老年人多功能智能拐杖的設計與實(shí)現

摘要：現有市場(chǎng)上老年人使用的拐杖結構簡(jiǎn)單、功能單一，無(wú)法實(shí)現實(shí)時(shí)監控、及時(shí)求救等功能，由于近年來(lái)老年人摔倒不能得到及時(shí)的幫助和老年人走失的情況越來(lái)越多，為了保證老年人出行安全，在緊急情況能得到及時(shí)幫助、便于監護人及時(shí)監控和尋找。本文以單片機89C52為主控件，設計了一款具有GPS定位、呼叫電話(huà)、報警系統、LED照明燈、MP3等功能的智能拐杖，該設計操作簡(jiǎn)單、成本較低，具有較強的實(shí)用性和市場(chǎng)價(jià)值。

1 概述

　　現階段，我國已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會(huì )，按照國家規定，65周歲以上的人確定為老年，2011年我國老年人口比重達13.7%，2013年我國60歲以上老年人口已突破2億，預計未來(lái)20年我國老年人口將進(jìn)入快速增長(cháng)期，到2050年老年人口將達到全國人口的三分之一。老齡化問(wèn)題不僅給每個(gè)家庭帶來(lái)了困惑，也給予社會(huì )極大壓力。老年人隨著(zhù)年齡增長(cháng)，記憶力、視力不斷下降，腿腳也越來(lái)越不靈活，反應逐漸遲鈍等，出行不便，最近幾年老人走失情況越來(lái)越嚴重，在網(wǎng)絡(luò )和微博上經(jīng)常會(huì )看到尋找走失老人的新聞。據調查，65歲以上老人中至少有30%的人曾經(jīng)摔倒?；谏显V這些問(wèn)題，本文設計了專(zhuān)門(mén)為老年人而設計的智能拐杖。本設計工作的基本原理：(1)利用GPS定位功能隨時(shí)確定使用者位置;(2)使用者可以調節燈光的遠近，方便夜間行走;(3)當使用者摔倒時(shí)，報警系統開(kāi)啟報警功能，以便使用者可以得到及時(shí)的幫助，同時(shí)向監護人發(fā)送求救或者撥打相應的電話(huà)求救，對老年人出現意外事故時(shí)提供切實(shí)有效的幫助;(4)通過(guò)熱釋電紅外線(xiàn)測量拐杖與使用者之間的距離，提醒使用者及時(shí)的使用拐杖或便于使用者尋找。

2 硬件設計

2.1 系統功能實(shí)現原理

　　多功能智能拐杖主要利用單片機技術(shù)，是一款具有紅外線(xiàn)測距、報警、傾斜等多功能的智能收縮拐杖。智能拐杖硬件主要由角度傳感器、熱釋電傳感器、蜂鳴器、89S52單片機控制電路組成。系統硬件組成示意圖如圖1所示。

2.2 硬件電路設計

2.2.1 SCA60C角度傳感器工作原理

　　本設計以89S52單片機為控制核心，用SCA60C單軸傾角傳感器測量拐杖的平衡狀態(tài)。角度傳感器的連接如圖2所示，當拐杖處于平衡狀態(tài)時(shí)，角度傳感器SCA60C與水平面成0°，Vout端輸出0.5V的模擬電壓。當拐杖垂直于地面時(shí)，角度傳感器SCA60C與水平面成90°，此時(shí)Vout輸出+5V的模擬電壓。傳感器SCA60C僅能精確檢測到0~90°的范圍，在此范圍之內，Vout端輸出的是正比于傾角大小的+0.5V~+5V的模擬電壓信號，因此可以通過(guò)測定傳感器SCA60C輸出端Vout電壓的大小即可確定拐杖與水平面的角度。

2.2.2 蜂鳴器驅動(dòng)原理

　　電磁式蜂鳴器主要由振蕩器、電磁線(xiàn)圈、振動(dòng)膜片、磁鐵及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過(guò)電磁線(xiàn)圈，使電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，振動(dòng)膜片在電磁線(xiàn)圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動(dòng)發(fā)出聲音。由于蜂鳴器的發(fā)聲需要一定電流才能驅動(dòng)它，單片機I/O引腳輸出電流較小，因此單片機輸出TTL電壓基本上驅動(dòng)不了蜂鳴器，所以通過(guò)添加一個(gè)三極管來(lái)驅動(dòng)放大蜂鳴器。如圖2所示，蜂鳴器正極接到VCC，蜂鳴器的負極接到三極管的發(fā)射極E，基極B經(jīng)過(guò)限流電阻R7后由單片機的P3.3引腳控制，當P3.3輸出高電平時(shí)，三極管Q2截止，此時(shí)沒(méi)有電流流過(guò)線(xiàn)圈，蜂鳴器不發(fā)聲，當P3.3輸出低電平時(shí)，三極管導通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。因此，可以通過(guò)程序控制P3.3引腳的電平來(lái)控制蜂鳴器的聲音。

2.2.3 人體熱釋電紅外傳感器的工作原理

　　熱釋電紅外傳感器都是基于熱電效應原理的熱電型紅外傳感器，人體都有37°左右的恒定體溫，所以會(huì )發(fā)出10μm左右的紅外線(xiàn)而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10μm左右的紅外線(xiàn)通過(guò)菲涅爾濾光鏡增強后聚集到紅外感應源上，紅外感應源采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì )失去電荷平衡，向外釋放電荷。一旦人體進(jìn)入探測區域內，人體紅外輻射通過(guò)部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接受，經(jīng)單片機處理后而產(chǎn)生報警。

3 系統軟件功能

　　智能拐杖軟件部分主要包括：初始化設置、建立GPS定位、在線(xiàn)監控、電子圍欄、親情號設置、求助等功能。

3.1 軟件框圖設計

　　智能拐杖的功能框如圖3所示。

　　監護人可以通過(guò)web端或手機客戶(hù)端進(jìn)入該軟件界面，如果是初次使用，首先進(jìn)行初始化的設置。

　　根據自身情況填寫(xiě)相關(guān)的內容，判斷安裝在拐杖中的GPS定位功能是否開(kāi)啟，如果開(kāi)啟，可以根據GPS定位得知此時(shí)拐杖所在的位置，當拐杖歪倒時(shí)，硬件電路中的蜂鳴器開(kāi)啟發(fā)出報警;當超過(guò)1分鐘，通過(guò)硬件電路電機自動(dòng)撥通預先設置好的電話(huà)，得到進(jìn)一步求助。也可以在界面中設置電子圍欄，當超出所設定的范圍，進(jìn)行報警提示。