盲人輔助行走拐杖的設計

趙春雨，王威鋒，湯亞廣

（黃河科技學院 河南 鄭州 450000）

在日常生活中，盲人基本都是通過普通的盲杖來輔助行走的，有的甚至只是一根普通的長桿，它只有接觸才會發覺局部的障礙物，存在著明顯的不足。導盲犬雖然也是一種可靠的手段，但是維護成本太大，在盲人群體中的利用率并不高。我們所設計的電子導盲拐杖是基于STC89C52單片機控制，利用HSR-04超聲波測距和WT588D語音模塊結合固定在定制拐杖上的智能語音提示拐杖。當盲人的前方有障礙物的時候會被該系統檢測到時候，從而提示語音供使用者判斷。和傳統拐杖相比它具有障礙提示功能，具有可折疊性，占用空間小，攜帶方便。和市面上銷售的普通電子拐杖相比它的成本較少，測量范圍廣，具有功能可擴展性，功能更加齊全[1]。

1 導盲拐杖系統功能結構圖

1.1 系統總體設計

本系統主要由主控制模塊STC89C52單片機、電源模塊、超聲波模塊、語音模塊、發聲喇叭等組成，軟件部分包括單片機中斷程序、語音模塊的接受信號處理程序和語音芯片驅動程序。系統功能結構圖見圖1所示。

圖1 系統功能結構圖Fig.1 Structure diagram of system function

超聲波模塊1檢測上方的障礙物，超聲波模塊2檢測腳前的障礙物，當檢測到障礙物在設定需要提醒的距離內時，主控制器給語音模塊發送控制信息，從而控制喇叭發出對應語音提示[2]。供盲人提前做出應對，避免發生危險。

1.2 電源模塊的設計

因為單片機工作的電壓為+5 V，考慮到盲人生活有諸多的不變，并且所處環境復雜，對電源的容量，穩定性和使用壽命都有較高的要求。所以本設計采用了使用市面上性能穩定的大容量POWERBANK（一種電源品牌）的+5 V移動電源，含有通用USB充放電接口。另配備了一個4節5號電池的電池盒，系統在緊急情況下允許短時間直接使用。

1.3 復位電路

51系列的單片機通過外部電路復位，在RST引腳（復位引腳）持續10 ms以上的高電平，有上電復位和按鈕復位，本系統采用上電復位，即每次打開開關就初始化一次，保持設備不受上次使用的干擾。

1.4 時鐘電路

為了提供精確地參考時間信息，單片機需要外部提供時鐘電路，本系統采用12 MHz晶振和兩個30PF的陶瓷電容，以滿足設計要求。由于電容在使用過程中會發熱且晶振為精密器件，所以焊接時候應彼此保持適當距離，以保持時間的周期真實可靠。

2 導盲拐杖各部分模塊設計

2.1 主控電路

控芯片引腳通過P3^0與語音芯片進行通信，控制語音的輸出，P1^0和P1^1接超聲波的Trig口，P3^2和P3^3接超聲波傳感器的Echo口，負責超聲波模塊信號的發送與接收。

圖2 主控制器電路圖Fig.2 The main controller circuit diagram

如圖2所示，在使用過程中，超聲波開始定向發出超聲波，主控模塊處理芯片開啟中斷，當檢測到障礙物在設定需要提醒的最大距離內時，中斷結束，從而得到超聲波在障礙物之間的往返時間，主控模塊計算出障礙物距離長短，并根據得到的距離的長短選擇相應的觸發信號，將信號發送給語音模塊。調用語音模塊的相應信息。

2.2 揚聲器部分電路

由于發聲器芯片本身支持5 V的PWM （Pulse Width Modulation脈沖寬度調制）輸出，故喇叭外不用外加電路。即簡化了電路又節約了電能的消耗。

2.3 超聲波測距模塊

超聲波是高于2 000 Hz的聲波的范稱，因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。它的能量集中性能好，方向性強，能穿透多種介質，在醫療和工業探傷中均有應用.HS-SR04超聲波模塊能把電能經過轉換成聲波發射出去。并自動檢測回波，其精度可達1 cm2，距離可達2~450 cm。模塊的發射端為trig，接收端echo。當超聲波在空氣中遇到障礙物時，就會被反射回來，然后被接收器收到[3]。超聲波在空氣中的傳播速度為已知，來回穿越時間極短可認為距離是相等的，利用程序測量出發射聲波和接收聲波的時間差（T1+T2），空氣中傳播速度已知，即可計算出發射點到障礙物的實際距離S。

圖3 超聲波測距過程Fig.3 Ultrasonic ranging process

距離換算公式:

2.4 WT588語音模塊

系統的語音提示部分由WT588語音模塊完成。其主要特點；28腳模塊封裝，可通過更換存儲器以獲得不同長度的語音存儲時間；內嵌獨特的人聲語音處理器，使語音表現極為自然悅耳；支持加載6K～22kHz采樣率WAV（微軟公司開發的一種聲音文件格式 ）音頻；PWM輸出可直接推動0.5W/8Ω揚聲器，推挽電流充沛；通過真人錄音，把語音信號用音頻軟件處理后，通過與其匹配的專業下載軟件，把語音按照WAV的格式，按照預先計劃的順序燒錄進模塊內。完成語音的裝載。通過軟件的設置可以控制任意一段語音在合適的時候進行播放。在一線串口下，通過定義STC89C52單片機的P3^0與語音模塊的P0^3相連接，實現單片機與語音芯片的通信，從而在邏輯上把語音模塊和單片機構造成一個整體。在主控芯片控制下，單片機不斷 分析從超聲波傳感器獲得的數據，經過計算分析后向語音芯片發送不同的語音控制指令，使其距離障礙物的距離和不同的提示音連接起來，實現不同情況下的多種語音提示。

圖4 WT588D專用語音下載界面Fig.4 WT588D special speech download interface

本設計一共錄制了6段語音，分別為正前方障礙的遠中近，和腳下附近的遠中近。在單片機芯片獲得了相關數據后，開始從芯片內部讀取語音，通過喇叭發生。拐杖使用了兩個超聲波模塊，分別在上部和下部，經測試使用后會較的測量范圍廣，障礙定位更加準確。

圖5 語音控制電路圖Fig.5 Voice control circuit diagram

3 程序設計

系統軟件主要完成障礙的探測，距離的計算，和語音的提示功能[4]。其中主程序又包含了以下子程序，初始化子程序，超聲波的產生和接收子程序，計時與計算子程序，判斷子程序，語音錄入子程序其工作流程如圖6。在程序執行過程中，為了補償在同一方向上前方和腳下對同一個障礙的的誤差 （拐杖在前進過程中是傾斜使用的），故對于超聲波模塊2進行了距離補償20 cm。經過測試發現能很好地滿足要求。即使障礙物比較大，模塊1和模塊2同時都接收到了數據[5]，通過模塊的合理安裝和程序的精心設計仍可保持兩個模塊互不干擾，得到各自的精確數據。從而保證測量和判斷環境的準確性。

圖6 系統軟件流程Fig.6 Flow chart of system software

另外考慮到節約能源，在每次超聲波探測后都會進行停頓0.5 s，既可以很好的滿足設計要求又能節約能源，延長行駛距離。

4 拐杖的設計與安裝

圖7 拐杖裝配實物圖Fig.7 Crutches assembly physical map

由于盲人需要隨身攜帶導盲杖，為此，導盲杖的設計應輕巧實用。拐杖采用鋁合金或者不銹鋼的材質，內部中空，可折疊、可伸縮、質量輕，簡單便捷。采用兩種組合結構以滿足不同人的需要，一種內部用強力皮筋連接，分為多節可以折疊使用。另一種是多節，各節螺旋結構相連可伸縮，可以根據不同的身高和年齡段適當調整高度。手柄用傳統的貼合設計，各節結合部分附加強力彈簧在行走過程中亦可適當助力。外部用相對廉價的反光紙取代了警示燈，盲人不能分辨白天黑夜，市面上的光敏元件廉價的起不到節約的作用，效果好的對成本有影響，并且對于獨立拐杖來說電源是個寶貴的資源，經過夜間測試在有燈光的地方距離20 m以外均能發現拐杖的存在。提高了盲人夜間行走的安全性。

圖8 夜光效果圖Fig.8 Luminous effect chart

安裝：本設計為了得到正前方的詳細信息，采用了兩個超聲波傳感器，分別探測成年人在實際環境中腰部以上（超聲波模塊1）的障礙和膝蓋以下（超聲波模塊2）前方的的障礙。拐杖在實際應用中為傾斜使用，經過試驗后兩個模塊均水平向下傾斜30°附近安裝可基本滿足不同身高段的使用者要求，頂部盡量靠近手柄部分，底部的應距離底座5 cm以上，防止行走過程損壞設備。語音模塊在一側，迷你發生器在另一側，電源在背面，含有電池槽和固定設備。且主控模塊和語音部分均留有擴展接口，根據附帶的技術資料。便于有一定技術基礎的使用者根據自身實際情況調節產品，擴展性能。達到最佳效果。

5 結束語

經過一系列的實地測試，本設計能夠在規定安全距離內對碰到對正前方障礙物和腳前方凸起的路面進行語音提示，并且視情況給出不同的提示語音，夜間在有燈光的地方普通人能夠對拐杖做出準確識別，本設計幫助了盲人更好的適現代生活，切實保障了盲人在前進路上的人身安全。目前本設計只能含有漢語提示和檢測正前方的障礙，不能檢測地面深坑和左右環境情況，下一步主要會完善語音提示的種類模式選擇使其能夠面對不同的國家和語言種族都能使用，也會努力嵌入可以定位的GPS定位功能[6]，使盲人能夠隨時隨地的把自己的信息反饋給關心自己的人。

[1]趙天菲，馮爐，譚昭.導盲拐杖項目[J].中國科技信息，2013（14）:134.ZHAO Tian-fei，FENG Lu，TAN Zhao.Blind guide crutch project[J].China Science and Technology Information，2013（14）:134.

[2]吳麗華，杜衡吉.電子導盲拐杖的設計[J].科技創新導報，2011（22）:21.WU Li-hua，DU Heng-ji.Design of electronic guide stick[J].Science and Technology Innovation Herald，2011（22）:21.

[3]王茂森，符濤濤，戴勁松，等.新型生物聲納導盲系統的設計[J].計算機測量與控制，2013（5）:1273-1277.WANG Mao-sen，FU Tao-tao，DAI Jing-song，et al.New biosonar guidance system design[J].Computer Measurement&Control，2013（5）:1273-1277.

[4]孟祥薇，嚴錫君，歐陽星辰，等.基于超聲波傳感器的導盲杖設計[J].電子設計工程，2012（17）:11-14.MENG Xiang-wei，YAN Xi-jun，OUYANG Xing-chen，et al.Design of blind guiding crutch based on ultrasonic sensor[J].Electronic Design Engineering，2012（17）:11-14.

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[6]王麗麗.電子導盲儀的發展現狀與趨勢[J].甘肅科技，2012（3）:99-100.WANG Li-li.The present situation and development trend of the electronic guide device[J].Gansu Science and Technology，2012（3）:99-100.