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作者：乐山师范学院 郑琳 李勇鹏 何林
指导教师：常峰

　　产品简介

　　传统意义上的盲人拐杖只是一根长棍，这样存在许多的缺陷，比如不能探测较长的距离、不能较快反应快速接近的物体且功能单一。因此在以上问题的基础上我们团队设计开发了全新的多功能智能拐杖，它从根本上解决以上不足并在功能上有所扩展，在实际应用中得到满意的效果。智能拐杖包括超声波测距模块、电子指南针模块、语音播报模块、实时时钟模块、GSM短信发送模块等。主要功能有当前方障碍距离小于130cm时语音自动播报障碍距离提醒盲人。可通过按键播报当前方向、实时时间及发送短信求助。具体实物如左图1。　　

 　　平台选型

　　我国现有盲人1263万，占残疾人总数的14.86%。随着社会和科技的不断进步，近年来，人们越来越关注盲人的生活状况。为了让盲人朋友能够像正常人那要出行，我们用stc15f2k61s2单片机开发了多功能盲人拐杖，这样盲人朋友享受科技进步的同时也方便了自己的的生活。

　　设计说明

　　一、系统的总体结构
　　STC15F2K61S2核心板、超声波测距模块、电子指南针模块、语音播报模块、时钟模块、GSM短信发送模块。如图2所示的各模块框图。　　

 　　二 、系统原理
　　核心思想：
　　安装在拐杖上的各种传感器和模块，最大限度地为盲人朋友提供更多的路况信息，使盲人朋友的出行变得便捷、安全。

　　1、超声波测距原理
　　在众多测距方法中，经过团队的思考与论证，我们决定使用超声波测距的方式。超声波测距不仅简单且测量精确，是作为探测障碍的理想器件。其测量原理如下：
　　超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，途中碰到障碍就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。计时为T，若超声波速度V为340m/s，则距离S为：
　　S=V*T/2(m)

　　2、语音播报模块原理
　　语音播报我们使用ISD4004语音芯片，其工作电压3V,录放时间为8 至16 分钟，音质好，功耗低，适用于移动电话及其他便携式电子产品中。具体录音时我们将语音分割成多模块再存入语音芯片的不同地址中。如表1：

　　表1　　

 　　使用时调用地址就可以组合成各种语音效果。

　　3、实时时钟模块原理
　　该模块我们使用DS1302时钟芯片，该芯片可对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，使用方便，高性能，低功耗，只需一颗3V纽扣电池和一个32.768KHz晶振即可工作。

　　4、电子罗盘
　　此拐杖的电子罗盘是基于HMC5883L传感芯片的高度集成模块，本模块包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准器、12位模数传感器。采用简易的总线接口，具有体积小、功耗极低、精度高(可精确到1度)、使用简单等优点。如图3为电子罗盘传感器，其中X方向为正前方。　　

 　　5、GSM短信模块(TC35)
　　TC35是一款双频900/1800MHz高度集成的GSM模块。采用5V供电，发射功率为1W——2W，使用简单，和单片机通信采用串口的方式，只需两根线即可完成通信,再插入一张普通的SIM卡，就可以向预先设置的号码发送短信。如图4为短信模块TC35。

　　三、方案
　　1、总体方案
　　为精简系统和减轻产品重量，经过多次设计和规划，我们采用以下设计方案。如图5为拐杖包装前后的实物图。　　

 　　2、分模块方案
　　(1)主控模块、时钟模块、电源模块
　　为减小系统体积，故用规定的单片机制作了最小系统，并将时钟模块和电源模块也做在一起。如图6为单片机最小系统、时钟模块和电源模块。
　　单片机所有I/O口均上拉了10K的电阻，采用+5V供电;时钟芯片采用两种供电方式，分别是+5V主电源供电和+3V电池供电，这样就可以在关闭系统后，时间也能实时更新;本系统采用2000mAh、+7.2V输出的可充电电池供电，稳压芯片为LM2940，可提供+5V稳定电压，最大可输出1A的电流，为使各模块更稳定地工作，本系统采用三个稳压芯片分别给不同模块供电。　　

 　　(2)电子罗盘、按键模块
　　电子罗盘为高灵敏度传感器，若和系统主体部分安在一起，系统对其电磁干扰比较大，会影响其对方向的识别，故安装在拐杖顶部;为了使本产品操作更加简便，本系统只使用了三个按键，如图7中按钮从上到下的功能分别是报时、紧急呼救和方向测量，每个按键上都有一个特殊的图案供盲人朋友识别。　　

 　　(3)语音模块、GSM模块、超声波模块
　　本系统的语音模块有两种输出方式，分别是耳机输出和扬声器输出方式，为了方便演示，采用扬声器输出方式。超声波模块安装在拐杖的底端，这样可以更有效地识别前方路况。

　　(4)夜间LED、反光膜
　　考虑到盲人朋友们夜间出行安全，本拐杖在传统拐杖的反光条上又添加了LED闪光灯，不用时可以通过闪光灯旁边的开关将其关闭。如图8所示的闪光灯和反光条。　　

 　　产品特色

　　1、先进性
　　多功能智能拐杖采用了众多先进的传感器，如电子罗盘、超声波传感器等，可最大限度地为盲人朋友提供丰富的路况信息，同时若遇到紧急情况，可一键向预先设置的号码短信求助。在设计时我们加入了语音模块，这样即使盲人朋友看不见也可以通过语音信息，知道当前时间和行走方向及准确判断前方障碍距离，在人性化设计方面，加入了夜间闪光灯和反光条，夜间出行更安全。在按键上刻有特殊图形，方便盲人朋友利用触觉选择按键。

　　2、实用性
　　多功能智能拐杖使用简单，经过不同的环境测试，确实能够为盲人朋友提供更加便捷、安全的出行方式，拐杖所有操作均有语音提示，三个按键使得一个复杂的系统使用起来非常简便。同时高容量、可充电池增加了拐杖的续航能力及解决了更换电池的烦恼，从而更具实用性。

　　3、创新性
　　传统多功能拐杖只具备探测前方障碍的功能，本产品在前有的基础上新增了电子指南针、短信求助、语音报时、夜间闪光灯等功能，电子罗盘可以为盲人朋友提供准确的出行方向，在遇紧急情况时，可一键短信呼救，夜间闪光灯可以提醒路人注意避让。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2324