廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院 鄧保青 王宇樞

對(duì)于老年人和行動(dòng)不便的人群而言，助步車是其方便出行所依賴工具。隨著科技的發(fā)展及社會(huì)的和諧進(jìn)步，市場(chǎng)上急須推出一款功能齊全、舒適便捷、安防完善，能為所需人群安全出行保駕護(hù)航的智能助步車。為了滿足使用者的需求，該課題對(duì)助步車在智能電子服務(wù)方面做了深入的研究與探討。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是基于STM32F103C8T6微控制器為主控件，對(duì)血壓和心率測(cè)量模塊、GPS定位模塊、GPRS通話模塊、LED照明模塊、報(bào)警模塊以及語(yǔ)音等模塊，進(jìn)行自動(dòng)控制而開(kāi)發(fā)的助步車的智能電子服務(wù)系統(tǒng)。系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由以下模塊組成：CPU（STM32F103C8T6微控制器）控制模塊、血壓和心率測(cè)量模塊、GPS/GPRS模塊、光照采集模塊、語(yǔ)音模塊、OLED顯示模塊電路和按鍵模塊。由STM32F-103C8T6微控制器構(gòu)成的核心電路原理圖，如圖2所示。

2.1 控制模塊電路

STM32F103C8T6微控制器作為CPU控制模塊。

圖1 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)框圖

2.2 心率測(cè)量模塊(Pulse Sensor)

心率測(cè)量采用的是Pulse Sensor，使用的測(cè)量方法是脈搏容積法，原理是利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成透光率不同來(lái)進(jìn)行脈搏測(cè)量。光源采用對(duì)動(dòng)脈血中氧和血紅蛋白有選擇性的一定波長(zhǎng)（500nm～700nm）的發(fā)光二極管，由于脈動(dòng)充血容積變化導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生改變，此時(shí)由光電轉(zhuǎn)換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并將其放大輸出。由于脈搏是隨心臟的搏動(dòng)而周期性變化的信號(hào)，動(dòng)脈血管容積也呈周期性變化，因此光電變換器的電信號(hào)變化周期就是脈搏率。心率測(cè)量電路框圖如圖3所示。

圖2 核心電路原理圖

圖3 心率測(cè)量電路框圖

2.3 血壓測(cè)量模塊

血壓測(cè)量采用XGZP6847型壓力傳感器作為敏感元件，并集成了數(shù)字調(diào)理芯片，對(duì)傳感器的偏移、靈敏度、溫飄和非線性進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償，并以供電電壓為參考，能自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償后的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。

單位換算關(guān)系：100KPa=1bar≈14.5PSI≈750mmHg

圖4 壓力傳感器特性圖

壓力傳感器的壓力與電壓換算關(guān)系，如表1所示。

表1 壓力與電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系圖表

2.4 GPS/GPRS模塊電路

GPRS/GPS A7模塊是整個(gè)系統(tǒng)的GPS定位、GPRS無(wú)線通話和短信息的核心，可實(shí)現(xiàn)在突發(fā)情況下的緊急通話以及實(shí)時(shí)查詢位置信息。使用"AT系列指令”配置GPRS應(yīng)用，可通過(guò)"ATD+手機(jī)號(hào)碼+;"設(shè)定呼叫號(hào)碼。在掛斷電話時(shí)，只需要通過(guò)程序向GPRS模塊輸入"ATH"指令,便可掛斷電話。進(jìn)行GPS定位時(shí)應(yīng)該提前配置相關(guān)指令，數(shù)據(jù)以9600bps的波特率輸出，發(fā)送"GETGPS"指令可實(shí)時(shí)查詢位置。A7模塊收到命令后便會(huì)進(jìn)行短信息的發(fā)送和主動(dòng)呼叫被設(shè)定的號(hào)碼，短信息發(fā)送的內(nèi)容為GPS實(shí)時(shí)獲得的經(jīng)緯度位置信息。

2.5 語(yǔ)音、OLED顯示模塊電路

ISD1820芯片構(gòu)成語(yǔ)音模塊，先通過(guò)STM32存儲(chǔ)相關(guān)的歌曲，也可通過(guò)MP3進(jìn)行播放。系統(tǒng)OLED顯示模塊采用自發(fā)光材料的主動(dòng)式驅(qū)動(dòng)(有源驅(qū)動(dòng))，驅(qū)動(dòng)電壓低，能夠及時(shí)接收顯示STM32系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

2.6 按鍵模塊

本設(shè)計(jì)中使用了輕觸按鍵，按鍵共有4個(gè)引腳，對(duì)腳連通，以便手動(dòng)控制設(shè)備工作。為了避免靜電的干擾，5個(gè)手動(dòng)控制按鍵均采用對(duì)地按鍵類型，按鍵模塊直接與微控器相連，通過(guò)微控器發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，分別用于控制燈泡的亮滅、語(yǔ)音模塊的語(yǔ)音錄入、播放、清除重置功能、主動(dòng)呼叫和發(fā)送位置信息并接聽(tīng)來(lái)電。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

助步車軟件系統(tǒng)的程序構(gòu)架分主程序、各個(gè)模塊的子程序和數(shù)據(jù)對(duì)接處理子程序。軟件流程圖如下圖5所示。

圖5 程序流程圖

主系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，主系統(tǒng)分主程序與子程序，子程序中又主要包括心率、血壓控制程序、LED控制程序、GPS/GPRS控制程序等幾個(gè)子程序模塊。GPRS通訊軟件設(shè)計(jì)是通訊系統(tǒng)的核心部分。

4.系統(tǒng)調(diào)試

4.1 硬件調(diào)試

當(dāng)硬件設(shè)備焊接好之后，就對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行測(cè)試。觀察硬件系統(tǒng)運(yùn)行是否正常，是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定功能，確保整個(gè)硬件部分準(zhǔn)確無(wú)誤。

4.2 軟件調(diào)試

程序的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程和軟件調(diào)試步驟都與使用的調(diào)試軟件有關(guān)。本系統(tǒng)利用MDK軟件進(jìn)行軟件編程與代碼調(diào)試，軟件調(diào)試步驟可分為兩大部分，即為串口調(diào)試和MDK軟件調(diào)試。調(diào)試程序采用獨(dú)立模塊程序設(shè)計(jì)技術(shù)，將每個(gè)模塊的代碼單獨(dú)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，當(dāng)所有模塊都調(diào)試成功之后，再將所有功能模塊組合為一整體，進(jìn)行總體系統(tǒng)構(gòu)架調(diào)試。當(dāng)所有功能都實(shí)現(xiàn)之后，還可以對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化，并且還可以根據(jù)硬件情況，再增加一些其他功能。

5.總結(jié)

本課題以STM32F103C8T6為核心控制部件，通過(guò)軟件和硬件的結(jié)合，對(duì)助步車智能電子服務(wù)功能進(jìn)行了深入探討和研究，充分發(fā)揮軟件編程靈活、硬件線路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，并最大限度挖掘控制芯片片內(nèi)資源，各項(xiàng)功能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

雖然最終完成了預(yù)期設(shè)定的所有功能，但是隨著技術(shù)水平的提高，助步車智能控制系統(tǒng)的性能和軟件中部分算法有待進(jìn)一步優(yōu)化。不久的將來(lái)，功能完善的智能助步車，將大大增強(qiáng)用戶使用的安全性與方便性，產(chǎn)品將最大程度地滿足急速發(fā)展的助步車市場(chǎng)的需要。