智能聽障助理系統的設計與實現
2012-04-12 00:00:00余華芳楊龍友麥志華鄧海燕鮑豐
現代電子技術 2012年13期
摘要：為了聽障人士家居安全和減少其家人的精神負擔，設計了一款基于STC89C52RC單片機控制的智能聽障助理系統。該系統具有門鈴感應，煙霧、火災報警等功能，價格低廉。實驗證明，該系統操作簡單，運行穩定可靠，抗干擾能力強。
關鍵詞：單片機； 聽力障礙； 傳感器； 無線收發模塊
中圖分類號：
TN91234
文獻標識碼：A
文章編號：1004373X(2012)13
0108
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收稿日期：20120207
基金項目:廣東藥學院師資隊伍建設經費資助項目（52104109）；廣東藥學院校級優質課程項目（52159505）；校級教育研究課題(52157433)
0引言
聽力障礙(Dysaudia)是指聽覺系統中的傳音、感音以及對聲音的綜合分析的各級神經中樞發生器質性或功能性異常，而導致聽力出現不同程度的減退。聽障人士、老年人均具有生活自理能力，但是，由于他們生理上的缺陷，常常給其居家生活帶來不便，甚至生命危險，給其家人帶來不少負擔。智能聽障助理系統就是專門針對這一特殊人群而設計開發的，該系統具有門鈴感應、煙霧報警、火焰報警、警示燈閃爍、振動報警等功能，操作簡單，經濟實用，在一定程度上既方便了聽障人士、老年人、獨居人士，也解放了其家人［1］。隨著中國社會老齡化的到來，獨居老人越來越多，該系統具有廣闊的應用前景和推廣價值。
1智能聽障助理系統基本工作原理
為了使智能聽障助理系統具有便攜式功能，本系統分成兩大模塊：信號檢測模塊和警報模塊，其原理圖如圖1，圖2所示。在信號檢測模塊中，單片機接收煙霧傳感器、火焰傳感器和門鈴的信號，經過單片機處理后，通過無線發射模塊發送遙控指令。系統的警報模塊接收到遙控指令后，進行解碼并發出相應的警報信號。考慮到本系統可以給聽障患者帶來方便，同時也可以給老人及獨居人士使用，本系統采用聲、光及振動三重警報。雙色燈分為紅色警報和綠色警報，紅色表示火災、煙霧的緊急警報，綠色則表示門鈴警報。其中警報系統可以隨身攜帶或帶在手腕上，或放在家中顯眼的地方。
系統中的電子振動器采用導線型微型振動電機；無線通信的發射模塊和接收模塊采用PT2262與PT2272配對編、解碼芯片構成，其工作頻率為315 MHz，采用FM方式調制。
2智能聽障助理系統硬件、軟件設計與調試
系統采用模塊化設計，方便系統今后升級、功能擴展或根據用戶需求而定制或改造不同功能模塊，既方便了設計、調試和維護，也大大增強了系統的實用性。
2.1智能聽障助理系統信號檢測模塊電路
信號檢測模塊是本系統的核心部分，在此詳細敘述。本系統采用STC89C52RC單片機作為中央處理器，它是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗單片機，指令代碼完全兼容傳統8051 單片機。系統中，STC89C52RC單片機的P2.0引腳接門鈴信號，P2.1腳接煙霧傳感器輸出的信號，P2.7腳接火焰傳感器輸出的信號。P1.0~P1.3引腳分別接無線發射模塊核心芯片PT2262的TE引腳、數據輸入端D1、D2和D3引腳［25］，具體連接圖如圖3所示［67］。各功能模塊實現的功能如下：
(1) 門鈴(Doorbell)輸入報警功能。當突發意外，即使家中聽障患者、老年人等不知外面的危險信息，周圍的人仍可以通過按無線電子門鈴觸發智能聽障助理系統，讓室內的人及時得知外面的情況。另外，當有客人來訪時，通過按門鈴，可以讓聽障人士知曉有人敲門了。所有這些提示信息都是通過振動、警示燈閃爍和蜂鳴同時運作發揮作用，告知室內人士的。
(2) 火焰檢測報警功能。火焰傳感器(Fire Sensor)模塊JNHB2004能將探測到的火焰信號轉為0~5 V的電壓信號。連接時，該模塊的紅色線接DC 5 V，黑色線接GND，綠色線作為信號輸出，可直接輸入IC芯片，本系統中直接與單片機的P2.7引腳連接。圖3中的Header3即為火焰傳感器與單片機的連接插頭。
當火焰傳感器檢測到有火災時，向單片機P2.7引腳傳送信號，單片機接收到信號并處理后，控制發射模塊發送信號，無線接收端能夠響應火災警報，通知用戶。
(3) 煙霧檢測報警功能。煙霧傳感器(Smoke Sensor)采用MQ2普敏氣體煙霧傳感器，它能將空氣中的煙霧濃度變量轉換成有一定對應關系的輸出信號。其優點在于在較寬的濃度范圍內對可燃氣體有良好的靈敏度，壽命長，成本低。只需簡單的驅動電路即可。其電路連接法如圖4所示［67］。
當煙霧傳感器檢測到煙霧時，單片機接收到它輸出的信號，處理后，控制發射模塊發送信號，無線接收端能夠響應火災警報，通知用戶。
(4) 蜂鳴、振動和雙色警示燈警報功能。為了讓聽障患者、老年人、聽力衰退等人士能夠更好地得知警報信號，系統設計了振動裝置和雙色警示燈，通過振動和警示燈閃爍使他們感知警報，而蜂鳴呼叫又能通知周圍的人及時給予幫助或提醒等，以上三種警報是同時運作發揮作用的。
(5) 無線收發模塊。
無線收發模塊在本系統中起無線通信的作用。發射芯片PT2262IR將載波振蕩器、編碼器和發射單元集成于一身，使發射電路變得非常簡潔。單片機接收到的火警信號、煙霧信號和門鈴信號處理后直接從其P1.1~P1.3腳發送給PT2262的數據輸入端口D1~D3。D1~D3中只要有一位為“1”，PT2262就會有編碼輸出。單片機的P1.0與PT2262的TE相連，用以控制多數據編碼的發射。只要接收模塊中PT2272的地址碼與PT2262一致，其數據輸出端口D1~D3就會輸出對應的高電平。PT2272各輸出端通過各種接口即可控制相應的負載。本系統中的負載分別是雙色燈、蜂鳴器和微型振動電機。
2.2智能聽障助理系統軟件設計
本系統采用C51語言進行模塊化編程，主要由主程序、火災報警程序、門鈴響應程序等組成［410］，系統程序流程圖如圖5所示。
2.3軟硬件設計過程中遇到的問題及解決方法
本系統在設計研發過程中遇到許多問題和困難，包括軟件設計調試上和硬件設計調試上的問題，都一一解決了，并成功地設計出期望的智能聽障助理系統。這里列舉幾個主要遇到的問題。其他問題由于篇幅的原因，在此不再贅述。
(1) 火焰傳感器調試時遇到的問題
把火焰傳感器的電源和地接上，用萬用電表的電壓檔測試其輸出端和地之間的電壓，發現傳感器的輸出端是一個低電平。即當傳感器沒有檢測到明火時，它的輸出是低電平；檢測到火焰時輸出高電平。將傳感器與單片機引腳相連，單獨測試時，發現無論點火與否，火焰傳感器所接的單片機I/O口一直為高電平。
通過查找資料發現，火焰傳感器檢測到火焰時，其輸出端輸出高電平，沒有檢測到火焰時，輸出端輸出低電平。而51系列單片機上電復位后I/O口均為高電平，當有火焰時，單片機無法判斷是因為火焰引起高電平還是其自身原有的高電平。為此，在火焰傳感器與單片機之間須加一個反相器，這樣，當I/O口檢測到高電平時，表示沒有檢測到火焰；否則，表示檢測到火焰。即此時單片機能夠識別高低電平的惟一意義了。
(2) 煙霧傳感器調試時遇到的問題
連接好煙霧傳感器后，發現有煙霧時，傳感器檢測不到信號。通過示波器觀察，發現該傳感器有兩種接法。第一種接法會出現有煙霧時，電平會在原來的基礎上降低的現象；第二種則會出現在檢測到煙霧時，把電平拉高的現象；此時反觀焊接，發現傳感器的方向與想象中的方向相反，于是將硬件拆下來，換另一種方式焊接。下載程序后發現依然不行。再查該器件的DATASHEET時，發現該器件的工作電壓為5 V，誤差為0.1 V。于是測量本系統中煙霧傳感器的工作電壓，發現達到5.8 V。初步判斷該器件燒壞了。重新換上一個新的器件，按照圖4中的經典接法接上，原來的程
序保持不變。下載到單片機并提供煙霧等外部環境，器件終于可以正常工作［8］。
(3) 無線收發模塊調試時遇到的問題
首先將PT2262，PT2272M4的1腳接地，其他的懸空，兩者地址管腳連接保持一致。連接好電路，仔細檢查確保無誤后，給PT2262的D0端口加上一個3 V電壓，但是接收模塊沒有反應。再次檢查電路，沒有發現問題。查資料得知，不同廠家的收發模塊采用的電壓不一樣，于是接上5 V電壓，此時接收模塊對應端口上的LED燈點亮了，但燈卻一直亮著，即發送模塊一直保持著發送狀態，這是不正常的。重新查資料發現，要想使收發模塊正常工作，必須正確設置PT2262 TE端口的電平，其高低電平可以控制編碼的發射。通過設置，最終成功地使PT2272M4接收端口的LED燈閃爍。
3結論
實驗證明，本系統運行穩定可靠，抗干擾能力強，操作簡單，并獲得省級大學生電子設計大賽三等獎。隨著產品化生產，本系統還可以做得更完善：將接收模塊做成腕表一樣小巧，將它帶在手上，既是裝飾品，用戶又容易感受到警報信號；可以增加系統的求助功能。更多的完善方案有待于去努力實現。總之，該系統簡單實用，特別適合于聽障人士、老年人、獨居人士和一般人使用，具有廣闊的應用前景和推廣價值。
參考文獻
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作者簡介：
余華芳女，1975年出生，湖北武漢人，博士生，講師。主要從事醫藥計算機應用技術及醫療電子設計應用技術研究。
