曾旭晨，車琴琴，盧莉蓉

(長治醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，山西 長治 046000)

0 引言

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

視障人群監(jiān)護(hù)設(shè)備對于一個視力障礙人士來說至關(guān)重要，而現(xiàn)如今我國的視障人群監(jiān)護(hù)設(shè)備還處于待開發(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，部分場所仍無法進(jìn)入；傳統(tǒng)導(dǎo)盲杖功能單一，無法獲得準(zhǔn)確信息。國外購置的監(jiān)護(hù)設(shè)備價格昂貴[2-3]，大部分人不具備購買能力。

針對這樣的社會現(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)包含光線檢測模塊、顯示模塊、語音播報(bào)模塊、超聲波測距模塊，具有探測前方障礙物的距離、語音播報(bào)、在弱光環(huán)境下開啟 LED 燈等功能。通過大量的實(shí)驗(yàn)測試，該設(shè)計(jì)在很大程度上保障了視障人群出行安全，達(dá)到了無憂出行的目的。

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]、光線檢測模塊、語音播報(bào)模塊、超聲波測距模塊[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。光線檢測模塊利用光敏電阻[7-8]采集光線信號，當(dāng)光照強(qiáng)度低于設(shè)定閾值時，開啟LED燈，提醒來往行人避讓盲人。語音播報(bào)模塊采用NY3P035語音芯片[9]，可實(shí)時播報(bào)盲人與障礙物之間的距離。超聲波測距模塊利用超聲波傳感器測出人與障礙物距離，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，使用簡單，顯示效果簡潔明了，造價低，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)碼管便可以滿足需求。

1.3 語音播報(bào)模塊

本設(shè)計(jì)采用的語音芯片為NY3P035。方案成本極低，且此語音芯片內(nèi)置電阻，沒有外圍元件，外圍電路只需外接一個電容，測量時較為穩(wěn)定。

1.4 超聲波測距傳感器

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，測量距離的傳播時間差值精度只要達(dá)到微秒級，就能保證測距誤差小于1 mm的誤差。使用的12 MHz晶體作時鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時器能方便的計(jì)數(shù)到1 μs的精度[12]，因此系統(tǒng)采用89C51定時器能保證時間誤差在1 mm的測量范圍內(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：開關(guān)，復(fù)位，開啟語音播報(bào)。

2)數(shù)碼管顯示：顯示超聲波測得的距離。

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

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

5)光線檢測：根據(jù)光線強(qiáng)弱，選擇是否開啟LED。

3.2 程序設(shè)計(jì)思路

1)數(shù)碼管：采用三位共陽數(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，超出測距范圍顯示“—”。當(dāng)距離<3 m時，蜂鳴器報(bào)警，且距離被測物體越近報(bào)警程度越高，語音播報(bào)時停止蜂鳴器報(bào)警。T0中斷用來計(jì)數(shù)器溢出，超出定時時間未接收到超聲波，顯示“—”。T1中斷用來掃描數(shù)碼管和啟動模塊，2 s進(jìn)入一次中斷[7]。

4)光線檢測：檢測到弱光，開啟LED燈；檢測到強(qiáng)光，關(guān)閉LED燈。

5)語音播報(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)的硬件測試，先觀察電路焊接是否有粘連，線路是否連通。接通電源后，先讓系統(tǒng)處于不開機(jī)狀態(tài)，檢查各個模塊有無異樣，按下開關(guān)，觀察黃燈是否亮起，若亮則說明硬件電路正常。緊接著進(jìn)行硬件軟件聯(lián)調(diào)，先用裝置靠近物體，一是測試顯示距離與實(shí)際距離的誤差，判斷超聲波測距是否準(zhǔn)確。二是檢測復(fù)位鍵和語音播報(bào)鍵功能是否實(shí)現(xiàn)。三是檢測弱光條件下LED燈是否亮。四是檢測蜂鳴器報(bào)警距離與程序設(shè)定是否一致。

通過以上測試過程及數(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，數(shù)碼管無法顯示數(shù)據(jù)。距離在0～7 m均可顯示：當(dāng)距離小于3 m時，蜂鳴器開始報(bào)警，當(dāng)距離小于0.3 m時，蜂鳴器持續(xù)報(bào)警。

2)語音播報(bào)可以實(shí)時播報(bào)當(dāng)前離障礙物的距離。

3)光線檢測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確檢測光線強(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)小時以上，達(dá)到了可長時間攜帶并且對視障人士實(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，蜂鳴器報(bào)警，同時播報(bào)人與障礙物間的距離；光線條件較弱時，該裝置可以自動檢測環(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，裝置開始報(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；二是語音播報(bào)功能：可以實(shí)時播報(bào)與障礙物之間的距離，同時可以自主選擇是否需要播報(bào)；三是光線檢測功能：光線檢測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確檢測光線強(qiáng)弱，設(shè)置白天黑夜模式；該裝置可以在光線較弱的條件下發(fā)出亮光，提示此處有人，行人可主動避讓。上述功能的結(jié)合皆來源于當(dāng)下的視障人群出行難題的社會現(xiàn)實(shí)，旨在為幫助到更多有出行問題的視障人士，期望可以達(dá)到為視障人群解決出行難題，無憂出行的目的，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更多保障，為社會帶來溫暖，增進(jìn)社會和諧。