智能聽障助理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為了聽障人士家居安全和減少其家人的精神負(fù)擔(dān)，設(shè)計(jì)了一款基于STC89C52RC單片機(jī)控制的智能聽障助理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有門鈴感應(yīng)，煙霧、火災(zāi)報(bào)警等功能，價(jià)格低廉。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)操作簡單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；聽力障礙；傳感器；無線收發(fā)模塊

0 引言
    聽力障礙(Dysaudia)是指聽覺系統(tǒng)中的傳音、感音以及對(duì)聲音的綜合分析的各級(jí)神經(jīng)中樞發(fā)生器質(zhì)性或功能性異常，而導(dǎo)致聽力出現(xiàn)不同程度的減退。聽障人士、老年人均具有生活自理能力，但是，由于他們生理上的缺陷，常常給其居家生活帶來不便，甚至生命危險(xiǎn)，給其家人帶來不少負(fù)擔(dān)。智能聽障助理系統(tǒng)就是專門針對(duì)這一特殊人群而設(shè)計(jì)開發(fā)的，該系統(tǒng)具有門鈴感應(yīng)、煙霧報(bào)警、火焰報(bào)警、警示燈閃爍、振動(dòng)報(bào)警等功能，操作簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，在一定程度上既方便了聽障人士、老年人、獨(dú)居人士，也解放了其家人。隨著中國社會(huì)老齡化的到來，獨(dú)居老人越來越多，該系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

1 智能聽障助理系統(tǒng)基本工作原理
    為了使智能聽障助理系統(tǒng)具有便攜式功能，本系統(tǒng)分成兩大模塊：信號(hào)檢測(cè)模塊和警報(bào)模塊，其原理圖如圖1，圖2所示。在信號(hào)檢測(cè)模塊中，單片機(jī)接收煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱烷T鈴的信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)處理后，通過無線發(fā)射模塊發(fā)送遙控指令。系統(tǒng)的警報(bào)模塊接收到遙控指令后，進(jìn)行解碼并發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)信號(hào)?？紤]到本系統(tǒng)可以給聽障患者帶來方便，同時(shí)也可以給老人及獨(dú)居人士使用，本系統(tǒng)采用聲、光及振動(dòng)三重警報(bào)。雙色燈分為紅色警報(bào)和綠色警報(bào)，紅色表示火災(zāi)、煙霧的緊急警報(bào)，綠色則表示門鈴警報(bào)。其中警報(bào)系統(tǒng)可以隨身攜帶或帶在手腕上，或放在家中顯眼的地方。

    系統(tǒng)中的電子振動(dòng)器采用導(dǎo)線型微型振動(dòng)電機(jī)；無線通信的發(fā)射模塊和接收模塊采用PT2262與PT2272配對(duì)編、解碼芯片構(gòu)成，其工作頻率為315 MHz，采用FM方式調(diào)制。

2 智能聽障助理系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試
    系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，方便系統(tǒng)今后升級(jí)、功能擴(kuò)展或根據(jù)用戶需求而定制或改造不同功能模塊，既方便了設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)，也大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)用性。
2．1 智能聽障助理系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)模塊電路
    信號(hào)檢測(cè)模塊是本系統(tǒng)的核心部分，在此詳細(xì)敘述。本系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)作為中央處理器，它是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)。系統(tǒng)中，STC89C52RC單片機(jī)的P2．0引腳接門鈴信號(hào)，P2．1腳接煙霧傳感器輸出的信號(hào)，P2．7腳接火焰?zhèn)鞲衅鬏敵龅男盘?hào)。P1．0～P1．3引腳分別接無線發(fā)射模塊核心芯片PT2262的TE引腳、數(shù)據(jù)輸入端D1、D2和D3引腳，具體連接圖如圖3所示。各功能模塊實(shí)現(xiàn)的功能如下：

    (1)門鈴(Doorbell)輸入報(bào)警功能。當(dāng)突發(fā)意外，即使家中聽障患者、老年人等不知外面的危險(xiǎn)信息，周圍的人仍可以通過按無線電子門鈴觸發(fā)智能聽障助理系統(tǒng)，讓室內(nèi)的人及時(shí)得知外面的情況。另外，當(dāng)有客人來訪時(shí)，通過按門鈴，可以讓聽障人士知曉有人敲門了。所有這些提示信息都是通過振動(dòng)、警示燈閃爍和蜂嗚同時(shí)運(yùn)作發(fā)揮作用，告知室內(nèi)人士的。
    (2)火焰檢測(cè)報(bào)警功能?；鹧?zhèn)鞲衅?Fire Sensor)模塊JNHB2004能將探測(cè)到的火焰信號(hào)轉(zhuǎn)為0～5 V的電壓信號(hào)。連接時(shí)，該模塊的紅色線接DC 5 V，黑色線接GND，綠色線作為信號(hào)輸出，可直接輸入IC芯片，本系統(tǒng)中直接與單片機(jī)的P2．7引腳連接。圖3中的Header3即為火焰?zhèn)鞲衅髋c單片機(jī)的連接插頭。
    當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到有火災(zāi)時(shí)，向單片機(jī)P2．7引腳傳送信號(hào)，單片機(jī)接收到信號(hào)并處理后，控制發(fā)射模塊發(fā)送信號(hào)，無線接收端能夠響應(yīng)火災(zāi)警報(bào)，通知用戶。
    (3)煙霧檢測(cè)報(bào)警功能。煙霧傳感器(Smoke Sernsor)采用MQ-2普敏氣體煙霧傳感器，它能將空氣中的煙霧濃度變量轉(zhuǎn)換成有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的輸出信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)在于在較寬的濃度范圍內(nèi)對(duì)可燃?xì)怏w有良好的靈敏度，壽命長，成本低。只需簡單的驅(qū)動(dòng)電路即可。其電路連接法如圖4所示。

    當(dāng)煙霧傳感器檢測(cè)到煙霧時(shí)，單片機(jī)接收到它輸出的信號(hào)，處理后，控制發(fā)射模塊發(fā)送信號(hào)，無線接收端能夠響應(yīng)火災(zāi)警報(bào)，通知用戶。
    (4)蜂鳴、振動(dòng)和雙色警示燈警報(bào)功能。為了讓聽障患者、老年人、聽力衰退等人士能夠更好地得知警報(bào)信號(hào)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了振動(dòng)裝置和雙色警示燈，通過振動(dòng)和警示燈閃爍使他們感知警報(bào)，而蜂鳴呼叫又能通知周圍的人及時(shí)給予幫助或提醒等，以上三種警報(bào)是同時(shí)運(yùn)作發(fā)揮作用的。
    (5)無線收發(fā)模塊。無線收發(fā)模塊在本系統(tǒng)中起無線通信的作用。發(fā)射芯片PT2262-IR將載波振蕩器、編碼器和發(fā)射單元集成于一身，使發(fā)射電路變得非常簡潔。單片機(jī)接收到的火警信號(hào)、煙霧信號(hào)和門鈴信號(hào)處理后直接從其P1．1～P1．3腳發(fā)送給PT2262的數(shù)據(jù)輸入端口D1～D3。D1～D3中只要有一位為“1”，PT2262就會(huì)有編碼輸出。單片機(jī)的P1．0與PT2262的TE相連，用以控制多數(shù)據(jù)編碼的發(fā)射。只要接收模塊中PT2272的地址碼與PT2262一致，其數(shù)據(jù)輸出端口D1～D3就會(huì)輸出對(duì)應(yīng)的高電平。PT2272各輸出端通過各種接口即可控制相應(yīng)的負(fù)載。本系統(tǒng)中的負(fù)載分別是雙色燈、蜂鳴器和微型振動(dòng)電機(jī)。
2．2 智能聽障助理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用C51語言進(jìn)行模塊化編程，主要由主程序、火災(zāi)報(bào)警程序、門鈴響應(yīng)程序等組成，系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。

2．3 軟硬件設(shè)計(jì)過程中遇到的問題及解決方法
    本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)研發(fā)過程中遇到許多問題和困難，包括軟件設(shè)計(jì)調(diào)試上和硬件設(shè)計(jì)凋試上的問題，都一一解決了，并成功地設(shè)計(jì)出期望的智能聽障助理系統(tǒng)。這里列舉幾個(gè)主要遇到的問題。其他問題由于篇幅的原因，在此不再贅述。
    (1)火焰?zhèn)鞲衅髡{(diào)試時(shí)遇到的問題
    把火焰?zhèn)鞲衅鞯碾娫春偷亟由?，用萬用電表的電壓檔測(cè)試其輸出端和地之間的電壓，發(fā)現(xiàn)傳感器的輸出端是一個(gè)低電平。即當(dāng)傳感器沒有檢測(cè)到明火時(shí)，它的輸出是低電平；檢測(cè)到火焰時(shí)輸出高電平。將傳感器與單片機(jī)引腳相連，單獨(dú)測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)無論點(diǎn)火與否，火焰?zhèn)?br /> 感器所接的單片機(jī)I／O口一直為高電平。
    通過查找資料發(fā)現(xiàn)，火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到火焰時(shí)，其輸出端輸出高電平，沒有檢測(cè)到火焰時(shí)，輸出端輸出低電平。而51系列單片機(jī)上電復(fù)位后I／O口均為高電平，當(dāng)有火焰時(shí)，單片機(jī)無法判斷是因?yàn)榛鹧嬉鸶唠娖竭€是其自身原有的高電平。為此，在火焰?zhèn)鞲衅髋c單片機(jī)之間須加一個(gè)反相器，這樣，當(dāng)I／O口檢測(cè)到高電
平時(shí)，表示沒有檢測(cè)到火焰；否則，表示檢測(cè)到火焰。即此時(shí)單片機(jī)能夠識(shí)別高低電平的惟一意義了。
    (2)煙霧傳感器調(diào)試時(shí)遇到的問題
    連接好煙霧傳感器后，發(fā)現(xiàn)有煙霧時(shí)，傳感器檢測(cè)不到信號(hào)。通過示波器觀察，發(fā)現(xiàn)該傳感器有兩種接法。第一種接法會(huì)出現(xiàn)有煙霧時(shí)，電平會(huì)在原來的基礎(chǔ)上降低的現(xiàn)象；第二種則會(huì)出現(xiàn)在檢測(cè)到煙霧時(shí)，把電平拉高的現(xiàn)象；此時(shí)反觀焊接，發(fā)現(xiàn)傳感器的方向與想象中的方向相反，于是將硬件拆下來，換另一種方式焊接。下載程序后發(fā)現(xiàn)依然不行。再查該器件的DATASHEET時(shí)，發(fā)現(xiàn)該器件的工作電壓為5 V，誤差為0．1 V。于是測(cè)量本系統(tǒng)中煙霧傳感器的工作電壓，發(fā)現(xiàn)達(dá)到5．8 V。初步判斷該器件燒壞了。重新?lián)Q上一個(gè)新的器件，按照?qǐng)D4中的經(jīng)典接法接上，原來的程序保持不變。下載到單片機(jī)并提供煙霧等外部環(huán)境，器件終于可以正常工作。
    (3)無線收發(fā)模塊調(diào)試時(shí)遇到的問題
    首先將PT2262，PT2272M4的1腳接地，其他的懸空，兩者地址管腳連接保持一致。連接好電路，仔細(xì)檢查確保無誤后，給PT2262的D0端口加上一個(gè)3 V電壓，但是接收模塊沒有反應(yīng)。再次檢查電路，沒有發(fā)現(xiàn)問題。查資料得知，不同廠家的收發(fā)模塊采用的電壓不一樣，于是接上5 V電壓，此時(shí)接收模塊對(duì)應(yīng)端口上的LED燈點(diǎn)亮了，但燈卻一直亮著，即發(fā)送模塊一直保持著發(fā)送狀態(tài)，這是不正常的。重新查資料發(fā)現(xiàn)，要想使收發(fā)模塊正常工作，必須正確設(shè)置PT2262 TE端口的電平，其高低電平可以控制編碼的發(fā)射。通過設(shè)置，最終成功地使PT2272M4接收端口的LED燈閃爍。

3 結(jié)論
    實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，操作簡單，并獲得省級(jí)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽三等獎(jiǎng)。隨著產(chǎn)品化生產(chǎn)，本系統(tǒng)還可以做得更完善：將接收模塊做成腕表一樣小巧，將它帶在手上，既是裝飾品，用戶又容易感受到警報(bào)信號(hào)；可以增加系統(tǒng)的求助功能。更多的完善方案有待于去努力實(shí)現(xiàn)?？傊撓到y(tǒng)簡單實(shí)用，特別適合于聽障人士、老年人、獨(dú)居人士和一般人使用，具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。