李海東　康偉　高曉玲　戴瑞

摘? 要：傳統(tǒng)的導(dǎo)盲杖已經(jīng)不能保障盲人的安全出行，本系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C52作為核心處理器，采用超聲波測距技術(shù)，ISD1420語音芯片，利用proteus軟件搭建了系統(tǒng)各模塊的硬件仿真電路，結(jié)合Keil C平臺進(jìn)行了軟件編程實現(xiàn)。通過調(diào)試和測試，本系統(tǒng)設(shè)計的盲人的智能手杖，可以對道路上的障礙物進(jìn)行距離探測，并提供語音提示、時間播報、燈光示警等功能，為盲人提供行走時避讓障礙物服務(wù)，起到避免安全隱患的作用。

關(guān)鍵詞：STC89C52;超聲波測距;盲人智能手杖

中圖分類號：TP216? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）22-0030-03

Abstract：The traditional walking stick can not guarantee the safe travel of the blind. This system uses the single-chip STC89C52 as the core processor，adopts ultrasonic ranging technology，ISD1420 voice chip，and uses the proteus software to build the hardware simulation circuit of each module of the system，combined with Keil C platform is implemented by software programming. Through debugging and testing，the system design blind intelligent walking stick，can detect the obstacles on the road，and provide voice prompts，time broadcast，light alarms，etc.，to provide blind people with obstacles when walking，to avoid potential safety hazards.

Keywords：STC89C52;ultrasonic ranging;blind intelligent walking stick

0? 引? 言

盲人受先天或后天視力上的缺陷影響，導(dǎo)致一個人行走時必須依靠導(dǎo)盲裝置，其中最常見的導(dǎo)盲裝置就是手杖。普通手仗可以幫助盲人發(fā)現(xiàn)60cm以內(nèi)的障礙物的避讓，但是較遠(yuǎn)一點或者懸空的障礙卻不能及時準(zhǔn)確地避讓，因此這種傳統(tǒng)的導(dǎo)盲杖已經(jīng)不能保障盲人的安全出行。本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為控制器，設(shè)計了一種超聲波導(dǎo)盲手杖，可以對道路上的障礙物進(jìn)行距離探測，通過語音提示，避讓障礙同時達(dá)到導(dǎo)盲作用。

1? 設(shè)計思路

本設(shè)計采用STC89C52單片機(jī)作為控制器，在測距方案的選擇上，對比了常用的避障測距技術(shù)，如：激光測距、紅外線測距、超聲波測距等技術(shù)。通過研究發(fā)現(xiàn)激光測距，雖然測量精度較高，但是價格昂貴。而在距離較短的情況下，采用紅外線測距，由于發(fā)射到接收的時間過短，單片機(jī)無法獲得數(shù)據(jù)，所以紅外測距不適合本設(shè)計。綜合考慮之后，本設(shè)計采用了價格較便宜、更適合短距離測量的超聲波技術(shù)作為測距模塊。利用超聲波傳感器完成測距，對盲人前方道路上的障礙物進(jìn)行距離探測，并把障礙物距離信息轉(zhuǎn)換成語音提示，盲人可以根據(jù)提示音，在避讓障礙的同時達(dá)到導(dǎo)盲作用。同時，考慮到在夜晚時能見度低，為了車輛和行人更容易避讓盲人，采用光敏電阻檢測周圍環(huán)境的亮度，并將該亮度轉(zhuǎn)化為相反邏輯的紅色警示光，用來提醒來往行人和車輛及時避讓。本系統(tǒng)還提供語音播報時間功能，能進(jìn)行整點提醒。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的控制核心為STC89C52單片機(jī)，整個系統(tǒng)的硬件由超聲波測距模塊、語音提示模塊、光警提示模塊、時鐘模塊、顯示模塊構(gòu)成。系統(tǒng)上電之后，超聲測距模塊檢測到有障礙物之后，發(fā)送給單片機(jī)控制中心，單片機(jī)將超聲波的距離信息處理之后，通過語音提示電路進(jìn)行語音播報，同時觸發(fā)光警提示模塊。本系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。

2.1? STC89C52單片機(jī)

STC89C52是一種帶8K字節(jié)可編程Flash存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，可為嵌入式控制系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash閃速存儲器、512字節(jié)內(nèi)部RAM、32個雙向I/O口、三個16位可編程定時/計數(shù)器中斷、兩個串行中斷，共六個中斷源，全雙工串行口。另外，STC89C52支持低功耗空閑和掉電模式：空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作;掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。STC89C52引腳分布如圖2所示。

2.2? 超聲波測距模塊

本系統(tǒng)中超聲波測距模塊選用的是HC-SR04測距模塊。HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)高到3mm;模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。其中心頻率為40KHz，發(fā)射聲壓在10V，0dB=0.02m/Pa的條件下≥95dB;接收靈敏度在40KHz中心頻率，0dB=10V/pa的條件下≥-65dB;靜電容量為1260pF-2340pF;探測距離為0.2-3m?；竟ぷ髟恚翰捎肐O觸發(fā)測距，觸發(fā)信號輸入端（Trig）輸入一個10微秒以上的高電平信號，超聲發(fā)送口收到信號，自動發(fā)送8個40Hz方波，同時啟動定時器，待傳感器接收到回波則停止計時并輸出回響信號，回響信號脈沖寬度與所測距離成正比。根據(jù)時間間隔可以計算距離，公式：距離=（高電平時間*聲速）/2。

本系統(tǒng)中超聲波測距電路如圖3所示。通過單片機(jī)的P1.1口輸入一個20us的高電平脈沖，來觸發(fā)超聲波模塊開始工作，并且定時器開始計數(shù)，同時，接收端開始不斷檢測有無回波。一旦接收到有回波信號，則P3.2口立即進(jìn)入中斷，停止定時器計數(shù)，把計數(shù)值送入寄存器中計算當(dāng)前距離。

2.3? ISD1420語音芯片

ISD1420是美國信息存貯器件公司推出的ISD系列語音電路，采用直接模擬存貯技術(shù)，錄放音質(zhì)好，并有一定混響效果，且電路斷電后語音內(nèi)容仍不丟失。電路內(nèi)部由振蕩器、語音存儲單元、前置放大器、自動增益控制電路、抗干擾濾波器、輸出放大器組成;外圍元件簡單，僅需要少量阻容元件、麥克風(fēng)即可組成一個完整錄放系統(tǒng)。ISD1420語音芯片單電源供電，典型電壓為5V，待機(jī)時低功耗僅為0.5μA，典型放音電流15mA;放音時間20s，可擴(kuò)充級聯(lián);可持續(xù)放音，也可分段錄放，可分段數(shù)160段;錄放次數(shù)達(dá)10萬次，操作簡單，無須專用編程器及語音開發(fā)器。ISD1420語音芯片引腳說明如圖4所示。

2.4? 燈光示警模塊設(shè)計

示警方式：通常有燈光示警，用閃動的指示燈來警示人;其次是聲音示警，發(fā)出特定的語音提示;在選擇警示電路時，需要使其硬件結(jié)構(gòu)簡單，編程簡單。此次設(shè)計除了語音警示外還添加了人性化的光控制LED燈示警系統(tǒng)，為了方便夜晚時提醒路過的車輛和行人避讓盲人而設(shè)計。采用光敏電阻控制示警燈開關(guān)，當(dāng)夜晚光線變暗時，光控制系統(tǒng)導(dǎo)通，給警示燈供電。光線采集電路如圖5所示。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計基于Keil C軟件編程環(huán)境，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，將程序拆分成幾個相對獨立的子程序，這樣既方便程序的閱讀，也有利于以后對程序進(jìn)行修改和移植，具有良好的可續(xù)性和擴(kuò)展性。本系統(tǒng)以Proteus軟件為電路仿真設(shè)計環(huán)境。Proteus ISIS是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件，功能極其強(qiáng)大，可以仿真、分析（SPICE）各種模擬器件和集成電路。

系統(tǒng)上電后，首先將各個模塊初始化，通過IO觸發(fā)測距，觸發(fā)信號使超聲測距模塊工作，同時啟動定時器，待傳感器接收到回波則停止計時，然后根據(jù)時間間隔可以計算距離，將此數(shù)值傳送給語音模塊，通過語音電路進(jìn)行提示。本系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖6所示。

4? 結(jié)? 論

通過測試與調(diào)試，本系統(tǒng)設(shè)計的盲人手杖能夠?qū)崿F(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離，并給出預(yù)警。本系統(tǒng)以單片機(jī)作為實時控制核心，通過超聲波進(jìn)行距離測量，從而實現(xiàn)語音提示，使盲人在看不見的情況下，能夠識別前方的障礙物正常地行走，起到保護(hù)盲人安全的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳建平.傳感器原理及應(yīng)用 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2] 鄭鋒，王巧芝，程麗平，等.51單片機(jī)典型應(yīng)用開發(fā)范例大全 [M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[3] 謝自美.電子線路綜合設(shè)計 [M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.

[4] 程國鋼.51單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)案例手冊 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[5] 宋戈.51單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)范例大全 [M].北京：人民郵電出版社，2010.

[6] 顧濱.電子線路設(shè)計-Protel DXP 2004 SP2 [M].北京：水利水電出版社，2011.

作者簡介：李海東（1994-），男，回族，寧夏靈武人，助理工程師，本科，研究方向：電路系統(tǒng)硬件設(shè)計;通訊作者：高曉玲（1981-），女，漢族，寧夏平羅人，碩士，講師，主要從事電子信息專業(yè)的教學(xué)與研究工作。