智能聽障助理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
摘要:為了聽障人士家居安全和減少其家人的精神負擔(dān),設(shè)計了一款基于STC89C52RC單片機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)報警等功能,價格低廉。實驗證明,該系統(tǒng)操作簡單,運行穩(wěn)定可靠,抗干擾能力強。
關(guān)鍵詞:單片機;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、感音以及對聲音的綜合分析的各級神經(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,給其家人帶來不少負擔(dān)。智能聽障助理系統(tǒng)就是專門針對這一特殊人群而設(shè)計開發(fā)的,該系統(tǒng)具有門鈴感應(yīng)、煙霧報警、火焰報警、警示燈閃爍、振動報警等功能,操作簡單,經(jīng)濟實用,在一定程度上既方便了聽障人士、老年人、獨居人士,也解放了其家人。隨著中國社會老齡化的到來,獨居老人越來越多,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:信號檢測模塊和警報模塊,其原理圖如圖1,圖2所示。在信號檢測模塊中,單片機接收煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱烷T鈴的信號,經(jīng)過單片機處理后,通過無線發(fā)射模塊發(fā)送遙控指令。系統(tǒng)的警報模塊接收到遙控指令后,進行解碼并發(fā)出相應(yīng)的警報信號??紤]到本系統(tǒng)可以給聽障患者帶來方便,同時也可以給老人及獨居人士使用,本系統(tǒng)采用聲、光及振動三重警報。雙色燈分為紅色警報和綠色警報,紅色表示火災(zāi)、煙霧的緊急警報,綠色則表示門鈴警報。其中警報系統(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)中的電子振動器采用導(dǎo)線型微型振動電機;無線通信的發(fā)射模塊和接收模塊采用PT2262與PT2272配對編、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)計與調(diào)試
系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,方便系統(tǒng)今后升級、功能擴展或根據(jù)用戶需求而定制或改造不同功能模塊,既方便了設(shè)計、調(diào)試和維護,也大大增強了系統(tǒng)的實用性。
2.1 智能聽障助理系統(tǒng)信號檢測模塊電路
信號檢測模塊是本系統(tǒng)的核心部分,在此詳細敘述。本系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機作為中央處理器,它是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗單片機,指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機。系統(tǒng)中,STC89C52RC單片機的P2.0引腳接門鈴信號,P2.1腳接煙霧傳感器輸出的信號,P2.7腳接火焰?zhèn)鞲衅鬏敵龅男盘?。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。各功能模塊實現(xiàn)的功能如下:
(1)門鈴(Doorbell)輸入報警功能。當突發(fā)意外,即使家中聽障患者、老年人等不知外面的危險信息,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)的人及時得知外面的情況。另外,當有客人來訪時,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、警示燈閃爍和蜂嗚同時運作發(fā)揮作用,告知室內(nèi)人士的。
(2)火焰檢測報警功能?;鹧?zhèn)鞲衅?Fire Sensor)模塊JNHB2004能將探測到的火焰信號轉(zhuǎn)為0~5 V的電壓信號。連接時,該模塊的紅色線接DC 5 V,黑色線接GND,綠色線作為信號輸出,可直接輸入IC芯片,本系統(tǒng)中直接與單片機的P2.7引腳連接。圖3中的Header3即為火焰?zhèn)鞲衅髋c單片機的連接插頭。
當火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到有火災(zāi)時,向單片機P2.7引腳傳送信號,單片機接收到信號并處理后,控制發(fā)射模塊發(fā)送信號,無線接收端能夠響應(yīng)火災(zāi)警報,通知用戶。
(3)煙霧檢測報警功能。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)換成有一定對應(yīng)關(guān)系的輸出信號。其優(yōu)點在于在較寬的濃度范圍內(nèi)對可燃氣體有良好的靈敏度,壽命長,成本低。只需簡單的驅(qū)動電路即可。其電路連接法如圖4所示。
當煙霧傳感器檢測到煙霧時,單片機接收到它輸出的信號,處理后,控制發(fā)射模塊發(fā)送信號,無線接收端能夠響應(yīng)火災(zāi)警報,通知用戶。
(4)蜂鳴、振動和雙色警示燈警報功能。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信號,系統(tǒng)設(shè)計了振動裝置和雙色警示燈,通過振動和警示燈閃爍使他們感知警報,而蜂鳴呼叫又能通知周圍的人及時給予幫助或提醒等,以上三種警報是同時運作發(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。單片機接收到的火警信號、煙霧信號和門鈴信號處理后直接從其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就會有編碼輸出。單片機的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就會輸出對應(yīng)的高電平。PT2272各輸出端通過各種接口即可控制相應(yīng)的負載。本系統(tǒng)中的負載分別是雙色燈、蜂鳴器和微型振動電機。
2.2 智能聽障助理系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)采用C51語言進行模塊化編程,主要由主程序、火災(zāi)報警程序、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)計過程中遇到的問題及解決方法
本系統(tǒng)在設(shè)計研發(fā)過程中遇到許多問題和困難,包括軟件設(shè)計調(diào)試上和硬件設(shè)計凋試上的問題,都一一解決了,并成功地設(shè)計出期望的智能聽障助理系統(tǒng)。這里列舉幾個主要遇到的問題。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低電平。即當傳感器沒有檢測到明火時,它的輸出是低電平;檢測到火焰時輸出高電平。將傳感器與單片機引腳相連,單獨測試時,發(fā)現(xiàn)無論點火與否,火焰?zhèn)?br />
感器所接的單片機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測到火焰時,其輸出端輸出高電平,沒有檢測到火焰時,輸出端輸出低電平。而51系列單片機上電復(fù)位后I/O口均為高電平,當有火焰時,單片機無法判斷是因為火焰引起高電平還是其自身原有的高電平。為此,在火焰?zhèn)鞲衅髋c單片機之間須加一個反相器,這樣,當I/O口檢測到高電
平時,表示沒有檢測到火焰;否則,表示檢測到火焰。即此時單片機能夠識別高低電平的惟一意義了。
(2)煙霧傳感器調(diào)試時遇到的問題
連接好煙霧傳感器后,發(fā)現(xiàn)有煙霧時,傳感器檢測不到信號。通過示波器觀察,發(fā)現(xiàn)該傳感器有兩種接法。第一種接法會出現(xiàn)有煙霧時,電平會在原來的基礎(chǔ)上降低的現(xiàn)象;第二種則會出現(xiàn)在檢測到煙霧時,把電平拉高的現(xiàn)象;此時反觀焊接,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,發(fā)現(xiàn)該器件的工作電壓為5 V,誤差為0.1 V。于是測量本系統(tǒng)中煙霧傳感器的工作電壓,發(fā)現(xiàn)達到5.8 V。初步判斷該器件燒壞了。重新?lián)Q上一個新的器件,按照圖4中的經(jīng)典接法接上,原來的程序保持不變。下載到單片機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,仔細檢查確保無誤后,給PT2262的D0端口加上一個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,此時接收模塊對應(yīng)端口上的LED燈點亮了,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
實驗證明,本系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,抗干擾能力強,操作簡單,并獲得省級大學(xué)生電子設(shè)計大賽三等獎。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信號;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現(xiàn)??傊撓到y(tǒng)簡單實用,特別適合于聽障人士、老年人、獨居人士和一般人使用,具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價值。