基于STC8A8K单片机的简易导盲产品优化设计

杨 琳，廖铉泓

基于STC8A8K单片机的简易导盲产品优化设计

杨 琳，廖铉泓

（东北大学 电子国家级实验教学示范中心，辽宁 沈阳 110819）

设计了一款简易实用且价格低廉导盲产品，旨在帮助视障人士更加方便地出行。该产品以STC8A8K单片机为核心，包含导盲手杖与提示手环两部分，拥有立体障碍识别、环境光检测、振动提示、语音提示以及手杖找回等功能，满足盲人日常自主出行的需要。该文从机械结构、硬件组成及功能设置3个角度，详细介绍导盲产品的设计理念及测试效果。

导盲产品；STC8A8K单片机；超声波

盲人出行主要依靠一些公共导盲设施如盲道，以及一些个人的导盲手杖。盲道也有隐患，如一些盲道可能因工程或修路而被破坏或被占用。叶佳君于2016年为盲人设计了一种移动导向装置[1]；以单片机为内核的导盲手杖也有多款[2]，杜传晶于2017年基于52微控制器设计了导盲报警手杖[3]；董冠廷于2018年基于异构计算机和深度学习设计了导盲系统[4]；齐泽宇于2018年基于STM32和GPS技术设计了一种导盲杖[5]，但这些产品实现复杂、价格昂贵，体积较大。

从生理学、心理学、社会学的角度，根据盲人需求，本文在研究了国内外各种导盲产品基础之上，提出了一款基于STC8A8K单片机的简易导盲设备。

1 导盲杖的设计

通过研究发现，盲人的需求主要包括：（1）对于静止物体的识别和规避；（2）对于镂空结构的识别和规避；（3）对于凹陷地面的识别和规避。此外，盲人更乐意导盲手杖中配备接触提示功能，而不是语音提示功能，除非有重大状况发生（如前方路面出现忽然凹陷），盲人更倾向于接触式信息而非听觉信息。盲人在日常生活中，主要依靠接触和听觉进行定位。

1.1 机械结构设计

导盲杖的机械结构[6]见图1，主要有：

（1）铝型材机架。铝型材强度高、重量轻，能使导盲杖更具实用性。导盲杖的把手嵌入振动电机，以提醒盲人障碍方位。

（2）超声波传感器。一共使用4个超声波模块，分别用于扫描手杖的左前方、右前方、前上方和前下方，分别检测左前方障碍右前方障碍、上方镂空障碍以及下方的坑道障碍。

（3）底盘，底盘由覆铜板构成，轻便、结实。底盘底部装有3个全向轮，保持与地面近似水平。手杖在二维平面中可沿任何方式平动和转动，很灵活。

图1 手杖机械三维图

辅助导盲杖的附件有如图2所示的手环。手环直径为50 mm，用铝壳制成，表面有一按钮，用作电源开关以及触发相应任务指令。

1.2 硬件和电路设计

硬件主要包括主控板、振动电机、光敏传感器、蓝牙、扬声器等。手杖和手环上使用的单片机均为STC8A8K LQFP64单片机，电路图见图3与图4。

图2 手环三维图

导盲设备最重要的是提醒功能，在该产品中，使用超声波模块、振动电机、通信模块、语音模块以及STC8A8K单片机来实现这一功能。

HCSR04超声波模块是通过返回高电平的时间来反映位置信息，因此对于电平的上升沿和下降沿的检测很重要。STC8A8K单片机内部拥有多个外部中断触发源，因此可以充分利用该单片机的外部触发中断源来检测，减少测距延迟，从而保证测距的相对准确。

手杖上搭载的4个超声波模块分别对应着手柄上的4个振动电机。4个电机通过P沟道MOS管直接与电源相连。将单片机的4个I/O口接到MOS管的栅极上，并配置成强推挽输出模式，只需将I/O口拉低，即可控制MOS管接通，让电机振动。4个电机分别贴在手杖的前后左右，提醒盲人障碍物的具体方位。

图3 手杖电路原理图

图4 手环电路原理图

手杖上还搭载由光敏电阻和单片机ADC组成光敏传感器，用以检测外界环境光。

通信模块用于手杖调试数据的返回以及与手环的互联。手环上设置扬声器与按键输入。接收到来自手杖的不同信号后，通过扬声器播报相应的消息；通过手环上的按键，可以主动请求与手杖进行通信。

1.3 功能设计

手杖上检测模块由4个超声波模块和4个振动电机构成，两者一一对应。振动电机在振动手柄上的安装位置与超声波模块检测的方位相对应地排布在手柄的上下左右。当对应的超声波模块检测到前方有异常情况时，对应的电机将会发生振动，提示盲人进行躲避。

传统的超声波测距公式为

式中，为测量的距离，为超声波来回传播的时间。

由于超声波的传播速度容易受到温度的影响，进行温度补偿[7]如下：

式中为温度。上式为单超声波探头测距的原理公式。

超声波具有穿透力强、方向性好，携带信息量大的特点，近年来被广泛用于无人机的测距定高和智能车的障碍规避等短距离测距领域中[8-10]。从稳定性看，与红外测距相比，超声波在短距离测距中不容易受到外界光学因素的影响；成本上，超声波较激光等高精度光学测距仪器成本更低[11]。

为避免超声波探头之间相互干扰，采用轮询测距的方式[12]，即每个超声波传感器的采样时间间隔约为40 ms。对于4个探头而言，每个控制周期为160 ms，与人的反应时间相当。检测前方、左侧和右侧的3个超声波模块呈扇状安装，如图5所示。

图5 超声波模块工作原理图

该导盲设备配备较为齐全的提示功能。手杖上的提示功能主要由振动电机、蜂鸣器和LED灯带完成。其中，振动电机用于提示障碍物位置；蜂鸣器用于预防盲人遗失手杖的情况，与手环联动后，可帮助通过声音信息提醒盲人手杖的位置；LED灯带主要用于夜间或环境漆黑的时候，提醒路人，让路人和车辆主动规避以免撞到盲人。

手杖通过低功耗蓝牙与手环的单片机进行串口通信。正常状态下，手杖处于工作模式。当各传感器数值在1 min内未发生明显变化时，系统将处于休眠状态。若检测到串口电平波动，则系统将被唤醒。

与手杖配套的手环上，装有语音提示模块。当出现如下异常情况时，语音模块将进行播报：

（1）当置于手杖上的光敏传感器检测到环境光发生较大变化时（比如入夜），手环将播报“天黑，请注意”。

（2）当前方偏下超声波模块检测到坑道时，播报“前方有坑道，请注意”。

（3）当左前、右前以及正前方的超声波探头均检测到障碍物时，播报“前方路不通”。

（4）如盲人需要寻找手杖时，可主动点击手环表面的按键，让手杖上的蜂鸣器响起，通过声音提醒盲人手杖所在的位置。

在正常状态下，手环处于休眠模式，节约电能，当串口出现电平波动，或按键触发单片机外部中断时，手环被唤醒，接收串口信息，完成相应任务。

该导盲设备根据图6所示的功能流程，实现障碍物的检测与提示功能。

图6 主程序流程图

2 测试结果

实地测试路线示意图见图7。测试表明，该设备能较为准确地检测出前方、左侧、右侧的障碍物。对于坑道的检测，在较为粗糙的地面上（如街道）进行测试时，效果良好；在光滑的地面上，由于地面具有较强的声波散射作用，测试效果不佳。手环能准确播报外界环境信息，并能与手杖建立起稳定的通信，帮助盲人找回手杖。该产品具备较好的障碍检测能力，能帮助盲人在户外探测障碍物，并能直观地告诉盲人障碍物的位置，但在室内有一定的局限性。

图7 测试路线示意图

3 结语

本产品在设计之初，就先对盲人群体进行了实地调研，使本产品的功能更具有针对性和实用性。值得一提的是，该产品不仅注重对盲人的提醒功能，同时还具有对路人的提醒功能，可以在环境昏暗时，引导车辆或行人主动避开盲人。本产品所使用的各功能模块价格低廉、容易获取。

[1] 叶佳君.盲人定向行动辅具设计[D].北京：北京理工大学，2016.

[2] 李筱雅，高寒，张璐璐，等.基于单片机的超声波导盲系统[J].电子世界，2016(7): 123–124.

[3] 杜传晶，李莉.基于52单片机的导盲避障报警手杖[J].山东工业技术，2017(7): 226.

[4] 董冠廷，胡昊迪，吴泽琨，等.基于异构计算与深度学习的导盲系统设计[J].电子技术与软件工程，2018(14): 101–102.

[5] 齐泽宇，郝兆明，安超，等.基于STM32微处理器及GPS的智能导盲手杖的设计[J].电子世界，2018(11): 151–152.

[6] 韦锦，孙玉玺，蒙艳玫，等.非完整约束移动机器人综合实验平台研发与应用[J].实验技术与管理，2017, 34(1): 74–78.

[7] 兰羽.具有温度补偿功能的超声波测距系统设计[J].电子测量技术，2013, 36(2): 85–87.

[8] 林书玉.超声技术的基石：超声换能器的原理及设计[J].物理，2009, 38(3): 141–147.

[9] 方仁杰，朱维兵.基于GPS定位与超声波导盲拐杖的设计[J].计算机测量与控制, 2011(15): 1154–1157.

[10] 陈玉萍，卢先领.基于SN8P2501单片机智能导盲系统设计与实现[J].电脑知识与技术，2011, 7(33): 8288–8290.

[11] 吕杰.超声波导盲手杖的原理与设计[J].研究简报，1991, 11(6): 31–32.

[12] 杨志江，郑昆，耿春明，等.基于RS--485总线的多路超声波传感器测距系统设计[J].传感器与微系统，2018, 37(12): 79–82.

Optimum design of simple blind guiding products based on STC8A8K SCM

YANG Lin, LIAO Xuanhong

(National Electronic Experimental Teaching Demonstration Center, Northeast University, Shenyang 110819, China)

A simple, practical and inexpensive guide product is proposed to help visually impaired people to travel more conveniently. This product is based on STC8A8K SCM, which includes two parts of the guided walking stick and hint bracelet. It has the functions of stereo obstacle recognition, ambient light detection, vibration hint, voice hint and walking stick retrieving, and meets the daily needs of blind people to travel independently. This paper introduces in detail the design concept and test effect of the guide product from three angles of mechanical structure, hardware composition and function settings.

blind guiding product; STC8A8K SCM; ultrasonic wave

TB553; TP368.1

A

1002-4956(2019)12-0081-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.019

2019-05-22

国家自然科学基金面上项目（61473072）

杨琳（1961—），女，河南洛阳，本科，高级工程师，主要从事微控制器技术实验教学与实验室建设研究。E-mail: yanglin@ise.neu.edu.cn