基于单片机的多功能智能拐杖设计

基于单片机的多功能智能拐杖设计

王定国,蒋霞,刘佳慧

莱芜职业技术学院

摘要：为了解决老年人因记忆衰退、身体虚弱以及失明而带来的日常困扰，越来越多全新的多功能智能拐杖被研发并应用于实际，它可以帮助老年人以及失明的人，在需要的时候，可以辅助进行行走，并且可以进行实时的监测，以及发出报警，以确保他们在紧急状态下可以得到帮助。这把拐杖能够满足老年人和聋哑人的日常需要，并且能够确保他们的安全。

关键词：单片机；多功能；智能拐杖

引言

目前，我国的老年人数量居于世界首位。随着年纪的增长，我国的老年人的生活质量也日益下降，他们的肢力和智力都受到了严重的影响，许多老年人只好使用拐杖或其他工具。此外，我国也有众多的盲人。随着科技的发展，越来越多的盲人可以使用新型的辅助工具，如智能手环、智能手表、智能手表机等，来帮助他们完全掌握自己的语言，从而实现自主生活。相比之前的拐杖，智能手环的使用可以大大减少耗时耗力，提供便捷的服务。采用超声波测距技术，特别是在夜晚环境中，可以有效提高老年人及其他残疾者的出行安全。此外，该设计的目的是针对老年人及其他残疾者，它的设计精心设计，减少了拐杖的重量，使其变得轻巧易携。

一、基于单片机的多功能智能拐杖系统的总体设计

新型的智能拐杖系统的设计旨在为老人的安全驾驶带来更多便利。主要的结构包括：一台单片机操作，一台GPS定位，一台语音识别，一台GSM通讯，一台障碍物报警，一台摔倒检测，一台语音播报，以及一台灯光警示。当老人的拐杖接入电源，老人的拐杖就可以进入智能模式，当老人遇到危险，拐杖就可以及时响应，帮助老人安全驾驶。如果老人的拐杖倾斜15s，单片机就可以自动调节GSM通讯，让老人的安全驾驶更加顺畅。如果老人的手机有任何问题，可以立即通过手机应急响应功能来寻找老人的帮助。如果老人的手机有故障，可以立即通过手机应急响应功能来进行修复。通过手机应急响应功能，老人的手机也将随时随地保持在正常状态。这把拐杖非常易于使用，它的功能非常强大，可以帮助老年人或者失明者。

二、基于单片机的多功能智能拐杖硬件电路设计

新型的智能拐杖系统拥有先进的超声波测距技术、电子指引、GSM电话、语音控制以及时钟控制模块，其中STC90C516RD主控器可确保其运行稳定可靠。此外，它还配备了4个独立的控制按钮，可实现实时的信息传输、紧急求助、定向跟踪及障碍检测。

（一）单片机控制模块

新型的STC12C5A60S2单片机拥有出色的性能，其功耗极低，而且拥有极高的抗干扰性，其所执行的指令代码与8051单片机相当，而且其运行效率更是高出了12倍。由于其高性能的单片机，它的性能非常出色，并且能够持续地支持智能拐杖的应用，特别是对于轻巧的手持设备。

（二）GSM通信模块

例如新型的Air208拐杖采用了一个RF天线与一个接收模块，它不仅具有便携性，而且还支持SIM900A指令，拥有极低的功耗，为使用者提供了一种更加安全、便捷的出行方式，同时也为其他使用者提供了一种远程监控的功能。GSM模块和单片机的连接方式是UART串行口，它们可以实现实时的数据传输。如果一个拄着拐棍的人不小心跌落，系统会立即向其家长发出紧急的呼叫，家长也会及时获取相应的电话号码。

（三）GPS定位模块

GT-U7模块的出现，为使用者提供了更加精准的定位，它的开机速度快、能量消耗少、尺寸紧凑，而且具有超强的跟踪能力，可以有效地帮助监护人快速定位到受灾地区，从而有效地进行紧急抢险。GSM技术提供了强大的安全保障功能，它能够将被丢弃的老年人的位置及时传输至家庭成员的手中，特别是在繁忙的都市环境中，它能够提供准确的定位，让家庭成员能够及早地确认被丢弃的老年人的身份。

（四）语音识别模块

新型的智能拐杖系统的LD3320芯片具有强大的功能，它可以识别和接收用户的声音，并将其转换为可用于操作的电压和频率，从而实现对家用设备的智能操作，比如通过语音控制，可以轻松调节电灯的亮度和温度。

（五）障碍物报警模块

通过采用先进的技术，本模块可以实现准确的超声波定位，它通过发射器向外界发送超声波，并由单片机进行定时，一旦接收到来自外界的反馈信号，即可在Δt的范围内，根据v和s=v×Δt的关系，准确地估算出模块与目标之间的距离s。这个功能能够实时监控周围环境，如果发现有危险，并且超出了预先规划的安全范围，就会通过语言来警告操作人员。

（六）电子罗盘指南模块

地磁场的特性决定了其在一个特定的环境中的表现。通常情况下，我们将其划分成两个部分：一个与周围环境相同的部分，另一个与周围环境不同的部分。如果我们将罗盘安装在与周围环境相同的位置，则这两个部分的值都会朝着一个相同的方向。电子罗盘的航向角是由其在0~360°之间的磁场与地面之间的夹角决定的，它是由电子罗盘在垂直放置的情况下，两轴的磁场值的相对位置决定的，而这种位置的大小取决于电子罗盘的精度.

（七）时钟显示模块

ds1302时钟芯片是我们的时钟模块，它拥有丰富的时钟信息，包括当前时刻、每周天气、每个月的天气情况和每一个历史时刻，甚至是每个时刻的闹钟，它的时钟设定按钮让我们更加便捷地控制时钟，同时，它的闰年补偿功能使得每个月的天气情况都会得到优化。ds1302芯片配置了一个备用电源插头，因此，即便在外界断开电源，这个插头也能够保证时钟芯片的稳定运行。

液晶12864TV采用双向通信技术，既能实现高效的双向通信，也能实现单向通信，具体而言，双向通信的优势在于能够同时实现8个字节的信息。由于串行传输的优势，它可以有效减少空间使用，而且可以满足更快的数据传输速度，这使得它比其他的传输技术更加有效。模块的作用是控制时间，当时钟模块发生误时，它能够根据事先定义的指令进行时间的调整，这样不仅能够帮助人们快速定位时刻，还能够为闹钟提供一个简单的时刻表。

三、基于单片机的多功能智能拐杖的软件设计

采用模块化设计的软件，在正常情况下，系统处于待机状态，但是，当用户需要帮助时，微处理器会自动检测到用户按下的服务按键，并立即触发相应的模块，从而实现用户的功能。当按下障碍检测按钮时，微处理器会向超声波模块RX引脚发射10μs的信号，模块会产生8个40kHz的周期性信号，这些信号会反射回来，模块会产生一个反射信号，然后利用时间差测距法，测量出障碍物的距离，如果测量结果低于预先设置的安全距离，就会启动一个语音警告程序，以此来警示操作者。

（一）角度传感器模块

采用mpu6050传感器模块，通过6轴运动处理组件来进行上肢运动姿态的检测，该仪器的基本架构由三轴陀螺仪、三轴加速度计以及一个独立的惯性测量单元，它的特点是：采集的信号是完全的，而且能够提供准确的角度信息，同时还能够节省能源，使得仪器的设计变得非常便捷。使用GPS定位系统，可以准确地检测出拐杖与地表之间的夹角，从而及早预防可能出现的滑坡危险。在拐杖处于最大偏移度，且一直处于最佳位置的情况下，系统会自动调整位置，然后以GSM格式传输到监护人的手中。

（二）GSM模块

GSM是一种SIM900A模块，它具有多种通信功能，包括短信、语音通信和数据传输。它通过串口将MODEM的TXD和RXD连接到单片机的PA10和PA9，从而形成一个完整的通信网络。

（三）语音识别模块

系统主控接通电源之后，它就开始执行一系列的初始化操作，其中包括SD卡文件系统自动搜索system.ini配置文件，从文件内部抽取一些特征，然后将这些特征转换为一系列的文件，最终转换为一个文件，该文件就是系统所使用的LD3320模块。接着，系统就开始读写文件，从而获得文件的内容，然后根据读写的内容，系统就能够自动完成文件的解码，从而实现文件的播放。使用LD3320来处理MP3格式的音频。

（四）系统软件设计

新型的智能拐杖系统的软件由数据采集、处理、服务器通信三个部分组成，其中，单片机与各传感器模块之间可以实现信息的读取、处理，同时，可以通过中断程序实现对相关指令的执行，此外，它还具备了检测摔倒并做出相应反应的功能。MPU6050运动组件可以实时监测拐杖的倾斜情况，并将其转换成数字信号，然后将其上传至STM32芯片，以便进行更加精确的信息处理，从而实现更加精准的操作。

新型的智能拐杖系统能够采用STM32单片机，旨在帮助老年人更安全地使用。它通过使用MPU6050传感器和微控制器，可以检测老人的意外状态，并对可疑的状态做出快速的反应。此外，它还配备了GPS和GSM功能，可以让使用者随时获取家庭成员的位置信息，从而更好地应对突发事件。通过对新型的智能拐杖系统的实际检测，我们发现它拥有强大的环境实时监测和语音提示功能。这种设计既简单又耐用，并且在很大程度上确保了老年人的安全。另一个优点是，它的成本很低，并且很容易进一步拓宽。在未来的发展中，新型的智能拐杖系统将会被广泛地用来监控身体的各种健康信息，比如体温、锻炼强度和血压。

总结：

通过开发的多功能智能拐杖，可以解决老年人在日常生活中遇到的一些困难，它可以帮助老年人稳定身体，并且可以实时追踪周围的环境，同时还可以在遇到危险的情况下，通过语音指令来帮助他们寻找帮手。此外，多功能智能拐杖还会向盲人提供实用的信息，如交通指引、道路状态等，以便及早识别周围的危险，从而减少意外发生的可能性，确保老人的行走安全。通过改进设计，多功能智能拐杖不仅具有更多的功能，而且更加便捷，不仅具有结构简单、操作方便、实时监测和紧急寻援的优点，还为老年人和盲人的出行带来更多的便利。

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本文系莱芜职业技术学院2022年度学生科研项目《智能拐杖》研究成果，课题编号：2022xsky42。