楊 琳，廖鉉泓

基于STC8A8K單片機的簡易導盲產(chǎn)品優(yōu)化設計

楊 琳，廖鉉泓

（東北大學 電子國家級實驗教學示范中心，遼寧 沈陽 110819）

設計了一款簡易實用且價格低廉導盲產(chǎn)品，旨在幫助視障人士更加方便地出行。該產(chǎn)品以STC8A8K單片機為核心，包含導盲手杖與提示手環(huán)兩部分，擁有立體障礙識別、環(huán)境光檢測、振動提示、語音提示以及手杖找回等功能，滿足盲人日常自主出行的需要。該文從機械結構、硬件組成及功能設置3個角度，詳細介紹導盲產(chǎn)品的設計理念及測試效果。

導盲產(chǎn)品；STC8A8K單片機；超聲波

盲人出行主要依靠一些公共導盲設施如盲道，以及一些個人的導盲手杖。盲道也有隱患，如一些盲道可能因工程或修路而被破壞或被占用。葉佳君于2016年為盲人設計了一種移動導向裝置[1]；以單片機為內(nèi)核的導盲手杖也有多款[2]，杜傳晶于2017年基于52微控制器設計了導盲報警手杖[3]；董冠廷于2018年基于異構計算機和深度學習設計了導盲系統(tǒng)[4]；齊澤宇于2018年基于STM32和GPS技術設計了一種導盲杖[5]，但這些產(chǎn)品實現(xiàn)復雜、價格昂貴，體積較大。

從生理學、心理學、社會學的角度，根據(jù)盲人需求，本文在研究了國內(nèi)外各種導盲產(chǎn)品基礎之上，提出了一款基于STC8A8K單片機的簡易導盲設備。

1 導盲杖的設計

通過研究發(fā)現(xiàn)，盲人的需求主要包括：（1）對于靜止物體的識別和規(guī)避；（2）對于鏤空結構的識別和規(guī)避；（3）對于凹陷地面的識別和規(guī)避。此外，盲人更樂意導盲手杖中配備接觸提示功能，而不是語音提示功能，除非有重大狀況發(fā)生（如前方路面出現(xiàn)忽然凹陷），盲人更傾向于接觸式信息而非聽覺信息。盲人在日常生活中，主要依靠接觸和聽覺進行定位。

1.1 機械結構設計

導盲杖的機械結構[6]見圖1，主要有：

（1）鋁型材機架。鋁型材強度高、重量輕，能使導盲杖更具實用性。導盲杖的把手嵌入振動電機，以提醒盲人障礙方位。

（2）超聲波傳感器。一共使用4個超聲波模塊，分別用于掃描手杖的左前方、右前方、前上方和前下方，分別檢測左前方障礙右前方障礙、上方鏤空障礙以及下方的坑道障礙。

（3）底盤，底盤由覆銅板構成，輕便、結實。底盤底部裝有3個全向輪，保持與地面近似水平。手杖在二維平面中可沿任何方式平動和轉動，很靈活。

圖1 手杖機械三維圖

輔助導盲杖的附件有如圖2所示的手環(huán)。手環(huán)直徑為50 mm，用鋁殼制成，表面有一按鈕，用作電源開關以及觸發(fā)相應任務指令。

1.2 硬件和電路設計

硬件主要包括主控板、振動電機、光敏傳感器、藍牙、揚聲器等。手杖和手環(huán)上使用的單片機均為STC8A8K LQFP64單片機，電路圖見圖3與圖4。

圖2 手環(huán)三維圖

導盲設備最重要的是提醒功能，在該產(chǎn)品中，使用超聲波模塊、振動電機、通信模塊、語音模塊以及STC8A8K單片機來實現(xiàn)這一功能。

HCSR04超聲波模塊是通過返回高電平的時間來反映位置信息，因此對于電平的上升沿和下降沿的檢測很重要。STC8A8K單片機內(nèi)部擁有多個外部中斷觸發(fā)源，因此可以充分利用該單片機的外部觸發(fā)中斷源來檢測，減少測距延遲，從而保證測距的相對準確。

手杖上搭載的4個超聲波模塊分別對應著手柄上的4個振動電機。4個電機通過P溝道MOS管直接與電源相連。將單片機的4個I/O口接到MOS管的柵極上，并配置成強推挽輸出模式，只需將I/O口拉低，即可控制MOS管接通，讓電機振動。4個電機分別貼在手杖的前后左右，提醒盲人障礙物的具體方位。

圖3 手杖電路原理圖

圖4 手環(huán)電路原理圖

手杖上還搭載由光敏電阻和單片機ADC組成光敏傳感器，用以檢測外界環(huán)境光。

通信模塊用于手杖調(diào)試數(shù)據(jù)的返回以及與手環(huán)的互聯(lián)。手環(huán)上設置揚聲器與按鍵輸入。接收到來自手杖的不同信號后，通過揚聲器播報相應的消息；通過手環(huán)上的按鍵，可以主動請求與手杖進行通信。

1.3 功能設計

手杖上檢測模塊由4個超聲波模塊和4個振動電機構成，兩者一一對應。振動電機在振動手柄上的安裝位置與超聲波模塊檢測的方位相對應地排布在手柄的上下左右。當對應的超聲波模塊檢測到前方有異常情況時，對應的電機將會發(fā)生振動，提示盲人進行躲避。

傳統(tǒng)的超聲波測距公式為

式中，為測量的距離，為超聲波來回傳播的時間。

由于超聲波的傳播速度容易受到溫度的影響，進行溫度補償[7]如下：

式中為溫度。上式為單超聲波探頭測距的原理公式。

超聲波具有穿透力強、方向性好，攜帶信息量大的特點，近年來被廣泛用于無人機的測距定高和智能車的障礙規(guī)避等短距離測距領域中[8-10]。從穩(wěn)定性看，與紅外測距相比，超聲波在短距離測距中不容易受到外界光學因素的影響；成本上，超聲波較激光等高精度光學測距儀器成本更低[11]。

為避免超聲波探頭之間相互干擾，采用輪詢測距的方式[12]，即每個超聲波傳感器的采樣時間間隔約為40 ms。對于4個探頭而言，每個控制周期為160 ms，與人的反應時間相當。檢測前方、左側和右側的3個超聲波模塊呈扇狀安裝，如圖5所示。

圖5 超聲波模塊工作原理圖

該導盲設備配備較為齊全的提示功能。手杖上的提示功能主要由振動電機、蜂鳴器和LED燈帶完成。其中，振動電機用于提示障礙物位置；蜂鳴器用于預防盲人遺失手杖的情況，與手環(huán)聯(lián)動后，可幫助通過聲音信息提醒盲人手杖的位置；LED燈帶主要用于夜間或環(huán)境漆黑的時候，提醒路人，讓路人和車輛主動規(guī)避以免撞到盲人。

手杖通過低功耗藍牙與手環(huán)的單片機進行串口通信。正常狀態(tài)下，手杖處于工作模式。當各傳感器數(shù)值在1 min內(nèi)未發(fā)生明顯變化時，系統(tǒng)將處于休眠狀態(tài)。若檢測到串口電平波動，則系統(tǒng)將被喚醒。

與手杖配套的手環(huán)上，裝有語音提示模塊。當出現(xiàn)如下異常情況時，語音模塊將進行播報：

（1）當置于手杖上的光敏傳感器檢測到環(huán)境光發(fā)生較大變化時（比如入夜），手環(huán)將播報“天黑，請注意”。

（2）當前方偏下超聲波模塊檢測到坑道時，播報“前方有坑道，請注意”。

（3）當左前、右前以及正前方的超聲波探頭均檢測到障礙物時，播報“前方路不通”。

（4）如盲人需要尋找手杖時，可主動點擊手環(huán)表面的按鍵，讓手杖上的蜂鳴器響起，通過聲音提醒盲人手杖所在的位置。

在正常狀態(tài)下，手環(huán)處于休眠模式，節(jié)約電能，當串口出現(xiàn)電平波動，或按鍵觸發(fā)單片機外部中斷時，手環(huán)被喚醒，接收串口信息，完成相應任務。

該導盲設備根據(jù)圖6所示的功能流程，實現(xiàn)障礙物的檢測與提示功能。

圖6 主程序流程圖

2 測試結果

實地測試路線示意圖見圖7。測試表明，該設備能較為準確地檢測出前方、左側、右側的障礙物。對于坑道的檢測，在較為粗糙的地面上（如街道）進行測試時，效果良好；在光滑的地面上，由于地面具有較強的聲波散射作用，測試效果不佳。手環(huán)能準確播報外界環(huán)境信息，并能與手杖建立起穩(wěn)定的通信，幫助盲人找回手杖。該產(chǎn)品具備較好的障礙檢測能力，能幫助盲人在戶外探測障礙物，并能直觀地告訴盲人障礙物的位置，但在室內(nèi)有一定的局限性。

圖7 測試路線示意圖

3 結語

本產(chǎn)品在設計之初，就先對盲人群體進行了實地調(diào)研，使本產(chǎn)品的功能更具有針對性和實用性。值得一提的是，該產(chǎn)品不僅注重對盲人的提醒功能，同時還具有對路人的提醒功能，可以在環(huán)境昏暗時，引導車輛或行人主動避開盲人。本產(chǎn)品所使用的各功能模塊價格低廉、容易獲取。

[1] 葉佳君.盲人定向行動輔具設計[D].北京：北京理工大學，2016.

[2] 李筱雅，高寒，張璐璐，等.基于單片機的超聲波導盲系統(tǒng)[J].電子世界，2016(7): 123–124.

[3] 杜傳晶，李莉.基于52單片機的導盲避障報警手杖[J].山東工業(yè)技術，2017(7): 226.

[4] 董冠廷，胡昊迪，吳澤琨，等.基于異構計算與深度學習的導盲系統(tǒng)設計[J].電子技術與軟件工程，2018(14): 101–102.

[5] 齊澤宇，郝兆明，安超，等.基于STM32微處理器及GPS的智能導盲手杖的設計[J].電子世界，2018(11): 151–152.

[6] 韋錦，孫玉璽，蒙艷玫，等.非完整約束移動機器人綜合實驗平臺研發(fā)與應用[J].實驗技術與管理，2017, 34(1): 74–78.

[7] 蘭羽.具有溫度補償功能的超聲波測距系統(tǒng)設計[J].電子測量技術，2013, 36(2): 85–87.

[8] 林書玉.超聲技術的基石：超聲換能器的原理及設計[J].物理，2009, 38(3): 141–147.

[9] 方仁杰，朱維兵.基于GPS定位與超聲波導盲拐杖的設計[J].計算機測量與控制, 2011(15): 1154–1157.

[10] 陳玉萍，盧先領.基于SN8P2501單片機智能導盲系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術，2011, 7(33): 8288–8290.

[11] 呂杰.超聲波導盲手杖的原理與設計[J].研究簡報，1991, 11(6): 31–32.

[12] 楊志江，鄭昆，耿春明，等.基于RS--485總線的多路超聲波傳感器測距系統(tǒng)設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2018, 37(12): 79–82.

Optimum design of simple blind guiding products based on STC8A8K SCM

YANG Lin, LIAO Xuanhong

(National Electronic Experimental Teaching Demonstration Center, Northeast University, Shenyang 110819, China)

A simple, practical and inexpensive guide product is proposed to help visually impaired people to travel more conveniently. This product is based on STC8A8K SCM, which includes two parts of the guided walking stick and hint bracelet. It has the functions of stereo obstacle recognition, ambient light detection, vibration hint, voice hint and walking stick retrieving, and meets the daily needs of blind people to travel independently. This paper introduces in detail the design concept and test effect of the guide product from three angles of mechanical structure, hardware composition and function settings.

blind guiding product; STC8A8K SCM; ultrasonic wave

TB553; TP368.1

A

1002-4956(2019)12-0081-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.019

2019-05-22

國家自然科學基金面上項目（61473072）

楊琳（1961—），女，河南洛陽，本科，高級工程師，主要從事微控制器技術實驗教學與實驗室建設研究。E-mail: yanglin@ise.neu.edu.cn