董佳楠，朱玲鈴，位健，尤照江，許崇彩

(1.宿遷學(xué)院，江蘇宿遷，223800；2.宿遷學(xué)院產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，江蘇宿遷，223800)

0 引言

據(jù)中國國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示：預(yù)計到2020年，老年人口達(dá)到2.48億，老齡化水平達(dá)到17.17%，其中，80歲以上老年人口將達(dá)到3067萬人；2025年，六十歲以上人口將達(dá)到3億，中國成為超老年型國家；2040年，我國人口老齡化進(jìn)程[1]達(dá)到頂峰。

當(dāng)今，大多數(shù)青壯年忙于工作，無暇顧及家中的老人，老人在獨立環(huán)境下的日常健身與跌倒康復(fù)訓(xùn)練問題越來越受到社會的重視。而隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，產(chǎn)品的更新?lián)Q代愈來愈快，生活中智能[2]產(chǎn)品日益增多。服務(wù)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人等的出現(xiàn)，使得人機(jī)關(guān)系在現(xiàn)代信息化社會中地位突出。人們對產(chǎn)品的便捷性要求更高，對社會服務(wù)的人性化、智能化的愿望更強(qiáng)烈。

拐杖[3]，作為重要的醫(yī)療康復(fù)輔助用具，種類主要有三種：手杖、肘杖、腋杖。其中，手杖主要用于輕度腿疾患者，且使用便捷，適用度廣。考慮到上述種種因素，本設(shè)計針對老年人康復(fù)健身問題，選用手杖作為媒介，合理加裝電子產(chǎn)品[4]，使其智能化。

1 總體方案

本設(shè)計系統(tǒng)的主控芯片為STC89C52單片機(jī)，功能模塊包括光感照明模塊、障礙物檢測模塊、計步定位模塊、姿態(tài)監(jiān)測模塊與報警模塊。由使用者需求，可自由選取模塊，進(jìn)行個性化組裝。

系統(tǒng)上電后, 拐杖開啟智能模式，根據(jù)環(huán)境明暗變化，自動開燈和關(guān)燈；使用者在行走中, 拐杖檢測到前方障礙物,提示報警，避免人為事故的發(fā)生；使用者可根據(jù)頂部安裝的顯示屏幕，查看當(dāng)前走的步數(shù)，作為運動量的一個簡單估測；使用者摔倒時，自動啟動語音提醒，外出讓家人更加放心。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件模塊設(shè)計

■2.1 STC89C52

STC89C52單片機(jī)[5]是STC公司出品的一種集運算速度快、功耗小及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點于一身的新型單片機(jī)芯片。它具有8K字節(jié)的ROM、片上集成512字節(jié)RAM、可編程可擦除的CMOS 8位微控制器，雖然沿用了經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但經(jīng)過多方面的改進(jìn)使它的功能比傳統(tǒng)的51單片機(jī)更加強(qiáng)大。本設(shè)計STC89C52單片機(jī)實現(xiàn)各個模塊的整體控制，完成信息的通訊。

■2.2 光感照明模塊

本模塊采用光敏電阻檢測環(huán)境明暗變化，當(dāng)光敏電阻感應(yīng)[6]到光線變化時，將信號傳給控制單元進(jìn)行處理，再由控制單元控制路燈的亮滅。

通常，光敏電阻器都制成薄片結(jié)構(gòu)，以便吸收更多的光能。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極常采用梳狀圖案，它是在一定的掩膜下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。當(dāng)它受到光的照射時，半導(dǎo)體片（光敏層）內(nèi)就激發(fā)出電子—空穴對，參與導(dǎo)電，使電路中電流增強(qiáng)。

■2.3 障礙物檢測模塊

超聲波傳感器[7]主要有電致伸縮和磁致伸縮兩類，電致伸縮采用雙壓電陶瓷晶片制成，具有可逆特性。

本模塊采用軟件查詢的方法，檢測超聲波模塊接收管腳的回波信號情況。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。當(dāng)信號為0時，表示沒有回波信號，此時等待信號變?yōu)楦唠娖?，?dāng)接收到回波信號時，程序繼續(xù)運行，此時開啟定時器T0，直到回波信號消失才關(guān)閉，此時測到的時間就是回波信號的高電平脈寬時間長度。

定時器T1使用數(shù)碼管顯示，每隔500ms作為一個周期，發(fā)送一次超聲波。HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm至400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可高達(dá)3mm，其模塊組裝實物圖如圖2所示。

圖2 障礙物檢測模塊組裝實物圖

■2.4 計步定位模塊

本模塊采用三軸加速度傳感器[8]，其體積小，利于制作成為便攜計步器。

通過數(shù)字濾波器讓使用者豎向、前向和側(cè)向的加速度變得平滑。系統(tǒng)持續(xù)更新3軸加速的最大值和最小值, 每采樣50次更新一次。平均值(Max+Min) /2為動態(tài)閾值。接下來的50次采樣利用此閾值判斷個體是否邁步。由于閾值每50次采樣更新一次, 這種選擇具有自適應(yīng)性也足夠快。步伐計數(shù)器根據(jù)x、y、z三軸加速度變化最大的一個軸計算步數(shù)。如果加速度變化太小, 計數(shù)將忽略，其模塊組裝實物圖如圖3所示。

圖3 計步定位模塊組裝實物圖

■2.5 姿態(tài)監(jiān)測模塊

本模塊采用傾斜傳感器[9]，它既能測量運動或沖擊導(dǎo)致的動態(tài)加速度，也能測量靜止加速度，例如重力加速度，此時可使器件作為傾斜傳感器來使用。

差分電容由獨立固定板和活動質(zhì)量連接板組成，能對結(jié)構(gòu)偏向進(jìn)行測量。

當(dāng)物體移動時，加速度慣性使質(zhì)量連接板偏轉(zhuǎn)、差分電容失衡，傳感器的輸出的幅度與加速度呈正比。由相敏解調(diào)以確定加速度的幅度和極性，從而可以計算出物體的的傾斜角度。

■2.6 報警模塊

由于拐杖被廣泛用于室外的嘈雜環(huán)境中，本模塊采用蜂鳴器報警，當(dāng)通過超聲波的發(fā)射和接收電路以及軟件結(jié)合判斷出前方有障礙物時，系統(tǒng)將發(fā)出報警信號。聲音報警電路通過一個簡單的三極管驅(qū)動蜂鳴器報警。

單片機(jī)控制BEEP的高低電平來讓蜂鳴器是否工作，Q1為三極管，NPN型，所以此處BEEP為高電平時，三極管開通，蜂鳴器接地得電，相反為低電平時，三極管截止，蜂鳴器不得電。

■2.7 復(fù)位電路模塊

復(fù)位電路由按鍵、電容、電阻、VCC及GND組成。S2為按鍵，按下手動復(fù)位，復(fù)位即讓程序重新運行，不會導(dǎo)致電路板任何器件的損壞或者程序的丟失。

■2.8 電源模塊

電源模塊需要具備系統(tǒng)簡單、運行可靠的特點。在電路設(shè)計中如果電壓太大,會造成電流過大，容易縮減組件的使用壽命，并且會燒壞單片機(jī)的芯片，從而導(dǎo)致不可預(yù)估的損耗。本文中所設(shè)計的系統(tǒng)需要5V電壓，因此單電源方案最為合適。

電源電路目的:給控制電路及其它電路提供一個穩(wěn)定的電源。它的穩(wěn)定與否涉及到電路是否能穩(wěn)定工作。本次設(shè)計采用可穩(wěn)壓芯片 LM393，是最常見的三端穩(wěn)壓集成電路，用其組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。

3 軟件程序設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用 C 語言，可以大大提高程序編寫時的效率，設(shè)計的關(guān)鍵是超聲波的發(fā)射和接收，以及障礙物距離的計算和語音報警。單片機(jī)端設(shè)計的軟件功能版塊主要有：明暗監(jiān)測子模塊、報警子模塊、超聲波子模塊、姿態(tài)監(jiān)測模塊等。

主程序首先對系統(tǒng)初始化，然后循調(diào)用超聲波發(fā)射子程序，延時程序，超聲波測距子程序，報警子程序等。主程序框架圖如圖4所示。

圖4 主程序框架圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計的智能拐杖操作簡單, 功能實用, 能夠滿足使用者的生活需求。打開電源，環(huán)境明暗檢測系統(tǒng)自動檢測周圍光線強(qiáng)度，當(dāng)光線為弱光時，自動開啟LED；當(dāng)光線為強(qiáng)光時，自動關(guān)閉LED。使用者打開系統(tǒng)總開關(guān)后，計步功能自動開啟，實時監(jiān)測使用者的狀態(tài)，反饋步數(shù)信息；同時，系統(tǒng)自動開啟超聲波測距功能，結(jié)合警報系統(tǒng)實時反饋信息。系統(tǒng)內(nèi)置震動和聲音兩種提醒方式，當(dāng)智能拐杖判定有危險時，警報提醒模塊發(fā)出警報。當(dāng)超聲波測距系統(tǒng)測量到前方1米內(nèi)有障礙物或監(jiān)測到使用者為摔倒?fàn)顟B(tài)時，自動將信號傳遞給警報提示系統(tǒng)并發(fā)出警報，且離障礙物越近警報聲越急促，此時震動馬達(dá)也開始工作。

且針對目前智能拐杖的發(fā)展形勢，我們在現(xiàn)有的功能個性化與人性化基礎(chǔ)上，制作了后期的優(yōu)化發(fā)展方案，添加幾個重要的模塊組件及改動：

（1）歌曲播放功能：由TF卡槽與功放板組成該模塊，使得運動的過程更加休閑輕松。

（2）一鍵通信救助：該模塊主要由GSM無線通信模塊與GPS構(gòu)成，能夠?qū)κ褂谜哌M(jìn)行實時定位，并且在使用者發(fā)出求助后，發(fā)送短信定位給使用者的家人。

（3）GPS定位功能：通過GPS[10]以及GSM模塊實時發(fā)送定位與客戶端，家人守護(hù)更放心。

（4）語音提醒：通過語音的方式進(jìn)行交互，更好的實現(xiàn)智能化。

（5）體積、線路優(yōu)化：能夠真正的打造成一款產(chǎn)品，對其體積與線路高度集成化，增強(qiáng)其防水性能，提高電池的續(xù)航能力。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種基于51單片機(jī)的個性化康復(fù)健身拐杖設(shè)計，包括有四個主要功能：光感照明功能、障礙物檢測功能、計步定位功能以及多傳感提醒功能。在功能的組裝上充分考慮用戶體驗，可根據(jù)用戶需求，自行選擇模塊，個性化裝配。通過對硬件電路與軟件程序的設(shè)計，在實踐中驗證方案的可行性與有效性。