老年人多功能智能拐杖的設計與實現

摘要：現有市場上老年人使用的拐杖結構簡單、功能單一，無法實現實時監(jiān)控、及時求救等功能，由于近年來老年人摔倒不能得到及時的幫助和老年人走失的情況越來越多，為了保證老年人出行安全，在緊急情況能得到及時幫助、便于監(jiān)護人及時監(jiān)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、報警系統、LED照明燈、MP3等功能的智能拐杖，該設計操作簡單、成本較低，具有較強的實用性和市場價值。

1 概述

　　現階段，我國已經進入老齡化社會，按照國家規(guī)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20年我國老年人口將進入快速增長期，到2050年老年人口將達到全國人口的三分之一。老齡化問題不僅給每個家庭帶來了困惑，也給予社會極大壓力。老年人隨著年齡增長，記憶力、視力不斷下降，腿腳也越來越不靈活，反應逐漸遲鈍等，出行不便，最近幾年老人走失情況越來越嚴重，在網絡和微博上經常會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%的人曾經摔倒。基于上訴這些問題，本文設計了專門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定位功能隨時確定使用者位置;(2)使用者可以調節(jié)燈光的遠近，方便夜間行走;(3)當使用者摔倒時，報警系統開啟報警功能，以便使用者可以得到及時的幫助，同時向監(jiān)護人發(fā)送求救或者撥打相應的電話求救，對老年人出現意外事故時提供切實有效的幫助;(4)通過熱釋電紅外線測量拐杖與使用者之間的距離，提醒使用者及時的使用拐杖或便于使用者尋找。

2 硬件設計

2.1 系統功能實現原理

　　多功能智能拐杖主要利用單片機技術，是一款具有紅外線測距、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，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，角度傳感器SCA60C與水平面成90°，此時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 蜂鳴器驅動原理

　　電磁式蜂鳴器主要由振蕩器、電磁線圈、振動膜片、磁鐵及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產生磁場，振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)出聲音。由于蜂鳴器的發(fā)聲需要一定電流才能驅動它，單片機I/O引腳輸出電流較小，因此單片機輸出TTL電壓基本上驅動不了蜂鳴器，所以通過添加一個三極管來驅動放大蜂鳴器。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經過限流電阻R7后由單片機的P3.3引腳控制，當P3.3輸出高電平時，三極管Q2截止，此時沒有電流流過線圈，蜂鳴器不發(fā)聲，當P3.3輸出低電平時，三極管導通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。因此，可以通過程序控制P3.3引腳的電平來控制蜂鳴器的聲音。

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，所以會發(fā)出10μm左右的紅外線而進行工作的。人體發(fā)射的10μm左右的紅外線通過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)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷。一旦人體進入探測區(qū)域內，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接受，經單片機處理后而產生報警。

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、在線監(jiān)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(jiān)護人可以通過web端或手機客戶端進入該軟件界面，如果是初次使用，首先進行初始化的設置。

　　根據自身情況填寫相關的內容，判斷安裝在拐杖中的GPS定位功能是否開啟，如果開啟，可以根據GPS定位得知此時拐杖所在的位置，當拐杖歪倒時，硬件電路中的蜂鳴器開啟發(fā)出報警;當超過1分鐘，通過硬件電路電機自動撥通預先設置好的電話，得到進一步求助。也可以在界面中設置電子圍欄，當超出所設定的范圍，進行報警提示。