基于STC15F2K60S2单片机的智能拐杖设计

李佳佳，刘 宁

(西安电子科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710071)



基于STC15F2K60S2单片机的智能拐杖设计

李佳佳，刘 宁

(西安电子科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710071)

针对盲人出行不安全、行走不便利的问题，设计了一种供盲人出行使用的智能拐杖。该拐杖在使用时能够实时地探测周围的障碍物，并通过语音提醒障碍距离，当盲人遇到紧急情况时，可以通过按键将其位置发送给监护人。同时，拐杖上集成有时钟模块，可以一键获取时间并通过语音提示；拐杖上装有LED灯，可以提醒其他路人有盲人经过。

智能拐杖；语音提示；时钟模块；盲人

0 引言

随着社会的进步，对盲人的关注也越来越多。据统计，中国目前约有500万的盲人，占全世界盲人总数的18%[1]，如何解决盲人的出行问题，一直是许多学者研究的重点。

传统的导盲方式是培养导盲犬来带领盲人出行，但是其培养周期长、培养价格昂贵，普通家庭很难承受[2]。常见的导盲装置结构与功能都较为简单，一般都通过敲击地面和旁边的物体来判断行走的方向，不能很好地解决盲人出行的安全、便利、寻找亲属等问题[3]。

本文基于STC15F2K60S2单片机设计的智能拐杖，利用超声波模块[4]，实时探测障碍物的距离，并通过语音提醒；利用时钟模块，能够让盲人一键获取时间；系统装有GPS模块、GSM模块，可以获取其位置信息，当盲人遇到紧急情况时，可以通过按键将其位置发送给监护人。同时，还装有LED闪光灯，用于提醒路人此处有盲人经过[5]。

1 系统整体结构

系统组成结构如图1所示，主要模块包括超声波测距模块、GPS定位模块、GSM通信模块、时钟模块、语音播报模块等。其中超声波模块实时测量周围障碍物的距离，并将测得距离信息传输给STC15F2K60S2主控芯片，主控芯片将信息处理后，经过语音播报模块向外界输出。GPS模块用于获取拐杖的位置信息，当主控芯片检测到引脚电平变化后，读取其测量信息，并通过GSM通信模块将指定的信息发送到手机终端，在盲人和家属之间搭建了一个通信的桥梁。同时，在拐杖上设计有LED灯并红蓝交替闪烁，可以对路人起到提醒作用，进而增加盲人的出行安全。

图1 系统结构组成

2 功能模块实现

2.1 主控芯片

该系统的主控芯片选用STC15F2K60S2，与传统的8051单片机相比，其具有更快的数据处理速度和高集成性，芯片内部不仅集成了CPU、SRAM、IO口、Flash等资源，还集成有串口通信接口、看门狗电路等，可以满足大多数的外设使用。同时，该芯片有两种复位模式，分别为内部软件复位和外部复位，使用内部复位时，可以省去外部复位电路的设计，其最小系统设计如图2所示。

图2 最小系统设计

2.2 超声波模块

该系统的超声波测距采用HC-SR04集成模块，测距范围为2 cm～400 cm，精度达3 mm，主要由超声波发射器、接收器与控制电路三部分组成[6]，工作原理如图3所示。模块根据返回的高电平持续时间进行测距，测距公式为：

(1)

图3 超声波模块工作原理图

2.3 GPS定位模块

由于智能拐杖的工作环境大多是在室外，因此，GPS定位可以满足其全天候、实时的定位要求[7-8]。该模块与STC15F2K60S2主控芯片通信时，通过串口进行数据传输，其STXD引脚、SRXD引脚分别与主控芯片的P1.0、P1.1连接，可以将采集到的位置信息通过串口返回给主控芯片，主控芯片读取其信息后，将位置信息进一步处理。

2.4 GSM通信模块

该系统的通信选用SIM900A两频段GSM/GPRS模块，其与单片机的通信采用串口的方式，数据传输符合RS232通信标准，同时，在发送、接收数据时需要设置相同的波特率，保证数据传输的准确性。该模块主要负责与远程终端的数据传输，将经由主控芯片转化的位置信息，发送给远程手机终端，完成盲人与家属的联系[9]。电路设计如图4所示。

图4 SIM900A电路设计

2.5 时钟模块

时钟模块选用DS1302，该模块可以提供时间和日历的显示，当遇到少于31天的月份时，可以自动调整。同时，该模块集成有AM/PM指示器，可以在12小时制和24小时制之间进行切换。保证了显示的准确性。与DS1202相比，该模块有其独特的双电源设计，工作和待机时，可以分别使用主电源和备用电源，确保稳定运行。

时钟电路原理如图5所示，与单片机通过SCLK、IO、CE引脚相连，采用串口通信方式，在进行字节传输时，需先发送8位命令字节进行触发，接着在两个时钟周期的上升沿进行数据输入，或者在下8个时钟周期的下降沿输出数据。

图5 时钟电路原理图

2.6 语音模块

该系统的语音模块选用WTN4系列的PWM输出型，与传统的语音芯片相比，价格低廉，工作电压范围可达2.2 V～5.5 V，并且能直接驱动喇叭播放，无需设计其他的外围驱动电路。工作时，主控芯片首先发送复位脉冲信号，接着发送语音脉冲到数据接收引脚，芯片将该信号采集转化后，存入ROM中，经电路转化播放。

3 软件设计

该系统设计语言选用C语言，采用Keil uVision5开发软件，其中包括障碍处理模块、语音模块、GPS、GSM模块[10]，时钟模块等分块设计，其设计流程如图6所示。

(1)首先初始化各个功能模块，超声波模块开始工作，开启定时器T0，并发送超声波， 当接收到返回波时，关闭定时器，利用高电平的持续时间计算障碍物的距离，再进行语音播报。语音播报是通过控制不同字所发脉冲的次数不同来实现的。

(2)当有报时请求时，主控芯片先向语音模块发送一个高电平，接着读出相关寄存器的值，获取时间信号，并由语音模块播报。

(3)当有求助请求时，利用GPS+GSM进行处理，当盲人遇到紧急情况需要求助时，按下求助键触发中断，接收主控芯片发送的AT指令，并与SIM900A连接。GPS将其测得的位置信息交由主控芯片处理，利用SIM900A将指定的短信发送给手机终端。

图6 软件设计流程

4 结论

该系统基于STC15F2K60S2单片机设计的智能拐杖，利用超声波模块，能够可靠地获得障碍距离并通过语音提醒，利用GPS+GSM模块，能够有效地获得盲人的位置信息，并发送给其亲属，确保盲人在遇到紧急情况时能够与亲属取得及时的联系。同时，增加了语音报时系统、拐杖外围增添LED闪光灯，使得该设计更加人性化，满足盲人的出行需求，实现了盲人出行中与亲属的联系，提高了盲人出行的便利性。

[1] 周天剑，王震，姚沁，等. 基于RFID盲人导航系统[J]. 计算机技术与发展，2011, 21(12): 217-218.

[2] 房鑫. 基于FPGA技术的导盲犬[J]. 现代电子技术，2010,33(3):179-180.

[3] 方仁杰，朱维兵. 基于GPS定位于超声波导盲拐杖的设计[J]. 计算机测量与控制，2011,19(5):1154-1155.

[4] 赵春雨，王威锋，汤亚广. 盲人辅助行走拐杖的设计[J]. 电子设计工程，2015,23(9):183-185.

[5] 逢涛，高立新，崔玲丽,等. 基于单片机无线通信技术的盲人交通指示系统设计[J]. 电子技术应用，2007(10):125-127.

[6] 唐晓鹏，谢兴生. 利用集成HC-SR04模块设计对射式测距系统[J]. 微型机与应用，2014,33(22):90-91.

[7] 于铁军. 基于ARM的GPS定位系统的设计与实现[D]. 太原：中北大学, 2014.

[8] 王建中，杨璐. 基于GPS定向测姿系统的研究[J]. 电子技术应用,2016,42(9):14-18.

[9] 李美莲. 基于SIM900B家用电器远程监控系统的研究[J].微型机与应用,2013,32(24):31-33.

[10] 曾志永,凌振宝,王君. 基于GSM技术的智能家居系统的设计[J].电子技术应用,2005,31(9):35-37.

Design of intelligent walking stick based on the single chip STC15F2K60S2

Li Jiajia, Liu Ning

(School of Electromechanical Engineering, Xidian University, Xi′an 710071, China)

For the blind’s travel is not safe, and their walking is not convenient, in this paper, we design a kind of intelligent walking stick for the blind, which can detect the surrounding obstacles in real time, and through the voice remind the distance. When there is an emergency, position can be sent to the guardian through the button. At the same time, a clock module is integrated on a walking stick, which can be a key acquisition time and through voice prompts. And there are LED lights on crutches, which can remind the other passers-by that there is blind through.

intelligent walking stick; voice prompt; clock module; the blind

TP368

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.14.028

李佳佳，刘宁.基于STC15F2K60S2单片机的智能拐杖设计[J].微型机与应用，2017,36(14)：92-94.

2017-01-16)

李佳佳(1992-)，男，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式系统设计与应用。E-mail：lijiajia19921127@sina.com。