基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能導盲系統(tǒng)設計

摘 要：合理解決盲人的出行安全問題至關重要，對盲人出行提供一些輔助工具必不可少。本系統(tǒng)是一款以STC89C52單片機為中心，利用超聲波測距技術實現(xiàn)的智能超聲波導盲裝置。系統(tǒng)以單片機為主控裝置，超聲波傳感器通過發(fā)射超聲波信號對周圍障礙進行檢測，若出現(xiàn)異常情況，通過語音、振動、蜂鳴器對使用者進行警示，達到預警的效果。同時還具有在光線暗淡和晚上燈光不佳的環(huán)境進行燈光照明提醒路人的功能，來達到保護盲人的目的，很大程度上解決了盲人的出行安全問題，給盲人的生命安全提供保障。

關鍵詞：單片機技術；超聲波傳感器；語音模塊；智能導盲；語音提醒；振動提示

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-00-03

0 引 言

中國是世界上盲人數(shù)量較多的幾個國家之一，同時盲人的日常出行和他們的生活生存問題也一直是我國較為重視的民生問題，一直受到國家和政府的高度重視。根據(jù)國家有關部門統(tǒng)計，中國約有500萬盲人，占世界盲人人口的18%[1]。面對弱勢群體，國家建立了出行所需的盲道，但交通工具亂放占據(jù)盲道，對盲人出行安全造成了很大的影響。因此，設計一種集簡單便攜、成本低廉、方向性強、對障礙物定位精確等特點于一身的設備，將會很大程度上解決盲人出行不安全的問題。

本超聲波導盲系統(tǒng)通過超聲波對周圍障礙物進行探測并通過振動、蜂鳴器和語音對盲人進行提醒，以保障其安全。超聲波導盲系統(tǒng)的設計在一定程度上解決了盲人的出行安全問題，也在一定程度上減少了國家的負擔和支出，成本低且實用性強，因此設計和研發(fā)該導盲系統(tǒng)很有必要。

1 系統(tǒng)總體設計方案

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能如下：

（1）當超聲波傳感器檢測到前方有障礙物時，蜂鳴器通過響動來提醒盲人；

（2）隨著距離的縮短，振動模塊開始振動，同時蜂鳴頻率增大；

（3）當距離特別近時，振動器振動強度逐漸增強；

（4）當距離達到0.5 m時進行語音播報，提醒盲人躲避危險；

（5）天黑或者光線暗淡時，LED燈自動開啟，提醒路人不要撞到盲人，對盲人及時避讓。

智能導盲器的系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

硬件的主要控制芯片是單片機STC89C52，它有32個接口，與超聲波測距模塊等組成一個整體。通過C語言編程，實現(xiàn)對硬件的邏輯控制與導盲器的功能。本系統(tǒng)采用STC系列單片機是因為其擁有低成本、高性能、產(chǎn)品體積小和功耗較低等優(yōu)點[2]。同時，系統(tǒng)的硬件部分包含最小系統(tǒng)、超聲波測距模塊、語音模塊等。

2.1 主控模塊

STC89C52單片機是由程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、微處理器、輸出輸入口、串行口、計時器/定時器、中斷系統(tǒng)和A/D轉(zhuǎn)換器組成。它是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有可編程FLASH存儲器。STC89C52有40個引腳和片內(nèi)程序存儲器、隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出口，6個中斷優(yōu)先級，2個可編程UART串行通道，2個具有3級加密位的讀寫中斷口線，3個16位可編程定時/計數(shù)器，其內(nèi)部還具備看門狗功能[3]。主電源引腳分為電源正負極連接電源；STC89C52單片機共有4組8位可編程輸入/輸出端口，分別是P0、P1、P2、P3端口。主控模塊電路如圖2所示。

2.2 超聲波測距模塊

超聲波對周圍環(huán)境具有較強的抗干擾能力，因為具備較強的穿透性所以在惡劣天氣中能夠正常工作，故將超聲波模塊作為首要考慮目標。模塊的有效測量距離為

2～400 cm，由超聲波發(fā)射器、接收器和控制器組成，距離測量精度為±3 mm[4]；該模塊有4個引腳，1引腳和4引腳分別接5 V電源和地，2引腳是觸發(fā)信號的輸入端，3引腳是回響信號的輸出端。共有3個超聲波模塊M1～M3，它們的2引腳和3引腳分別接在單片機的P22～P27口。當單片機發(fā)送一個10 μs的高電平脈沖給超聲波模塊的輸入端TRIG后，單片機內(nèi)部定時器清零。當超聲波傳感器的輸出端ECHO為高電平時，單片機內(nèi)部定時器開始工作；當輸出端ECHO變?yōu)榈碗娖綍r，定時器結束工作，通過讀取定時器T0的時間算出測量距離。超聲波測距模塊電路如圖3所示（M1左方、M2前方、M3右方）。

2.3 語音模塊

語音模塊采用WT588D作為播報模塊， WT588D的3引腳、4引腳是PWM輸出端口，直接可以驅(qū)動小功率喇叭（0.5 W/8 Ω）；8引腳與電源負極相連；10～12引腳是觸發(fā)端，它們與單片機的P14、P15、P16相連，其中14引腳和16引腳與3.3 V電源相連。

2.4 光線檢測模塊

光線檢測模塊主要是對外界光線進行感知，對測量結果進行預處理。模塊M4（MH-B光線傳感器）作為光線檢測模塊，當光線被模塊檢測到時，輸出端1引腳低電平，信號傳輸?shù)竭_單片機P02口，由軟件對指示燈亮滅進行控制。

2.5 蜂鳴器和振動器模塊

蜂鳴器是一體化結構的電子訊響器，電源接通時蜂鳴器鳴響，其被廣泛使用在計算機、報警器和打印機等器械作為發(fā)聲裝置。直流電源輸入通過振蕩系統(tǒng)的放大取樣電路，在諧振裝置工作后產(chǎn)生聲音信號。

振動器的工作部分是棒狀空心圓柱體，內(nèi)部裝有偏心振子，通過電動機帶動高速轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生高頻微幅振動，體積較小，占用面積小，具有較長使用時間。

2.6 驅(qū)動電路設計

驅(qū)動電路分為指示電路與電機驅(qū)動電路：當單片機發(fā)出亮燈信號時，P07為低電平，當發(fā)光二極管被D1點亮時，單片機發(fā)出振動信號，P37為低電平，三極管Q1導通，電機得電旋轉(zhuǎn)。

2.7 電源電路設計

電路使用2種電源，+5 V電源為整個電路供電。另外還有一個語音電路使用+3.3 V電源，通過三端集成穩(wěn)壓器ASM1117-3.3為語音芯片提供3.3 V電壓。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)通過代碼的編寫實現(xiàn)預期所要的功能。通過主程序?qū)Ω髯映绦蜻M行控制調(diào)用，通過系統(tǒng)代碼的編寫達成預期目標，通過C語言編寫程序，通過單片機完成燒寫和組網(wǎng)調(diào)

試[5]。系統(tǒng)程序的編寫采用整體化結構編程方式，具有結構清晰、方便修改等優(yōu)點。

主程序的功能是先對系統(tǒng)進行初始化，對各寄存器進行初始值的寫入，然后根據(jù)其當前狀態(tài)，通過操作對應的子程序?qū)ο到y(tǒng)進行控制。系統(tǒng)接入電源，等待內(nèi)部電流穩(wěn)定后，各功能模塊完成初始化操作。當檢測到障礙物后，蜂鳴器和振動模塊開始工作。當光線暗淡時，指示燈工作提供燈光照明。當超聲波檢測器的測量距離到達0.5 m的測量范圍后，語音播報系統(tǒng)播放設定的聲音，同時蜂鳴器鳴響，振動模塊振動幅度加大，當超出0.5 m范圍后語音播報停止，超出探測范圍后蜂鳴器和振動模塊停止工作[6-8]。

通過對各模塊的程序進行編寫和燒錄實現(xiàn)所需功能。對超聲波測距模塊編寫程序?qū)崿F(xiàn)對有效測量距離內(nèi)對障礙物的檢測，從而達到對障礙物探測的目的。對語言模塊編寫程序?qū)崿F(xiàn)設定警戒距離時語音播報和提醒功能。對光線模塊編寫程序?qū)崿F(xiàn)外界光線變暗或者黑夜進行發(fā)光提示等功能。通過單片機作為傳感器的載體更有利于使各功能一體化。關鍵代碼如下所示：

isp_contr=isp_contr|0x81; // 0x80 if SYSCLKlt;40 MHz， 0x81 if SYSCLKlt;20 MHz

isp_cmd=0x01;//送讀數(shù)據(jù)命令

isp_trig=0x46;

isp_trig=0xb9;//觸發(fā)寄存器

for（i=0;ilt;3;i++）;

isp_contr=0x00;

isp_cmd" =0x00;

isp_trig =0x00;

isp_addrl=0x0;

isp_addrh=0x0;

z=isp_data;

return（z）;

}

void eeprominit（void）

{

unsigned char test;

test=eepromRead（0x2020）;

while（test==0xff）;

}

4 測試分析

綜合考慮在系統(tǒng)調(diào)試方面采用實物驗證判斷能否達到預期目標，若達到則說明軟硬件的設計是成功的。具體測試步驟如下：

（1）為實物接通電源。

（2）分別在左側、右側、前方2 m范圍內(nèi)放置障礙物，檢測蜂鳴器是否鳴響。

（3）分別在左側、右側、前方0.5 m范圍內(nèi)放置障礙物，判斷語音播報模塊是否能夠進行預定的語音提醒，振動模塊是否正常工作。

（4）將實物放入光線暗淡或者黑暗環(huán)境中，測試LED燈是否正常開啟。

經(jīng)過反復調(diào)試，當電源接通后3個超聲波傳感器分別對前方、左方和右方進行障礙檢測測試，喇叭分別播報“前方有障礙”“左側有障礙”“右側有障礙”；當用手遮擋感應口來模擬光線不足的環(huán)境時，導盲器的指示燈可以正常工作，能夠標識盲人位置，保障盲人的安全，降低事故發(fā)生的概率。通過實物驗證，證明設計的器材可滿足預期[9-10]。硬件測試如圖4所示。

5 結 語

本文主要設計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能聲波導盲系統(tǒng)。文中首先對盲人當前情況進行了簡單敘述，接著對超聲波技術進行了簡單講述，通過需求分析完成系統(tǒng)的總體設計，主要對單片機模塊、超聲波模塊、光線檢測模塊、語音模塊和電源設計等進行簡單描述。經(jīng)驗證，系統(tǒng)能夠達到預期目標，具有良好的社會效益和較大的經(jīng)濟效益。

參考文獻

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