基于單片機應用的智能拐杖設計

蔣逸飛 武汝劍 朱國杰 吳勇國

摘 要：單片機已經滲入人們生活的各個領域，很難找到哪些領域沒有單片機的痕跡。文章中設計的智能拐杖系統是由主控制器模塊、GSM模塊、SIM900A電路、GPS模塊電路、液晶顯示模塊、電源模塊組成的一個基于MSP430F149單片機，結合固定電話或移動通信的系統。通過手機短信可以查詢到老人現在所處的位置，同時設備也可以做到實時顯示定位，并且通過GSM技術將信息傳輸給主控制器，進行信息處理，做出正確的判斷。

關鍵詞：MSP430單片機；GSM；GPS；LCD1602；短信傳輸

中國從1999年開始，進入了老齡社會。中國政府高度重視和解決人口老齡化問題，積極發展老齡事業。然而，中國的人口老齡化問題所造成影響正在逐步體現出來。例如，老年人會因身體原因而摔倒，以及走失等一些問題。在大多數城市，每天各街道派出所都會接到老人走失的報警電話。此問題一方面花費了大量的人力物力，另一方面也對老年人的健康有著一定的影響。因此，本文提出了一個防走失拐杖的課題。圍繞此課題國內外尚沒有成體系的理論，但有許多類似的理論和成果，并且已經應用到實際生活當中去。進行這次課程設計的目的是希望能設計出一套比較完善的設計方案。

1 系統的功能分析及體系結構設計

1.1 系統總體結構

本設計的核心為單片機。除此之外，各有3個輸入輸出模塊。輸入模塊包含：電源以及降壓電路，按鍵電路，GPS模塊。輸出模塊包含GSM模塊、LCD液晶顯示模塊、LED燈電路（見圖1）。

1.2 系統設計思路及功能

本產品主要通過GPS模塊來實現定位功能，通過GSM模塊實現數據傳輸功能，通過液晶顯示模塊來實現位置信息的顯示，并通過電源對整個系統進行供電。初步確定的工作流程大致如下：在電源開關打開之后，液晶顯示屏上顯示經緯度信息，發送短信到指定的SIM卡上之后，可以得到實時的經緯度信息的回復短信。本設計中，整個電路由GPS芯片接收衛星發出的經緯度信息，經過處理器處理顯示在LCD顯示屏上。當接收到短信的信號時，將經緯度信息發送到發短信的手機上。

2 硬件電路的設計

2.1 主控芯片的設計

基于MSP430F149具有精簡指令集、超低功耗，可靠性高、功耗低、擴展靈活、體積小、價格低和使用方便等優點，我們選擇此型號的單片機作為此設計的核心板[1]。在系統中共有1種活動模式（Activity Mode，AM）和5種低功耗模式（LPM 0～LPM 4）。在等待方式下，耗電為 0.7 μA，在節電方式下，最低可達 0.1 μA 。本設計中需要外接的5 V移動電源進行供電，因此，基于MSP430f149超低功耗的特點，我們選用此芯片作為CPU部分，旨在使產品可以長時間地穩定工作。同時，基于MSP430的擁有通信模塊寄存器，我們可以以此來實現GSM短信通信電路。

2.2 GSM模塊電路

本系統選擇SIM800A模塊實現對系統的遠程短信信息交互。SIM800A是一款GSM/GPRS模塊，為SMT封裝。其主要的特點：性能穩定，外觀小巧，性價比高，只要插上SIM卡即可使用[2]。基于以上的特點，該GSM模塊使用起來非常的便捷。SIM800A工作頻率為GSM/GPRS 900/1 800 MHz，可以低功耗實現語音、SMS和數據信息的傳輸。SIM800A尺寸為24 mm×24 mm×3 mm，能適用于各種緊湊型產品設計需求。在此產品中，將單片機采集并處理后的經緯度數據通過UART端口傳送到GSM模塊，而后便可以發送到特定的手機號碼。

2.3 GPS模塊電路設計

本系統選擇NEO-6M GPS模塊對位置信息的獲取。BLOX-NEO-6M-0-001有50個通道的u-blox引擎，一百多萬個有效相關器，熱啟動和輔助啟動首次定位時間小于1 s[3]。-162 dBm的SuperSense捕獲和跟蹤靈敏度，具備KickStart功能，信號微弱時可實現加速啟動。支持AssistNow Online和AssistNow Offline等A-GPS服務。該型號的GPS模塊還包含了一個天線的部分。通過天線來接收衛星的信號，并加以處理來實現定位功能。此模塊在工作時，天線必須沒有遮擋。否則有可能會出現定位不成功或者是定位不準確的情況。

2.4 LCD1602顯示設計

我們的設計是要求本設計能實現在液晶屏幕上顯示經緯度的功能。因此，選擇1602型號的液晶。LCD1602液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區域進行控制，即可以顯示出圖形。相對于12864液晶，1602型號的液晶更加小巧，比較符合產品本身使用靈活簡便的特點。在本設計中，將液晶的引腳同主芯片的引腳對應相連，通過液晶驅動程序加以顯示，如圖2所示。

3 軟件設計

本設計用C語言作為匯編語言[4-5]。正常情況下，該設備處于待機狀態。當接收到短信時，指示燈閃爍，單片機執行中斷程序，將接收到的衛星信號轉化為定位信息，轉換完畢后將定位信息返回給單片機。MSP430F149將此信息通過GSM模塊以短信發送給特定手機。本設計中，液晶模塊每隔10 ms進行一次數據更新，將接收到的最新的GPS信號輸出在LCD1602屏幕上。

4 結語

在當下飛速發展的時代中，智能化以及物聯網的發展將是一種必然趨勢，該防走失拐杖用智能的手段很好地解決了老人走失的問題，針對日益嚴重的人口老齡化現象，做出了較好的應對方案。

[參考文獻]

[1]胡漢才.單片機原理及系統設計[M].北京：清華大學出版社，2002.

[2]孫寶元，楊寶清.傳感器及其應用手冊[M].北京：機械工業出版社，2005.

[3]趙小蘭，胡征，王培坤，等.多功能自行車碼表設計[J].電子測試，2013（10）：1-2.

[4]鄭人杰.計算機軟件測試技術[M].北京：清華大學出版社，1992.

[5]譚浩強.C程序設計[M].3版.北京：清華大學出版社，2005.