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摘要：为了防止盲人出行时碰到障碍物而摔倒，提出了一种基于 ST89C51 单片机的多功能盲人智能拐杖设计方案，并完成了系统的软硬件设计。 整个系统采用模块化设计，由超声波测距模块、激光测距模块，光电门模块，语音播报等模块组成，实现了障碍探测功能，并且该功能均伴有详细的语音提示。实际应用结果表明，该智能拐杖克服了传统拐杖的缺点，可以检测许多类型的障碍物，尤其是那种普通传感器难以检测出来的较小的障碍，以适应多种可能出现的情况，能够为盲人朋友提供更加安全的出行方式。
关键词：单片机； 测距；光电门；超声波；激光；语音播报
1 引言
1984年，在世界盲人联盟成立大会上，经过讨论一致通过确立每年10月15日为国际盲人节。世界盲人组织的宗旨是：致力于盲症防治，提高盲人福利，使盲人能完全平等地参与社会活动，提供国际论坛交流盲人工作经验。我国现有残疾人8300多万，其中盲人、低视力和视力障碍的多重残疾人有1691万，这个数字还在逐年增加。由于生理上的缺陷，盲人在生活自理、工作等方面有很多不便。在户外行走时，盲人只能依靠手中的拐杖和听觉来综合判断周围的障碍物，没有安全感。盲人很难在没有人陪同的情况下安全行走。政府花费巨资对城市道路进行改革，增设无障碍人行道，在红绿灯路口增设报警信号等。尽管如此，盲人还是感觉不便。
因此，盲人朋友急需一种智能导盲拐杖来保障其出行的方便与安全。
随着科学技术的发展，先进的导盲辅助设设备更趋于完善化、人性化、及智能化。国内外很多机构研究和生产出相关电子导盲装置，多数市面上可见的导盲设备大部分为超声波传感器的应用技术，其中也有红外感应技术的应用。
然而大部分的导盲设备只能探测前进方向存在威胁的障碍物，其所能提供的导盲作用并不明显。而且，在一些路况较为复杂的情况下，其对周围路况的综合采集功能还存在不足，不能传递给盲人准确的路况信息，因此盲人行走时的准确与安全得不到充分的保障。
因此，为解决上述问题，就需要一种智能导盲拐杖，能准确探测并预警较小障碍物的存在，具有对周围路况的良好采集功能和明显的导盲作用，适应盲人的日常生活，保证盲人行走的准确与安全。
2 系统硬件设计
整个系统由超声波测距模块、激光测距模块，光电门模块，语音播报模块等构成。以 STC89C51单片机作为主控，使整个系统能够正常工作。系统的硬件功能框图如图 1 所示。该智能拐杖的避障检测有语音提示，使用简单。
电源开关：控制整体电路电源的开关；
超声波测距模块：检测前方障碍物的距离；
激光测距模块：检测前方的凹坑或突起；
激光发射器，发射激光，作為信号源：
光敏电阻：测激光发出的光线，从而判断障碍物，构成光电门：
充电插孔，用于外部供电：
蓄电池，为整个系统供电；
蜂鸣器，当障碍物存在于光电门之间时，一直鸣响，方便盲人通过挪动判断障碍物的大小。
pcb板，嵌有MCS—51单片机，语音播放模块，是本系统核心控制部件。单片机获得各个模块传达的信息并进行判断，根据不同的情况，控制MP3播放模块播放不同的语音。
拐杖各模块设计原理
2.1 光电门原理：
当物体通过光电门时光被挡住，计时器开始计时，当物体离开时停止计时，这样就可以根据物体运动的速度与运动时间计算物体大小；光电门是由一个激光发射模块和一个光敏电路组成的，激光发射模块对准光敏电阻，光敏管前面有一个小孔可以接收光的照射。光敏电路与计时仪是按以下方式连接的。即当两个光电门的任一个被挡住时，计时仪开始计时；当再次接收到光线时时，计时终止。定时器记录是两次变化之间的时间间隔。
其工作原理是光照度改变使光敏电阻阻值的改变，而引起光敏电阻两端电压的改变。电压变化信号通过电压比较器传到单片机上。光电门一端有个激光发射源，另一端有个光敏电阻，两端无物体阻挡时激光照射到光敏电阻上。有光照时光敏电阻阻值减小，光敏电阻两端为低电压。当两端之间有物体阻挡时，光敏电阻受到光照度减小，电阻增大，光敏电阻两端为高电压。换而言之，当光电门传感器之间没有物体阻挡时，其内部电路断开；当光电门传感器之间有物体阻挡时，其内部电路接通。
2.2 测距模块原理：
通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。（超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：s=340t/2）。单片机是整个系统的核心部件，它协调和控制各部分电路的工作。工作过程：开机，然后控制程序使单片机输出载波为40kHz的10个脉冲信号加到超声波传感器上，使超声波发射器发射超声波。当第一个超声波脉冲群发射结束后，单片机片内计数器开始计数，在检测到第一个回波脉冲的瞬间，计数器停止计数，这样就得到了从发射到接收的时间差△t，然后可计算出被测距离。
激光测距与陀螺仪工作原理：
激光测距探头采用30Hz版 激光测距模块，激光测距的原理是利用激光在空气中的传播速度为已知，测量激光在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。当激光测距探头探测到前方一定距离范围内有障碍物或者有凹陷， 就向控制模块发送触发信号。在支架的中部安装一个激光测距探头，使其以一定角度（如45°），再根据探头的高度计算，可得到平整地面对应激光测距模块测得的距离，如果突然变大即可知前方出现凹坑，反正则是障碍物，当检测到信号变化时，就向控制模块发送数据，计算出前方凹坑或凸起的程度，如图3所示： 2.3 语言播放模块工作原理：
在本文所述的智能拐杖中，语音模块使用YX5600-48L，该语音芯片是一款功能强大的 OTP 语音单片机芯片。YX5600-48L 语音芯片不再为控制方式而寻找合适的外围单片机电路，高度集成的单片机技术足于取代复杂的外围控制电路。功能操作方式简洁易懂，大大减少了使用和二次开发的时间。在线SPI下载：通过下载器和下载编译软件，简单方便地将音乐文件下载到 SPI-FLASH 中。下载器使用简单，编译软件操作方便。UART 串口控制：标準的串口通讯协议，可通过发送命令控制指定音乐文件播放、存储器切换、播放循环模式 切换、音乐插播、多曲目组合播放、RTC设置及读取、定时唤醒触发等功能。具体使用电路如下图4所示。
导盲杖的语音播报主要用在与各个模块相结合。如拐杖底部的左侧的光电门检测的障碍物时，光敏电阻阻值改变，接入电路的电压变化，通过电压比较器将数字信号输入单片机，单片机控制MP3播放模块该种情况下应当播放的音频（如“请注意，在您的的左前方有小障碍物”），同时鸣响蜂鸣器，以提示盲人该障碍物仍存在光电门之间，直到障碍物离开光电门之间。如果正对前方的超声波模块检测到障碍物已经接近时，单片机控制MP3播放模块该种情况下应当播放的音频（如“请注意，在您的的前方有较大的障碍物”）。前方的凹坑也是同理。
2.4 机械结构原理：
采用三脚架作为拐杖底部。选择脚架的第一个要素就是稳定性，它的稳定性保证了产品结构的稳定性，即便用户用力按下，仍可保证其使用的安全性，甚至有时候可以将其作为一个支撑的架子使用。利用三脚架的升降功能在使用前取出三脚架展开后将摇杆旋转至工作高度，以适应不同人的身高，给使用者提供最舒适的使用体验。
3 系统软件设计
项目方案如图1所示，拐杖通过多个模块对路面信息进行采集，经单片机处理后，通过语言提示，将路障信息告知盲人。其路况信息的采集如下：底座之间的光电门对于较小的障碍物进行检测，当有障碍物进入其中时，会通过语音告知，只要障碍物仍在光电门之间，蜂鸣器会一直鸣响，盲人此时也可以通过移动拐杖来判断障碍物的大小。在底座正前方有超声波模块，对前方的较大的障碍物进行检测，当检测到障碍物时（阶梯或者墙面）与人之间的距离达到一定程度时，通知盲人绕道或者注意。在拐杖的中部有激光测距模块，根据几何原理，检测前方的路面是否有坑洞或者突起，如有则提醒盲人前方有坑洞突起的情况。系统的软件流程图如5所示。
4 项目测试结果
通过该项目的测试结果，该智能导盲拐杖基于单片机，集语音播报模块、激光测距模块、超声波测距模块为一体的设计方案，实现了预期的全部功能，对盲人行走路线上的障碍物检测效率高，预警及时可靠。例如，当盲人行走路线上的左前方存在危险障碍物时，光电门之间便能检测到危险并通过单片机控制语音播报模块将危险信息及时传递使用者，对于前方障碍物的检测依赖超声波测距模块，单片机预设了超声波的检测范围，若是在超声波检测范围内存在障碍物，则语音播报模块将提示“前方有障碍物”。拐杖中部的激光测距模块检测到前方的突起或凹坑即使通过语音通知盲人，让盲人可以及时的绕开。同时，该项目的结构设计采用相对稳固的三脚架结构，在实际使用中更加安全牢固，即便用力按下，也不会倾斜，这就保证了盲人在使用时的安全性，具有很强的实用性。
5 总 结
实验结果表示，该拐杖实现测距及时精准，对障碍物的预警准确及时，并且，该拐杖硬件成本较低，拐杖结构重量较轻且操作简单，结构牢固，性能稳定，能较好满足盲人朋友以及存在视力障碍人群的日常使用。 利用电子技术，设计以单片机为主控件，由激光测距模块、 超声波测距模块、光电门模块、 语音播报模块等组成。 通过多种传感器对路况的检测，将可能出现的危险告知给盲人，让他们提前做好准备。在未来，对于盲人出行安全问题将得到社会越来越多的关注，拐杖的设计将向着更加轻便和智能化的方向发展，使得对盲人出行的保护也愈加周到和高效。
参考文献：
[1]林立.智能导盲拐杖[P].中国，实用新型专利，CN204484697U.
[2]任春华.基于单片机控制的多功能导盲拐杖[J].重庆大学，1009-4067（2014）12-77-01.
[3]赵天飞，冯炉，谭昭.导盲拐杖项目[J].东南大学，1001-89722013.14.084.
[4]陈艳婷，李志鹏，贾丹平.盲人智能拐杖的设计[J].沈阳工业大学，1674-098X（2016）02（c）-0077-02.
[5]蒋晓松.一种单片机控制的智能化盲人拐杖[J].河南信阳空军第一航空学院
[6]吴丽华，杜衡吉。电子导盲拐杖的设计[J].曲靖师范学院计算机科学与工程学院，1674-098X（2011）08（a）-0021-01.
[7]姜斌，王强 . 功能智能盲人拐杖助手的开发与设计 [J]. 自动化技术与应用，2014 ， 33 （ 4 ） ：112-116.
[8]温洪昌，黄应强，傅贵兴 . 单片机多段语音组合录放系统设计 [J]. 单片机与嵌入式系统应用， 2011（ 10 ） ：51-53.
[9]杨洋. 城市突发事件应急物流定位—路径研究 [D]. 哈尔滨工业大学， 2014.
受中国计量大学2016校立开放实验室项目资助。
关键词：单片机； 测距；光电门；超声波；激光；语音播报
1 引言
1984年，在世界盲人联盟成立大会上，经过讨论一致通过确立每年10月15日为国际盲人节。世界盲人组织的宗旨是：致力于盲症防治，提高盲人福利，使盲人能完全平等地参与社会活动，提供国际论坛交流盲人工作经验。我国现有残疾人8300多万，其中盲人、低视力和视力障碍的多重残疾人有1691万，这个数字还在逐年增加。由于生理上的缺陷，盲人在生活自理、工作等方面有很多不便。在户外行走时，盲人只能依靠手中的拐杖和听觉来综合判断周围的障碍物，没有安全感。盲人很难在没有人陪同的情况下安全行走。政府花费巨资对城市道路进行改革，增设无障碍人行道，在红绿灯路口增设报警信号等。尽管如此，盲人还是感觉不便。
因此，盲人朋友急需一种智能导盲拐杖来保障其出行的方便与安全。
随着科学技术的发展，先进的导盲辅助设设备更趋于完善化、人性化、及智能化。国内外很多机构研究和生产出相关电子导盲装置，多数市面上可见的导盲设备大部分为超声波传感器的应用技术，其中也有红外感应技术的应用。
然而大部分的导盲设备只能探测前进方向存在威胁的障碍物，其所能提供的导盲作用并不明显。而且，在一些路况较为复杂的情况下，其对周围路况的综合采集功能还存在不足，不能传递给盲人准确的路况信息，因此盲人行走时的准确与安全得不到充分的保障。
因此，为解决上述问题，就需要一种智能导盲拐杖，能准确探测并预警较小障碍物的存在，具有对周围路况的良好采集功能和明显的导盲作用，适应盲人的日常生活，保证盲人行走的准确与安全。
2 系统硬件设计
整个系统由超声波测距模块、激光测距模块，光电门模块，语音播报模块等构成。以 STC89C51单片机作为主控，使整个系统能够正常工作。系统的硬件功能框图如图 1 所示。该智能拐杖的避障检测有语音提示，使用简单。
电源开关：控制整体电路电源的开关；
超声波测距模块：检测前方障碍物的距离；
激光测距模块：检测前方的凹坑或突起；
激光发射器，发射激光，作為信号源：
光敏电阻：测激光发出的光线，从而判断障碍物，构成光电门：
充电插孔，用于外部供电：
蓄电池，为整个系统供电；
蜂鸣器，当障碍物存在于光电门之间时，一直鸣响，方便盲人通过挪动判断障碍物的大小。
pcb板，嵌有MCS—51单片机，语音播放模块，是本系统核心控制部件。单片机获得各个模块传达的信息并进行判断，根据不同的情况，控制MP3播放模块播放不同的语音。
拐杖各模块设计原理
2.1 光电门原理：
当物体通过光电门时光被挡住，计时器开始计时，当物体离开时停止计时，这样就可以根据物体运动的速度与运动时间计算物体大小；光电门是由一个激光发射模块和一个光敏电路组成的，激光发射模块对准光敏电阻，光敏管前面有一个小孔可以接收光的照射。光敏电路与计时仪是按以下方式连接的。即当两个光电门的任一个被挡住时，计时仪开始计时；当再次接收到光线时时，计时终止。定时器记录是两次变化之间的时间间隔。
其工作原理是光照度改变使光敏电阻阻值的改变，而引起光敏电阻两端电压的改变。电压变化信号通过电压比较器传到单片机上。光电门一端有个激光发射源，另一端有个光敏电阻，两端无物体阻挡时激光照射到光敏电阻上。有光照时光敏电阻阻值减小，光敏电阻两端为低电压。当两端之间有物体阻挡时，光敏电阻受到光照度减小，电阻增大，光敏电阻两端为高电压。换而言之，当光电门传感器之间没有物体阻挡时，其内部电路断开；当光电门传感器之间有物体阻挡时，其内部电路接通。
2.2 测距模块原理：
通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。（超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：s=340t/2）。单片机是整个系统的核心部件，它协调和控制各部分电路的工作。工作过程：开机，然后控制程序使单片机输出载波为40kHz的10个脉冲信号加到超声波传感器上，使超声波发射器发射超声波。当第一个超声波脉冲群发射结束后，单片机片内计数器开始计数，在检测到第一个回波脉冲的瞬间，计数器停止计数，这样就得到了从发射到接收的时间差△t，然后可计算出被测距离。
激光测距与陀螺仪工作原理：
激光测距探头采用30Hz版 激光测距模块，激光测距的原理是利用激光在空气中的传播速度为已知，测量激光在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。当激光测距探头探测到前方一定距离范围内有障碍物或者有凹陷， 就向控制模块发送触发信号。在支架的中部安装一个激光测距探头，使其以一定角度（如45°），再根据探头的高度计算，可得到平整地面对应激光测距模块测得的距离，如果突然变大即可知前方出现凹坑，反正则是障碍物，当检测到信号变化时，就向控制模块发送数据，计算出前方凹坑或凸起的程度，如图3所示： 2.3 语言播放模块工作原理：
在本文所述的智能拐杖中，语音模块使用YX5600-48L，该语音芯片是一款功能强大的 OTP 语音单片机芯片。YX5600-48L 语音芯片不再为控制方式而寻找合适的外围单片机电路，高度集成的单片机技术足于取代复杂的外围控制电路。功能操作方式简洁易懂，大大减少了使用和二次开发的时间。在线SPI下载：通过下载器和下载编译软件，简单方便地将音乐文件下载到 SPI-FLASH 中。下载器使用简单，编译软件操作方便。UART 串口控制：标準的串口通讯协议，可通过发送命令控制指定音乐文件播放、存储器切换、播放循环模式 切换、音乐插播、多曲目组合播放、RTC设置及读取、定时唤醒触发等功能。具体使用电路如下图4所示。
导盲杖的语音播报主要用在与各个模块相结合。如拐杖底部的左侧的光电门检测的障碍物时，光敏电阻阻值改变，接入电路的电压变化，通过电压比较器将数字信号输入单片机，单片机控制MP3播放模块该种情况下应当播放的音频（如“请注意，在您的的左前方有小障碍物”），同时鸣响蜂鸣器，以提示盲人该障碍物仍存在光电门之间，直到障碍物离开光电门之间。如果正对前方的超声波模块检测到障碍物已经接近时，单片机控制MP3播放模块该种情况下应当播放的音频（如“请注意，在您的的前方有较大的障碍物”）。前方的凹坑也是同理。
2.4 机械结构原理：
采用三脚架作为拐杖底部。选择脚架的第一个要素就是稳定性，它的稳定性保证了产品结构的稳定性，即便用户用力按下，仍可保证其使用的安全性，甚至有时候可以将其作为一个支撑的架子使用。利用三脚架的升降功能在使用前取出三脚架展开后将摇杆旋转至工作高度，以适应不同人的身高，给使用者提供最舒适的使用体验。
3 系统软件设计
项目方案如图1所示，拐杖通过多个模块对路面信息进行采集，经单片机处理后，通过语言提示，将路障信息告知盲人。其路况信息的采集如下：底座之间的光电门对于较小的障碍物进行检测，当有障碍物进入其中时，会通过语音告知，只要障碍物仍在光电门之间，蜂鸣器会一直鸣响，盲人此时也可以通过移动拐杖来判断障碍物的大小。在底座正前方有超声波模块，对前方的较大的障碍物进行检测，当检测到障碍物时（阶梯或者墙面）与人之间的距离达到一定程度时，通知盲人绕道或者注意。在拐杖的中部有激光测距模块，根据几何原理，检测前方的路面是否有坑洞或者突起，如有则提醒盲人前方有坑洞突起的情况。系统的软件流程图如5所示。
4 项目测试结果
通过该项目的测试结果，该智能导盲拐杖基于单片机，集语音播报模块、激光测距模块、超声波测距模块为一体的设计方案，实现了预期的全部功能，对盲人行走路线上的障碍物检测效率高，预警及时可靠。例如，当盲人行走路线上的左前方存在危险障碍物时，光电门之间便能检测到危险并通过单片机控制语音播报模块将危险信息及时传递使用者，对于前方障碍物的检测依赖超声波测距模块，单片机预设了超声波的检测范围，若是在超声波检测范围内存在障碍物，则语音播报模块将提示“前方有障碍物”。拐杖中部的激光测距模块检测到前方的突起或凹坑即使通过语音通知盲人，让盲人可以及时的绕开。同时，该项目的结构设计采用相对稳固的三脚架结构，在实际使用中更加安全牢固，即便用力按下，也不会倾斜，这就保证了盲人在使用时的安全性，具有很强的实用性。
5 总 结
实验结果表示，该拐杖实现测距及时精准，对障碍物的预警准确及时，并且，该拐杖硬件成本较低，拐杖结构重量较轻且操作简单，结构牢固，性能稳定，能较好满足盲人朋友以及存在视力障碍人群的日常使用。 利用电子技术，设计以单片机为主控件，由激光测距模块、 超声波测距模块、光电门模块、 语音播报模块等组成。 通过多种传感器对路况的检测，将可能出现的危险告知给盲人，让他们提前做好准备。在未来，对于盲人出行安全问题将得到社会越来越多的关注，拐杖的设计将向着更加轻便和智能化的方向发展，使得对盲人出行的保护也愈加周到和高效。
参考文献：
[1]林立.智能导盲拐杖[P].中国，实用新型专利，CN204484697U.
[2]任春华.基于单片机控制的多功能导盲拐杖[J].重庆大学，1009-4067（2014）12-77-01.
[3]赵天飞，冯炉，谭昭.导盲拐杖项目[J].东南大学，1001-89722013.14.084.
[4]陈艳婷，李志鹏，贾丹平.盲人智能拐杖的设计[J].沈阳工业大学，1674-098X（2016）02（c）-0077-02.
[5]蒋晓松.一种单片机控制的智能化盲人拐杖[J].河南信阳空军第一航空学院
[6]吴丽华，杜衡吉。电子导盲拐杖的设计[J].曲靖师范学院计算机科学与工程学院，1674-098X（2011）08（a）-0021-01.
[7]姜斌，王强 . 功能智能盲人拐杖助手的开发与设计 [J]. 自动化技术与应用，2014 ， 33 （ 4 ） ：112-116.
[8]温洪昌，黄应强，傅贵兴 . 单片机多段语音组合录放系统设计 [J]. 单片机与嵌入式系统应用， 2011（ 10 ） ：51-53.
[9]杨洋. 城市突发事件应急物流定位—路径研究 [D]. 哈尔滨工业大学， 2014.
受中国计量大学2016校立开放实验室项目资助。