曾旭晨，車(chē)琴琴，盧莉蓉

(長(zhǎng)治醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，山西 長(zhǎng)治 046000)

0 引言

我國(guó)每年會(huì)出現(xiàn)盲人約45萬(wàn)，低視力患者約135萬(wàn)，到2022年我國(guó)視障人數(shù)即將達(dá)到7000余萬(wàn)，視障人群的安全出行成為社會(huì)各界普遍關(guān)注的問(wèn)題。

視障人群監(jiān)護(hù)設(shè)備對(duì)于一個(gè)視力障礙人士來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，而現(xiàn)如今我國(guó)的視障人群監(jiān)護(hù)設(shè)備還處于待開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。目前的監(jiān)護(hù)設(shè)備有盲道、導(dǎo)盲犬和傳統(tǒng)導(dǎo)盲杖[1]。盲道由于周遭的環(huán)境因素盲人無(wú)法完全依靠盲道獲取信息；導(dǎo)盲犬雖然更為安全但是飼養(yǎng)成本高、尚未得到大眾廣泛認(rèn)可，部分場(chǎng)所仍無(wú)法進(jìn)入；傳統(tǒng)導(dǎo)盲杖功能單一，無(wú)法獲得準(zhǔn)確信息。國(guó)外購(gòu)置的監(jiān)護(hù)設(shè)備價(jià)格昂貴[2-3]，大部分人不具備購(gòu)買(mǎi)能力。

針對(duì)這樣的社會(huì)現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)并制作了一款視障人群安全監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含光線(xiàn)檢測(cè)模塊、顯示模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、超聲波測(cè)距模塊，具有探測(cè)前方障礙物的距離、語(yǔ)音播報(bào)、在弱光環(huán)境下開(kāi)啟 LED 燈等功能。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該設(shè)計(jì)在很大程度上保障了視障人群出行安全，達(dá)到了無(wú)憂(yōu)出行的目的。

1 項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)的硬件控制系統(tǒng)主要包括STC89C51單片機(jī)[4-5]、光線(xiàn)檢測(cè)模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、超聲波測(cè)距模塊[6]。采用STC89C51單片機(jī)作為監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的核心控制單元，控制以上幾種模塊正常運(yùn)行。光線(xiàn)檢測(cè)模塊利用光敏電阻[7-8]采集光線(xiàn)信號(hào)，當(dāng)光照強(qiáng)度低于設(shè)定閾值時(shí)，開(kāi)啟LED燈，提醒來(lái)往行人避讓盲人。語(yǔ)音播報(bào)模塊采用NY3P035語(yǔ)音芯片[9]，可實(shí)時(shí)播報(bào)盲人與障礙物之間的距離。超聲波測(cè)距模塊利用超聲波傳感器測(cè)出人與障礙物距離，當(dāng)距離小于人為設(shè)定的安全距離及時(shí)報(bào)警并報(bào)出當(dāng)前與障礙物的距離，提醒盲人注意安全。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方框圖

1.1 單片機(jī)模塊

主控制器采用STC89C51單片機(jī)，該單片機(jī)所具有的優(yōu)點(diǎn)是：高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾、接口多、指令代碼兼容傳統(tǒng)的8051、速度快、成本低，可以滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的全部要求。

1.2 顯示模塊

本設(shè)計(jì)采用數(shù)碼管進(jìn)行顯示。數(shù)碼管具有顯示速度快，使用簡(jiǎn)單，顯示效果簡(jiǎn)潔明了，造價(jià)低，鑒于此系統(tǒng)不需要顯示豐富的內(nèi)容，因而本設(shè)計(jì)應(yīng)用數(shù)碼管便可以滿(mǎn)足需求。

1.3 語(yǔ)音播報(bào)模塊

本設(shè)計(jì)采用的語(yǔ)音芯片為NY3P035。方案成本極低，且此語(yǔ)音芯片內(nèi)置電阻，沒(méi)有外圍元件，外圍電路只需外接一個(gè)電容，測(cè)量時(shí)較為穩(wěn)定。

1.4 超聲波測(cè)距傳感器

本設(shè)計(jì)采用HC-SR04超聲波傳感器[10-11]，該傳感器性能穩(wěn)定、測(cè)量距離精確、模塊精度高、盲區(qū)小且易于使用。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體電路圖

本設(shè)計(jì)最大的特色是比傳統(tǒng)的導(dǎo)盲工具更智能、方便，技術(shù)關(guān)鍵是在超聲波的傳播速度準(zhǔn)確的前提下，測(cè)量距離的傳播時(shí)間差值精度只要達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測(cè)距誤差小于1 mm的誤差。使用的12 MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到1 μs的精度[12]，因此系統(tǒng)采用89C51定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1 mm的測(cè)量范圍內(nèi)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序功能描述

1)按鍵實(shí)現(xiàn)功能：開(kāi)關(guān)，復(fù)位，開(kāi)啟語(yǔ)音播報(bào)。

2)數(shù)碼管顯示：顯示超聲波測(cè)得的距離。

3)蜂鳴器報(bào)警：根據(jù)超聲波測(cè)得的距離判斷是否報(bào)警，以及報(bào)警強(qiáng)弱。

4)語(yǔ)音播報(bào)：按鍵按下后，播報(bào)當(dāng)前所測(cè)得的距離。

5)光線(xiàn)檢測(cè)：根據(jù)光線(xiàn)強(qiáng)弱，選擇是否開(kāi)啟LED。

3.2 程序設(shè)計(jì)思路

1)數(shù)碼管：采用三位共陽(yáng)數(shù)碼管，使用discode[]實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管段選，使用positon[]實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管位選，使用disbuff，顯示小數(shù)點(diǎn)；

2)超聲波測(cè)距：超聲波的速度按340 m/s計(jì)算，由于往返路程需要x2，超出測(cè)距范圍顯示“—”。當(dāng)距離<3 m時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，且距離被測(cè)物體越近報(bào)警程度越高，語(yǔ)音播報(bào)時(shí)停止蜂鳴器報(bào)警。T0中斷用來(lái)計(jì)數(shù)器溢出，超出定時(shí)時(shí)間未接收到超聲波，顯示“—”。T1中斷用來(lái)掃描數(shù)碼管和啟動(dòng)模塊，2 s進(jìn)入一次中斷[7]。

4)光線(xiàn)檢測(cè)：檢測(cè)到弱光，開(kāi)啟LED燈；檢測(cè)到強(qiáng)光，關(guān)閉LED燈。

5)語(yǔ)音播報(bào)：使用music()；while(!BUSY);播報(bào)內(nèi)容“當(dāng)前距離幾點(diǎn)幾米”。

3.3 程序流程圖

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

4 測(cè)試與結(jié)果

按照設(shè)計(jì)圖將電路連接完畢，然后進(jìn)行此次設(shè)計(jì)的硬件測(cè)試，先觀(guān)察電路焊接是否有粘連，線(xiàn)路是否連通。接通電源后，先讓系統(tǒng)處于不開(kāi)機(jī)狀態(tài)，檢查各個(gè)模塊有無(wú)異樣，按下開(kāi)關(guān)，觀(guān)察黃燈是否亮起，若亮則說(shuō)明硬件電路正常。緊接著進(jìn)行硬件軟件聯(lián)調(diào)，先用裝置靠近物體，一是測(cè)試顯示距離與實(shí)際距離的誤差，判斷超聲波測(cè)距是否準(zhǔn)確。二是檢測(cè)復(fù)位鍵和語(yǔ)音播報(bào)鍵功能是否實(shí)現(xiàn)。三是檢測(cè)弱光條件下LED燈是否亮。四是檢測(cè)蜂鳴器報(bào)警距離與程序設(shè)定是否一致。

通過(guò)以上測(cè)試過(guò)程及數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論:

1)當(dāng)距離障礙物大于7 m時(shí)，數(shù)碼管無(wú)法顯示數(shù)據(jù)。距離在0～7 m均可顯示：當(dāng)距離小于3 m時(shí)，蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警，當(dāng)距離小于0.3 m時(shí)，蜂鳴器持續(xù)報(bào)警。

2)語(yǔ)音播報(bào)可以實(shí)時(shí)播報(bào)當(dāng)前離障礙物的距離。

3)光線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確檢測(cè)光線(xiàn)強(qiáng)弱，設(shè)置白天黑夜模式。

本設(shè)計(jì)具有誤差較小，穩(wěn)定性強(qiáng)，靈敏度高的特點(diǎn)。并且在通電狀態(tài)下，此裝置可連續(xù)工作數(shù)小時(shí)以上，達(dá)到了可長(zhǎng)時(shí)間攜帶并且對(duì)視障人士實(shí)施監(jiān)護(hù)的目的，從而達(dá)到保障出行安全的目的。

5 結(jié)論

本文基于STC89C51單片機(jī)，設(shè)計(jì)并制作了一款視障人群安全監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)可以事先由家人設(shè)定報(bào)警閾值，當(dāng)盲人與障礙物之間的距離小于該閾值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)播報(bào)人與障礙物間的距離；光線(xiàn)條件較弱時(shí)，該裝置可以自動(dòng)檢測(cè)環(huán)境并發(fā)出亮光，提示此處有人。該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性在于它是一款多功能的視障人群出行安全監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，兼具了以下幾種功能：一是危險(xiǎn)距離報(bào)警功能：由家人事先設(shè)定報(bào)警閾值，當(dāng)與障礙物之間的距離小于該閾值時(shí)，裝置開(kāi)始報(bào)警；隨著與障礙物之間的距離越近，報(bào)警頻率越高，小于30 cm后持續(xù)報(bào)警；二是語(yǔ)音播報(bào)功能：可以實(shí)時(shí)播報(bào)與障礙物之間的距離，同時(shí)可以自主選擇是否需要播報(bào)；三是光線(xiàn)檢測(cè)功能：光線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確檢測(cè)光線(xiàn)強(qiáng)弱，設(shè)置白天黑夜模式；該裝置可以在光線(xiàn)較弱的條件下發(fā)出亮光，提示此處有人，行人可主動(dòng)避讓。上述功能的結(jié)合皆來(lái)源于當(dāng)下的視障人群出行難題的社會(huì)現(xiàn)實(shí)，旨在為幫助到更多有出行問(wèn)題的視障人士，期望可以達(dá)到為視障人群解決出行難題，無(wú)憂(yōu)出行的目的，并且能多方位保證視障人群安全，讓其安全便攜出行。這樣可以為其出行帶來(lái)更多保障，為社會(huì)帶來(lái)溫暖，增進(jìn)社會(huì)和諧。