基于MS P 430单片机的智能导盲手杖设计

石惠文 张 勇

(沈阳师范大学 科信软件学院，辽宁 沈阳110034)

0 引言

盲人群体一直是社会中需要关心的弱势群体，出门不便对于所有盲人患者是一个较大的难题。目前市场上有很多种导盲手杖，但大多原理简单、功能单一、较机械化，出现的问题也较多，给经常出门的盲人使用者带来不便。并且，随着城市化进程的不断扩大，大城市建设的逐步发展，道路的变化，车辆的增多都给盲人的正常生活带来安全威胁。所以加大对盲人的关注，提高盲人的生活质量是我们急需解决的问题。基于简单实用、价格低廉的考虑，本文设计了一款集GPS自动定位、超声波测障、GSM短信发送等多功能于一体的智能手杖。

1 系统总体方案设计

该多功能智能拐杖是利用美国德州仪器公司的高性能、超低功耗MSP430为核心处理器设计的，由2个部分组成：拐杖本身构造，硬件电路。智能手杖结构内部中空，质量轻，简单便捷。硬件电路包括主控电路及各个功能模块等，主要有电源、主控模块、GPS接收模块、超声波模块、语音模块、GSM模块等。智能手杖总体结构图如图1所示。

图1 智能手杖总体结构图

2 系统的硬件结构及基本功能

本设计主要分为主控模块、超声测距模块、语音模块、GPS模块、GSM短信模块5个部分。首先由超声波模块测量距前方障碍的距离，并通过对距离的判断来由语音提示模块发出提示信息，指导盲人及时的避开障碍。GPS模块会实时定位盲人的位置，当盲人需要寻求帮助时，便可通过手杖上的短信发送按键发送短信，短信内容包括目前的位置信息及预先设定好的帮助信息。

2.1 超声模块电路

超声波测距是借助于超声脉冲回波渡越时间法来实现的，测距模块电路如图2所示。设超声波脉冲由传感器发出到接受所经历的时间为t，超声波在空气中的传播速度为c，则从传感器到目标物体的距离T=c*t/2。应用超声波脉冲回波法测距的过程是：用持续时间一定的超声频高压电脉冲信号激励超声换能器，使之向外部介质发送一串超声波，当超声波在换能器的声轴上遇到一个或多个目标时，部分声能将被反射回来并作用在换能器上，使换能器输出微弱的电信号。该信号经过放大滤波后，送入微处理系统进行信息处理，以判定回波信号出现的时刻，并计算出超声波的射程时间及对应的目标距离，从而完成了一个测距周期。

图2 超声波测距电路

2.2 语音模块

语音提示模块选用的是美国ISD公司的ISD4003语音芯片，与普通的录音/重放芯片相比，ISD4003语音芯片具有如下特点：首先是记录声音没有段长度限制，并且声音记录不需要A/D转换和压缩。其次，快速闪存作为存储介质，无电源可保存数据长达100年，重复记录10000次以上。此外，ISD4003具有记录时间长可达4分钟，语音提示模块电路。

2.3 GPS模块

GPS接收机包括主机、电源、接收机三个部分，因为拐杖内部集成度高的特点，所以接收模块选用定位GPS25-LVS OEM板，它定位速度快，工作安全。电源电路使用5V标准电压源。MSP430单片机与GPS-OEM板通过串口通信。由于GPS25-LVS OEM输出的是符合RS232的对地对称的标准电平，单片机串口采用的是TTL逻辑电平。两种电平完全不同，因此，必须要用MAX232进行转换才能够使两个电平连接，MAX232为电平转换芯片，能够实现两种电平间的双向转换，GPS-OEM板的串口数据输出引脚（TXD）通过MAX电平转换后，连接单片机的RXD引脚。

2.4 GSM短信模块

本设计选用的是德国SIEMENS（西门子）公司的一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM短信模块TC35I，TC35I是一个支持中文短信息的工业级GSM模块，工作在EGSM900和GSMl800双频段，可以传输语音和数据信号，支持Text和PDU格式的SMS，其数据接口通过AT命令实现双向传输指令和数据，可选波特率为300bps～115 kbps.该系统波特率设置为19.2 kbps，短信模式采用PDU模式.TC35I模块与其他设备通信的格式为RS232，数据接口采用CMOS电平，在电路设计时需要加MAX232电平转换电路，单片机的TXD引脚通过MAX电平转换后，连接TC35I模块的串口数据输入引脚（RXD）引脚。

3 系统软件设计

系统的软件设计采用C语言，可以大大提高程序编写时的效率。主程序首先对系统初始化，然后循环调用超声波发射子程序，延时程序，超声波测距子程序，语音提示子程序，GPS定位子程序，按键检测子程序等。其中，超声波发射子程序的主要功能是利用单片机的P1.0口产生一个频率为40KHz、占空比为40%的方波。然后延时20ms（用于等待接收端应答）的方式，保证每次收到的回波都是最近一次发射的脉冲反射回来的。测距回波时间计算由单片机的P1.1口控制，一旦查询到该引脚由高到低，则表明接收到了本次发射返回的超声回波，而距离的计算则通过定时器中存储的数据进行运算得出；当检测到短信发送按键按下时，调用GSM发送程序，将带位置信息的帮助短信发送到指定手机号中。主程序流程如图3所示。

图3 主程序流程图

GPS定位数据读取在定时器中完成，考虑到盲人的行走速度一般很慢，系统初始化定时器的周期为5秒，定时通过串口读取GPS-OEM板发送给单片机的定位数据。

4 结论

我们所研究的智能导盲手杖对盲人的生活提供了极大的方便，该导盲手杖能够适应时代的发展要求，具有很大的现实意义。该多功能拐杖由以单片机为主控件的GPS模块、超声波测障模块，语言提示模块及GSM短信发送模块组成，能够实现如下功能：通过超声波测距，能实时语音提示前方障碍物距离，根据提示盲人可以变换方向行走，从而避免了盲人撞到障碍物带来的伤害；在盲人需要寻求帮助时，可以通过按键向指定手机发送定位短信，以便于被人及时的找到。

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