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摘 要：文章设计了便于老人、盲人、智障人士等特殊群体出行使用，便于家人监护和寻找的一种多功能智能导盲拐杖。系统以STC系列单片机为主要控制中心，采用超声波传感器检测4米内的障碍物，并通过舵机来控制测距的角度，使之可以实现多方向测距；采用语音和震动两种方式来提示使用者及时躲避障碍物；另外，在系统中加入GPS模块，能确保监护人在使用者遇到突发状况的第一时间知晓使用者所处的位置，对特殊人群的出行提供切实有效的帮助。
关键词：单片机；智能；拐杖；GPS
中图分类号：U666.12+3 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）24-0006-03
我国是世界上人口最多的国家，盲人、老人等特殊群体数量尤为庞大。伴随着社会文明的不断发展，老人、盲人、智障人士等群体的一些特殊需求也赢得全社会的广泛关注。目前，市场上导盲拐杖的需求越来越多，它不仅适合盲人也适用于年迈的老人或者其他特殊人群。现如今，国内外已有许多盲人在使用导盲犬进行外出引路，但培训导盲犬有着难度大、时间长、成本高等一系列问题[1]。同时普通的拐杖仍存在着诸如：迷路时无法准确定位， 家人很难寻找等问题。本文中充分结合电力电子技术、通讯技术以及相关的机械结构创新，设计研发了一款基于GPRS的智能导盲拐杖系统。
1 总体方案设计
智能导盲拐杖的使用者一般有着动作缓慢、应急能力差等特点。在设计整个导盲拐杖时应追求结构简单，利于操作，便于随身携带等优势。智能导盲拐杖总体结构，如图1所示。
系统中硬件电路主要包括超声波测距模块、GPRS/GPS定位模块、警示灯和语言录放模块等；软件部分包括处理GPS信号、发送GPS坐标以及超声波测距等功能程序。
2 GPS定位模块
本设计系统采用包括GPRS 模块，STC系列单片机，GPS定位模块，适合于利用单片机开发远程数据传输、智能家居、远程开关、短信群发系统以及GPS跟踪定位防盗等。
GPS定位系统主要有三部分组成：GPS空间部分、地基监控站部分和GPS用户接收机部分[2]。本文中设计使用的GPS定位模块为u-blox公司的NEO-5Q主芯片，该型号芯片采用ROM为基础架构，具有成本低，体积小的特点，符合众多应用系统。GPS定位模块的电路图，如图2所示，其中，20引脚外接TXD1，发送GPS数据信息；21引脚外接RXD1，接收GPS数据信息。另外该型号芯片采用最新的KickStart微弱信号攫取技术，能确保采用此模组的设备具有最佳的初始定位性能并进行快速定位的优点[3]。
3 语音录放模块
ISD1420是美国ISD公司出品的新型单片优质语音录放芯片，该芯片具有地址模式和操作模式两种模式。语言录放电路，如图3所示，在设计系统中，录音功能和播放功能采用同一个电路，因此需要修改地址线的位置和PLAYE的位置来实现不同的功能。
录音时，A0-A7引脚接实验箱的开关口，作为录音地址，REC引脚接按键作为录音按钮。录音时一直保持低电平，PLAYE引脚接按键作为放音按钮，14与15引脚之间外接一个播音喇叭。放音时，A0-A7接单片机的P2口作为地址输入，PLAYE引脚接单片机的P1.5作为放音触发端。
4 超声波测距模块
对于盲人而言，如何及时的躲避掉道路前面的路障显得尤为重要。正常成年人的行走速度为1.5 m/s，反应时间为0.15 ～0.4 s，按照人的最慢反应时间来算，从人感知到前方障碍物到停止前进，依然还要行进0.6 m，而盲人的行走速度要低于正常人的，由此设定障碍物探测距离为1 m[4]。
超聲波测距模块包括超声波发射器、接收器和控制电路3个组成部分。系统采用HC-SR04型号芯片，该芯片测距精度可高达3 mm，可提供2 ～400 cm的非接触式距离感测功能[5-7]。超声波传感器的时序图，如图4所示。
时序图表明单片机提供一个10 us以上脉冲触发信号，该模块内部将循环发出8个40 kHz脉冲电平并检测回波，一旦检测到有回波信号则输出回响信号[5]。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比，由此通过发射信号收到的回响信号时间间隔计算所测距离。本设计系统中，测量周期设为60 ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响[6-8]。测量距离公式如下：
X=■（1）
式中，X为测量距离，T为高电平时间，V为声速；
根据实际测量结果，超声波传感器测量距离与实际测量的距离的比较，见表1。
超声波测距模块，如图5所示，VCC引脚外接5 V电源，GND 接地，TRIG为触发信号输入，ECHO为回响信号模块输出。在本设计系统中使用三个超声波传感器，可分别测量三个方向上障碍物的距离，六个引脚分别接在P1.0～P1.5口。
5 系统软件设计
本文中拐杖的智能导盲功能需要实时的测量出距离障碍物的距离，系统中单片机通过控制超声波传感器得到障碍物距离拐杖的距离，并在数码管上面显示。单片机分析该距离，若距离小于设定值时，系统通过语言录放模块发出语音警报。当遇到特殊情况时，使用者按下按钮。单片机检测到外部有按钮按下时，系统进入中断，此时开启GPS定位模块并及时发送求救信息。
在本系统中测距功能主要是通过测距子程序来实现，分别测量三个方向上的障碍物距离，及时做出相应的操作提示，超声波测距程序框图，如图6所示。
在测距子程序中，变量i定义为测距4 m时所需要的时间，防止障碍物距离大于4 m，超声波无法检测时进入死循环。首先拉低脉冲输入引脚，对定时器进行初始化。然后给脉冲输入端一个大于10 us的脉冲信号，触发超声波测距模块工作，等待回波信号，并对i减法计数。若有回波信号，并且i的值还大于0，说明前方4米之内有障碍物。开启定时器计时，直到回波信号变成低电平，关闭定时器，取出定时器的值[10]。通过公式（1），计算得出此时障碍物与使用者之间的距离，将此数值返回主程序。
6 结 语
结合以上思路，设计制作出智能导盲拐杖的样品。本文是基于GPS的智能导盲拐杖设计，并采用GSM模块实现与手机的通讯，具有切实可行的现实应用价值，系统概括起来具有如下特点：
①实现多方向自动测距和障碍物提示，操作方便，在嘈杂的环境中还可通过振动来提示使用者注意避障。
②添加了时钟，能整点报时，使用者可以随时掌握时间。
③到突发情况时，可及时定位并发送求救信息。
参考文献：
[1] 方任杰，朱维兵.基于GPS定位与超声波导盲拐杖的设计[J].计算机测 量与控制，2011，（5）.
[2] 常薇，任一峰.软件GPS接收机关键技术研究[J].山西电子技术，
2006，（05）.
[3] 郭晓丹.道路运输安全监控车载终端的设计与实现[D].哈尔滨：东北大 学，2011.
[4] 赵晓东，孙运强，姚爱琴.超声波导盲杖的设计[J].山西电子技术，2011，
（05）.
[5] 李媛媛，张强，黄敏捷，等.基于超声波测距的车辆音量调节系统[J].实验 室研究与探索，2013，（3）.
[6] 施超，陈爱华，杨本全.基于C8051F020的高精度超声波测距系统设计 [J].电子科技，2012，（16）.
[7] 谭宝成，马腾.基于超声波测距的泊车引导系统的研究[J].电子设计工 程，2015（18）.
[8] 李金彤.基于51单片机的数字化无载波报警系统[J].电子世界，2014，
（12）.
[9] 李娜.基于MCU的智能定位报警拐杖研究[J].电子设计工程，2012，（8）.
[10] 李鹏飞.LPC2103和SI4432的无线通信系统设计[J].单片机与嵌入式 系统应用，2014，（02）.
[11] 刘国传，陆琳，侯明，王天星.智能化盲人超声拐杖的研制[J].医疗装备，
2007，（03）.
[12] 张应和.基于Wi-Fi智能车远程测距装置结构设计与研究[J].机电一 体化，2013.
关键词：单片机；智能；拐杖；GPS
中图分类号：U666.12+3 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）24-0006-03
我国是世界上人口最多的国家，盲人、老人等特殊群体数量尤为庞大。伴随着社会文明的不断发展，老人、盲人、智障人士等群体的一些特殊需求也赢得全社会的广泛关注。目前，市场上导盲拐杖的需求越来越多，它不仅适合盲人也适用于年迈的老人或者其他特殊人群。现如今，国内外已有许多盲人在使用导盲犬进行外出引路，但培训导盲犬有着难度大、时间长、成本高等一系列问题[1]。同时普通的拐杖仍存在着诸如：迷路时无法准确定位， 家人很难寻找等问题。本文中充分结合电力电子技术、通讯技术以及相关的机械结构创新，设计研发了一款基于GPRS的智能导盲拐杖系统。
1 总体方案设计
智能导盲拐杖的使用者一般有着动作缓慢、应急能力差等特点。在设计整个导盲拐杖时应追求结构简单，利于操作，便于随身携带等优势。智能导盲拐杖总体结构，如图1所示。
系统中硬件电路主要包括超声波测距模块、GPRS/GPS定位模块、警示灯和语言录放模块等；软件部分包括处理GPS信号、发送GPS坐标以及超声波测距等功能程序。
2 GPS定位模块
本设计系统采用包括GPRS 模块，STC系列单片机，GPS定位模块，适合于利用单片机开发远程数据传输、智能家居、远程开关、短信群发系统以及GPS跟踪定位防盗等。
GPS定位系统主要有三部分组成：GPS空间部分、地基监控站部分和GPS用户接收机部分[2]。本文中设计使用的GPS定位模块为u-blox公司的NEO-5Q主芯片，该型号芯片采用ROM为基础架构，具有成本低，体积小的特点，符合众多应用系统。GPS定位模块的电路图，如图2所示，其中，20引脚外接TXD1，发送GPS数据信息；21引脚外接RXD1，接收GPS数据信息。另外该型号芯片采用最新的KickStart微弱信号攫取技术，能确保采用此模组的设备具有最佳的初始定位性能并进行快速定位的优点[3]。
3 语音录放模块
ISD1420是美国ISD公司出品的新型单片优质语音录放芯片，该芯片具有地址模式和操作模式两种模式。语言录放电路，如图3所示，在设计系统中，录音功能和播放功能采用同一个电路，因此需要修改地址线的位置和PLAYE的位置来实现不同的功能。
录音时，A0-A7引脚接实验箱的开关口，作为录音地址，REC引脚接按键作为录音按钮。录音时一直保持低电平，PLAYE引脚接按键作为放音按钮，14与15引脚之间外接一个播音喇叭。放音时，A0-A7接单片机的P2口作为地址输入，PLAYE引脚接单片机的P1.5作为放音触发端。
4 超声波测距模块
对于盲人而言，如何及时的躲避掉道路前面的路障显得尤为重要。正常成年人的行走速度为1.5 m/s，反应时间为0.15 ～0.4 s，按照人的最慢反应时间来算，从人感知到前方障碍物到停止前进，依然还要行进0.6 m，而盲人的行走速度要低于正常人的，由此设定障碍物探测距离为1 m[4]。
超聲波测距模块包括超声波发射器、接收器和控制电路3个组成部分。系统采用HC-SR04型号芯片，该芯片测距精度可高达3 mm，可提供2 ～400 cm的非接触式距离感测功能[5-7]。超声波传感器的时序图，如图4所示。
时序图表明单片机提供一个10 us以上脉冲触发信号，该模块内部将循环发出8个40 kHz脉冲电平并检测回波，一旦检测到有回波信号则输出回响信号[5]。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比，由此通过发射信号收到的回响信号时间间隔计算所测距离。本设计系统中，测量周期设为60 ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响[6-8]。测量距离公式如下：
X=■（1）
式中，X为测量距离，T为高电平时间，V为声速；
根据实际测量结果，超声波传感器测量距离与实际测量的距离的比较，见表1。
超声波测距模块，如图5所示，VCC引脚外接5 V电源，GND 接地，TRIG为触发信号输入，ECHO为回响信号模块输出。在本设计系统中使用三个超声波传感器，可分别测量三个方向上障碍物的距离，六个引脚分别接在P1.0～P1.5口。
5 系统软件设计
本文中拐杖的智能导盲功能需要实时的测量出距离障碍物的距离，系统中单片机通过控制超声波传感器得到障碍物距离拐杖的距离，并在数码管上面显示。单片机分析该距离，若距离小于设定值时，系统通过语言录放模块发出语音警报。当遇到特殊情况时，使用者按下按钮。单片机检测到外部有按钮按下时，系统进入中断，此时开启GPS定位模块并及时发送求救信息。
在本系统中测距功能主要是通过测距子程序来实现，分别测量三个方向上的障碍物距离，及时做出相应的操作提示，超声波测距程序框图，如图6所示。
在测距子程序中，变量i定义为测距4 m时所需要的时间，防止障碍物距离大于4 m，超声波无法检测时进入死循环。首先拉低脉冲输入引脚，对定时器进行初始化。然后给脉冲输入端一个大于10 us的脉冲信号，触发超声波测距模块工作，等待回波信号，并对i减法计数。若有回波信号，并且i的值还大于0，说明前方4米之内有障碍物。开启定时器计时，直到回波信号变成低电平，关闭定时器，取出定时器的值[10]。通过公式（1），计算得出此时障碍物与使用者之间的距离，将此数值返回主程序。
6 结 语
结合以上思路，设计制作出智能导盲拐杖的样品。本文是基于GPS的智能导盲拐杖设计，并采用GSM模块实现与手机的通讯，具有切实可行的现实应用价值，系统概括起来具有如下特点：
①实现多方向自动测距和障碍物提示，操作方便，在嘈杂的环境中还可通过振动来提示使用者注意避障。
②添加了时钟，能整点报时，使用者可以随时掌握时间。
③到突发情况时，可及时定位并发送求救信息。
参考文献：
[1] 方任杰，朱维兵.基于GPS定位与超声波导盲拐杖的设计[J].计算机测 量与控制，2011，（5）.
[2] 常薇，任一峰.软件GPS接收机关键技术研究[J].山西电子技术，
2006，（05）.
[3] 郭晓丹.道路运输安全监控车载终端的设计与实现[D].哈尔滨：东北大 学，2011.
[4] 赵晓东，孙运强，姚爱琴.超声波导盲杖的设计[J].山西电子技术，2011，
（05）.
[5] 李媛媛，张强，黄敏捷，等.基于超声波测距的车辆音量调节系统[J].实验 室研究与探索，2013，（3）.
[6] 施超，陈爱华，杨本全.基于C8051F020的高精度超声波测距系统设计 [J].电子科技，2012，（16）.
[7] 谭宝成，马腾.基于超声波测距的泊车引导系统的研究[J].电子设计工 程，2015（18）.
[8] 李金彤.基于51单片机的数字化无载波报警系统[J].电子世界，2014，
（12）.
[9] 李娜.基于MCU的智能定位报警拐杖研究[J].电子设计工程，2012，（8）.
[10] 李鹏飞.LPC2103和SI4432的无线通信系统设计[J].单片机与嵌入式 系统应用，2014，（02）.
[11] 刘国传，陆琳，侯明，王天星.智能化盲人超声拐杖的研制[J].医疗装备，
2007，（03）.
[12] 张应和.基于Wi-Fi智能车远程测距装置结构设计与研究[J].机电一 体化，2013.