陈文甫 陈雪
摘 要：该款基于AT89C51主控芯片的导盲护腕的设计，充分考虑了视力残疾的特殊人群需求，对产品的设计思路、功能模块和功能实现原理进行了解析，在传统导盲杖基础上增加了二维测距、GPS定位、振动预警、红外测温等功能，相比传统的导盲杖能更好地服务弱势群体。
关键词：导盲护腕;51单片机;传感器
中图分类号：TP732.2 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）16-0155-03
Abstract：This section is based on the design of the guide wrist of the AT89C51 master chip. It fully considers the needs of special people with visual disabilities and analyzes the design ideas，functional modules and functional realization principles of the product. Based on the traditional guide blind stick，the functions of two-dimensional ranging，GPS positioning，vibration early warning，and infrared temperature measurement are added，which can better serve vulnerable groups than the traditional guide blind stick.
Keywords：guide wrist;51 MCU;sensor
0 引 言
目前，我国有1731万视力残疾人，其中盲人有500多万人，平均每80人中就有一个“黑暗中的行者”。但是由于社会现阶段发展不够完善，无障碍公共设施投放率不高，对弱势群体包容性不够强，视力缺陷让盲人的学习、工作和生活困难重重，导致视力障碍人群出行率低。面对如今纷繁复杂的社会，需要更好的导盲工具来帮助视力障碍人群更好地融入社会，因而将适用人群定位为特殊人群的日常用品有着相对广阔的市场。
不同于市面上的传统导盲杖，本设计不仅具有导盲杖的探路功能，而且增加了定位和振动提示。主要实现对二维平面的距离探知、线性水平的温度测量、基于GPS的定位和振动预警等功能。内置的红外测温功能，不仅能探知一般产品所探知不到的潜在危险，而且能使盲人在就餐时更加自如。与手机结合使用，实现双频定位功能，使导航功能更加完善，中高龄盲人学习能力较差，产品的简单轻便也使他们能很快地上手。而且与近几年新兴的电子导盲杖相比，本产品具有便于携带的明显优势，并且能降低盲人在人群中的辨识度，提高盲人日常出行便利性，让盲人能更好融入社会生活中，有尊严地出行。综上所述，这款产品在智能导盲领域有一定竞争力。
1 总体设计思路
这款导盲护腕核心组件有超声波模块URM37 V4.0、红外光电传感器ST276、GPS模块S-87、振动模块Z04A、蓝牙模块ATK-HC05、红外线测温MLX90615，其主控芯片为AT89C51。通过独有的振动传感系统，对危机进行分级分类警报。外观设计及结构设计如图1所示。
2 功能模块介绍
2.1 超声波模块URM37 V4.0
超声波模块采用URM37 V4.0为核心芯片，通过其对外围电路的控制，由超声波发射器、超声波接收器、比例放大电路来收集信号。由于该超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，因此易于实现小型化与集成化，容易实现实时控制，并且在测量精度上能达到一般的使用要求。
外观设计上：在表面露出超声波发射和接收探头。为了使得护腕能够全方位地采集环境信息，在护腕的桡骨佩戴一侧分别安装两个超声波探头，呈90°分开，分别对地水平倾斜45°，实现对正前方障碍物与前方下端距离的探知。
2.2 红外光电传感器ST276
在护腕的手背一侧加入红外光电传感器ST276。由于超声波传感器不能有效地检测到靠近超声波传感器的物体，存在探测盲区，所以用红外光电传感器精确的短距离测距功能弥补这一点。红外传感器由红外发射管、红外接收管、控制电路组成。与超声波模块互为补充，增加了探测范围，补充了探测盲区，增强了避障的功能。
2.3 GPS模块S-87
GPS模块S-87采用3V的可充电锂电池，放电高达500小时。高性能接收多达20颗卫星的信号，TTL输出，低功
耗，平均冷启动时间为42秒，采用1MB容量的芯片SRAM存储器，重新获得信息时间0.1秒，支持准确1pps输出信号接轨GPS校准，支持NMEA-0183标准协议和SIRF二进制协议，多路径减缓硬件。
2.4 振动模块Z04A
振动模块Z04A是一种直径为20mm，厚度为3mm，重量约1克的片状高灵敏振动模块，输出为瞬态脉冲，可作为振动报警器的微型传感头。灵敏度极高，能检测极其微弱的振动波，抗干扰性好，对外界声响无反映，对同一物体上的碰触极为敏感。抗冲击强度高，能承受同类传感器不能承受的强烈振动工作条件。采用环氧树脂封装，防水性能好，能适应湿度较大的工作环境。寿命长，体积小，轻薄的外形如同一枚纽扣。
2.5 蓝牙模块ATK-HC05
ATK-HC05模块，规格为16mm*32mm，是ALIENTEK开发的一款高性能主从一体蓝牙串口模块，可同各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、手机、PDA、PSP等智能终端配对，该模块支持非常宽的波特率范围：4800bps～1382400bps，并且模块兼容3.3V单片机系统，可以很方便与电路板进行连接。使用非常灵活、方便。ATK-HC05模块非常小巧，模块通过6个2.54mm间距的排针与外部连接。可以连接电脑，在工厂模式下对数据进行修改调试，也可以借助手机APP实现进一步功能拓展。
2.6 红外温度检测模块MLX90615
MLX90615是用于非接触温度测量的红外温度计。对IR灵敏的热电堆探测器芯片和信号处理ASSP被集成在同一TO-46密封罐封装里。由于集成了低噪声放大器、16位ADC和强大的DSP单元，使得高度集成和高精度的温度计得以实现。温度计具备出厂校准和数字的SMBus兼容界面。读数精度为0.02℃。在此之前，盲人很多时候只能靠触摸感受物体温度，但借助这个模块，可以为他们规避更多高温带来的伤害。
3 功能实现
3.1 超声波模块URM37与振动模块Z04A联动
在个性设定模式下，需使用者手持导盲护腕，手臂自然下垂，超声波1模块探头朝下，此时根据反馈距离完成个性化的安全距离设置。
在宽广模式下，使用者手臂对地面垂直下垂时，超声波模块1对地垂直夹角为45°。假定超声波模块1对地的测量距离为x米，则把超声波模块1安全距离设置为x± 0.2米，当超声波反馈距离小于x-0.2米时，振动两下，重复三次;当超声波反馈距离大于x+0.2米时，振动三下，重复三次。超声波模块2与超声波模块1的夹角为90°，把超声波模块2安全距离设置为x米，当超声波反馈距离小于x米时，长震一秒，重复两次。
通过用手往下拨动超声波模块，则可以切换到拥挤模 式，使用者手臂对地面垂直下垂时，超声波模块1对地垂直夹角为30°。假定超声波模块1对地的测量距离为x，则把安全距离设置为x±0.2米，当超声波反馈距离小于x-0.2米时，振动两下，重复三次;当超声波反馈距离大于x+0.2米时，振动三下，重复三次。超声波模块2与超声波模块1的夹角为90°，把超声波模块2安全距离设置为x米，当超声波反馈距离小于x米时，长震一秒，重复两次。
3.2 红外线测温MLX90615与振动模块Z04A联动
在日常生活中，盲人由于无法目测物体的表面温度，往往需要用手去试探，可这其中潜藏着许多安全隐患，为此，在导盲护腕中加入了高温预警功能。
因为温度测探功能使用频率较之探路功能使用较少，出于节能考虑，所以此功能需手动开启，同时关闭探路功能保持电压稳定。温度探头位于护腕内侧，预设安全温度为50度，当温度高于安全温度时，振动一次，持续两秒。
3.3 ;GPS模块S-87与蓝牙模块ATK-HC05联动
GPS模块S-87常闭，防止被不法分子追踪使用者的地理位置，同时严格保护使用者的隐私安全。导盲护腕的蓝牙模块ATK-HC05与手机的蓝牙模块保持连接，使用者的亲人可以通过在手机上安装监护人APP来连接使用者的手机，当监护人APP的寻人定位功能启用时，方才通过手机连通护腕蓝牙，激发预设程控，开启GPS模块，并通过蓝牙发送地理位置返回手机，通过手机将地理位置反馈到监护人APP中。
4 结 论
本产品设计使用超声波测距实现对前方障碍物的距离探知，并根据使用者身高，调节下端的超声波测距模块的预警距离，实现对高度落差的探知。红外光电传感器作为辅助测距模块，有效增加探测范围，降低意外的发生概率。振动模块实现障碍物报警，地面落差报警，以及温度过高报警。借助蓝牙接入监护人APP，实现对使用者个性化数据的定制调节，内嵌定位芯片，方便家人对用户的追踪保护。本设计有着传统导盲产品所具有的所有功能，并在此基础上，增加了二维测距、高温预警、全球定位等功能，相比起传统的导盲杖能更好地服务弱势群体。
参考文献：
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作者简介：陈文甫（1998-），男，汉族，广东吴川人，计算机科学与工程系16级网络工程本科在读，研究方向：人工智能;陈雪（1982-），女，汉族，湖北公安人，计算机科学与工程系教师，讲师，硕士，研究方向：计算机应用、人工智能。
