基于MS P 430單片機(jī)的智能導(dǎo)盲手杖設(shè)計

石惠文 張 勇

(沈陽師范大學(xué) 科信軟件學(xué)院，遼寧 沈陽110034)

0 引言

盲人群體一直是社會中需要關(guān)心的弱勢群體，出門不便對于所有盲人患者是一個較大的難題。目前市場上有很多種導(dǎo)盲手杖，但大多原理簡單、功能單一、較機(jī)械化，出現(xiàn)的問題也較多，給經(jīng)常出門的盲人使用者帶來不便。并且，隨著城市化進(jìn)程的不斷擴(kuò)大，大城市建設(shè)的逐步發(fā)展，道路的變化，車輛的增多都給盲人的正常生活帶來安全威脅。所以加大對盲人的關(guān)注，提高盲人的生活質(zhì)量是我們急需解決的問題。基于簡單實(shí)用、價格低廉的考慮，本文設(shè)計了一款集GPS自動定位、超聲波測障、GSM短信發(fā)送等多功能于一體的智能手杖。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

該多功能智能拐杖是利用美國德州儀器公司的高性能、超低功耗MSP430為核心處理器設(shè)計的，由2個部分組成：拐杖本身構(gòu)造，硬件電路。智能手杖結(jié)構(gòu)內(nèi)部中空，質(zhì)量輕，簡單便捷。硬件電路包括主控電路及各個功能模塊等，主要有電源、主控模塊、GPS接收模塊、超聲波模塊、語音模塊、GSM模塊等。智能手杖總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智能手杖總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及基本功能

本設(shè)計主要分為主控模塊、超聲測距模塊、語音模塊、GPS模塊、GSM短信模塊5個部分。首先由超聲波模塊測量距前方障礙的距離，并通過對距離的判斷來由語音提示模塊發(fā)出提示信息，指導(dǎo)盲人及時的避開障礙。GPS模塊會實(shí)時定位盲人的位置，當(dāng)盲人需要尋求幫助時，便可通過手杖上的短信發(fā)送按鍵發(fā)送短信，短信內(nèi)容包括目前的位置信息及預(yù)先設(shè)定好的幫助信息。

2.1 超聲模塊電路

超聲波測距是借助于超聲脈沖回波渡越時間法來實(shí)現(xiàn)的，測距模塊電路如圖2所示。設(shè)超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接受所經(jīng)歷的時間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為c，則從傳感器到目標(biāo)物體的距離T=c*t/2。應(yīng)用超聲波脈沖回波法測距的過程是：用持續(xù)時間一定的超聲頻高壓電脈沖信號激勵超聲換能器，使之向外部介質(zhì)發(fā)送一串超聲波，當(dāng)超聲波在換能器的聲軸上遇到一個或多個目標(biāo)時，部分聲能將被反射回來并作用在換能器上，使換能器輸出微弱的電信號。該信號經(jīng)過放大濾波后，送入微處理系統(tǒng)進(jìn)行信息處理，以判定回波信號出現(xiàn)的時刻，并計算出超聲波的射程時間及對應(yīng)的目標(biāo)距離，從而完成了一個測距周期。

圖2 超聲波測距電路

2.2 語音模塊

語音提示模塊選用的是美國ISD公司的ISD4003語音芯片，與普通的錄音/重放芯片相比，ISD4003語音芯片具有如下特點(diǎn)：首先是記錄聲音沒有段長度限制，并且聲音記錄不需要A/D轉(zhuǎn)換和壓縮。其次，快速閃存作為存儲介質(zhì)，無電源可保存數(shù)據(jù)長達(dá)100年，重復(fù)記錄10000次以上。此外，ISD4003具有記錄時間長可達(dá)4分鐘，語音提示模塊電路。

2.3 GPS模塊

GPS接收機(jī)包括主機(jī)、電源、接收機(jī)三個部分，因為拐杖內(nèi)部集成度高的特點(diǎn)，所以接收模塊選用定位GPS25-LVS OEM板，它定位速度快，工作安全。電源電路使用5V標(biāo)準(zhǔn)電壓源。MSP430單片機(jī)與GPS-OEM板通過串口通信。由于GPS25-LVS OEM輸出的是符合RS232的對地對稱的標(biāo)準(zhǔn)電平，單片機(jī)串口采用的是TTL邏輯電平。兩種電平完全不同，因此，必須要用MAX232進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能夠使兩個電平連接，MAX232為電平轉(zhuǎn)換芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種電平間的雙向轉(zhuǎn)換，GPS-OEM板的串口數(shù)據(jù)輸出引腳（TXD）通過MAX電平轉(zhuǎn)換后，連接單片機(jī)的RXD引腳。

2.4 GSM短信模塊

本設(shè)計選用的是德國SIEMENS（西門子）公司的一款雙頻900/1800MHZ高度集成的GSM短信模塊TC35I，TC35I是一個支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊，工作在EGSM900和GSMl800雙頻段，可以傳輸語音和數(shù)據(jù)信號，支持Text和PDU格式的SMS，其數(shù)據(jù)接口通過AT命令實(shí)現(xiàn)雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，可選波特率為300bps～115 kbps.該系統(tǒng)波特率設(shè)置為19.2 kbps，短信模式采用PDU模式.TC35I模塊與其他設(shè)備通信的格式為RS232，數(shù)據(jù)接口采用CMOS電平，在電路設(shè)計時需要加MAX232電平轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)的TXD引腳通過MAX電平轉(zhuǎn)換后，連接TC35I模塊的串口數(shù)據(jù)輸入引腳（RXD）引腳。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用C語言，可以大大提高程序編寫時的效率。主程序首先對系統(tǒng)初始化，然后循環(huán)調(diào)用超聲波發(fā)射子程序，延時程序，超聲波測距子程序，語音提示子程序，GPS定位子程序，按鍵檢測子程序等。其中，超聲波發(fā)射子程序的主要功能是利用單片機(jī)的P1.0口產(chǎn)生一個頻率為40KHz、占空比為40%的方波。然后延時20ms（用于等待接收端應(yīng)答）的方式，保證每次收到的回波都是最近一次發(fā)射的脈沖反射回來的。測距回波時間計算由單片機(jī)的P1.1口控制，一旦查詢到該引腳由高到低，則表明接收到了本次發(fā)射返回的超聲回波，而距離的計算則通過定時器中存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算得出；當(dāng)檢測到短信發(fā)送按鍵按下時，調(diào)用GSM發(fā)送程序，將帶位置信息的幫助短信發(fā)送到指定手機(jī)號中。主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

GPS定位數(shù)據(jù)讀取在定時器中完成，考慮到盲人的行走速度一般很慢，系統(tǒng)初始化定時器的周期為5秒，定時通過串口讀取GPS-OEM板發(fā)送給單片機(jī)的定位數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

我們所研究的智能導(dǎo)盲手杖對盲人的生活提供了極大的方便，該導(dǎo)盲手杖能夠適應(yīng)時代的發(fā)展要求，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。該多功能拐杖由以單片機(jī)為主控件的GPS模塊、超聲波測障模塊，語言提示模塊及GSM短信發(fā)送模塊組成，能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：通過超聲波測距，能實(shí)時語音提示前方障礙物距離，根據(jù)提示盲人可以變換方向行走，從而避免了盲人撞到障礙物帶來的傷害；在盲人需要尋求幫助時，可以通過按鍵向指定手機(jī)發(fā)送定位短信，以便于被人及時的找到。

［1］宋文，楊帆.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2004.

［2］華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].3版.北京：高等教育出版社，2004，4.

［3］閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4 版.北京：高等教育出版社，2004，4.

［4］莫力.Protel電路設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005，1.

［5］姚四改.Protel99SE電子線路設(shè)計教程[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2004，1.

［6］李建忠.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002，2.

［7］蔡惟錚.常用電子元器件手冊[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1998.

［8］王武江，陳樹凱.常用集成電路速查手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2004.

［9］張俊謨.單片機(jī)中級教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999.

［10］胡漢才.單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.