋住，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)物體離開時(shí)停止計(jì)時(shí)，這樣就可以根據(jù)物體運(yùn)動(dòng)的速度與運(yùn)動(dòng)時(shí)間計(jì)算物體大?。还怆婇T是由一個(gè)激光發(fā)射模塊和一個(gè)光敏電路組成的，激光發(fā)射模塊對(duì)準(zhǔn)光敏電阻，光敏管前面有一個(gè)小孔可以接收光的照射。光敏電路與計(jì)時(shí)儀是按以下方式連接的。即當(dāng)兩個(gè)光電門的任一個(gè)被擋住時(shí)，計(jì)時(shí)儀開始計(jì)時(shí)；當(dāng)再次接收到光線時(shí)時(shí)，計(jì)時(shí)終止。定時(shí)器記錄是兩次變化之間的時(shí)間間隔。

其工作原理是光照度改變使光敏電阻阻值的改變，而引起光敏電阻兩端電壓的改變。電壓變化信號(hào)通過電壓比較器傳到單片機(jī)上。光電門一端有個(gè)激光發(fā)射源，另一端有個(gè)光敏電阻，兩端無物體阻擋時(shí)激光照射到光敏電阻上。有光照時(shí)光敏電阻阻值減小，光敏電阻兩端為低電壓。當(dāng)兩端之間有物體阻擋時(shí)，光敏電阻受到光照度減小，電阻增大，光敏電阻兩端為高電壓。換而言之，當(dāng)光電門傳感器之間沒有物體阻擋時(shí)，其內(nèi)部電路斷開；當(dāng)光電門傳感器之間有物體阻擋時(shí)，其內(nèi)部電路接通。

2.2 測(cè)距模塊原理：

通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時(shí)的時(shí)間差就可以知道距離了。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。（超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離（s），即：s=340t/2）。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，它協(xié)調(diào)和控制各部分電路的工作。工作過程：開機(jī)，然后控制程序使單片機(jī)輸出載波為40kHz的10個(gè)脈沖信號(hào)加到超聲波傳感器上，使超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)超聲波脈沖群發(fā)射結(jié)束后，單片機(jī)片內(nèi)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，在檢測(cè)到第一個(gè)回波脈沖的瞬間，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，這樣就得到了從發(fā)射到接收的時(shí)間差△t，然后可計(jì)算出被測(cè)距離。

激光測(cè)距與陀螺儀工作原理：

激光測(cè)距探頭采用30Hz版 激光測(cè)距模塊，激光測(cè)距的原理是利用激光在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量激光在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。當(dāng)激光測(cè)距探頭探測(cè)到前方一定距離范圍內(nèi)有障礙物或者有凹陷， 就向控制模塊發(fā)送觸發(fā)信號(hào)。在支架的中部安裝一個(gè)激光測(cè)距探頭，使其以一定角度（如45°），再根據(jù)探頭的高度計(jì)算，可得到平整地面對(duì)應(yīng)激光測(cè)距模塊測(cè)得的距離，如果突然變大即可知前方出現(xiàn)凹坑，反正則是障礙物，當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)變化時(shí)，就向控制模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，計(jì)算出前方凹坑或凸起的程度，如圖3所示：

2.3 語言播放模塊工作原理：

在本文所述的智能拐杖中，語音模塊使用YX5600-48L，該語音芯片是一款功能強(qiáng)大的 OTP 語音單片機(jī)芯片。YX5600-48L 語音芯片不再為控制方式而尋找合適的外圍單片機(jī)電路，高度集成的單片機(jī)技術(shù)足于取代復(fù)雜的外圍控制電路。功能操作方式簡(jiǎn)潔易懂，大大減少了使用和二次開發(fā)的時(shí)間。在線SPI下載：通過下載器和下載編譯軟件，簡(jiǎn)單方便地將音樂文件下載到 SPI-FLASH 中。下載器使用簡(jiǎn)單，編譯軟件操作方便。UART 串口控制：標(biāo)準(zhǔn)的串口通訊協(xié)議，可通過發(fā)送命令控制指定音樂文件播放、存儲(chǔ)器切換、播放循環(huán)模式 切換、音樂插播、多曲目組合播放、RTC設(shè)置及讀取、定時(shí)喚醒觸發(fā)等功能。具體使用電路如下圖4所示。

導(dǎo)盲杖的語音播報(bào)主要用在與各個(gè)模塊相結(jié)合。如拐杖底部的左側(cè)的光電門檢測(cè)的障礙物時(shí)，光敏電阻阻值改變，接入電路的電壓變化，通過電壓比較器將數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)，單片機(jī)控制MP3播放模塊該種情況下應(yīng)當(dāng)播放的音頻（如“請(qǐng)注意，在您的的左前方有小障礙物”），同時(shí)鳴響蜂鳴器，以提示盲人該障礙物仍存在光電門之間，直到障礙物離開光電門之間。如果正對(duì)前方的超聲波模塊檢測(cè)到障礙物已經(jīng)接近時(shí)，單片機(jī)控制MP3播放模塊該種情況下應(yīng)當(dāng)播放的音頻（如“請(qǐng)注意，在您的的前方有較大的障礙物”）。前方的凹坑也是同理。

2.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)原理：

采用三腳架作為拐杖底部。選擇腳架的第一個(gè)要素就是穩(wěn)定性，它的穩(wěn)定性保證了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，即便用戶用力按下，仍可保證其使用的安全性，甚至有時(shí)候可以將其作為一個(gè)支撐的架子使用。利用三腳架的升降功能在使用前取出三腳架展開后將搖桿旋轉(zhuǎn)至工作高度，以適應(yīng)不同人的身高，給使用者提供最舒適的使用體驗(yàn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

項(xiàng)目方案如圖1所示，拐杖通過多個(gè)模塊對(duì)路面信息進(jìn)行采集，經(jīng)單片機(jī)處理后，通過語言提示，將路障信息告知盲人。其路況信息的采集如下：底座之間的光電門對(duì)于較小的障礙物進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)有障礙物進(jìn)入其中時(shí)，會(huì)通過語音告知，只要障礙物仍在光電門之間，蜂鳴器會(huì)一直鳴響，盲人此時(shí)也可以通過移動(dòng)拐杖來判斷障礙物的大小。在底座正前方有超聲波模塊，對(duì)前方的較大的障礙物進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)（階梯或者墻面）與人之間的距離達(dá)到一定程度時(shí)，通知盲人繞道或者注意。在拐杖的中部有激光測(cè)距模塊，根據(jù)幾何原理，檢測(cè)前方的路面是否有坑洞或者突起，如有則提醒盲人前方有坑洞突起的情況。系統(tǒng)的軟件流程圖如5所示。

4 項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果

通過該項(xiàng)目的測(cè)試結(jié)果，該智能導(dǎo)盲拐杖基于單片機(jī)，集語音播報(bào)模塊、激光測(cè)距模塊、超聲波測(cè)距模塊為一體的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的全部功能，對(duì)盲人行走路線上的障礙物檢測(cè)效率高，預(yù)警及時(shí)可靠。例如，當(dāng)盲人行走路線上的左前方存在危險(xiǎn)障礙物時(shí)，光電門之間便能檢測(cè)到危險(xiǎn)并通過單片機(jī)控制語音播報(bào)模塊將危險(xiǎn)信息及時(shí)傳遞使用者，對(duì)于前方障礙物的檢測(cè)依賴超聲波測(cè)距模塊，單片機(jī)預(yù)設(shè)了超聲波的檢測(cè)范圍，若是在超聲波檢測(cè)范圍內(nèi)存在障礙物，則語音播報(bào)模塊將提示“前方有障礙物”。拐杖中部的激光測(cè)距模塊檢測(cè)到前方的突起或凹坑即使通過語音通知盲人，讓盲人可以及時(shí)的繞開。同時(shí)，該項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用相對(duì)穩(wěn)固的三腳架結(jié)構(gòu)，在實(shí)際使用中更加安全牢固，即便用力按下，也不會(huì)傾斜，這就保證了盲人在使用時(shí)的安全性，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

5 總 結(jié)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，該拐杖實(shí)現(xiàn)測(cè)距及時(shí)精準(zhǔn)，對(duì)障礙物的預(yù)警準(zhǔn)確及時(shí)，并且，該拐杖硬件成本較低，拐杖結(jié)構(gòu)重量較輕且操作簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)牢固，性能穩(wěn)定，能較好滿足盲人朋友以及存在視力障礙人群的日常使用。 利用電子技術(shù)，設(shè)計(jì)以單片機(jī)為主控件，由激光測(cè)距模塊、 超聲波測(cè)距模塊、光電門模塊、 語音播報(bào)模塊等組成。 通過多種傳感器對(duì)路況的檢測(cè)，將可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)告知給盲人，讓他們提前做好準(zhǔn)備。在未來，對(duì)于盲人出行安全問題將得到社會(huì)越來越多的關(guān)注，拐杖的設(shè)計(jì)將向著更加輕便和智能化的方向發(fā)展，使得對(duì)盲人出行的保護(hù)也愈加周到和高效。

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受中國(guó)計(jì)量大學(xué)2016校立開放實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目資助。