基于51单片机的个性化康复健身拐杖设计

董佳楠，朱玲铃，位健，尤照江，许崇彩

(1.宿迁学院，江苏宿迁，223800；2.宿迁学院产业技术研究院，江苏宿迁，223800)

0 引言

据中国国家统计局数据显示：预计到2020年，老年人口达到2.48亿，老龄化水平达到17.17%，其中，80岁以上老年人口将达到3067万人；2025年，六十岁以上人口将达到3亿，中国成为超老年型国家；2040年，我国人口老龄化进程[1]达到顶峰。

当今，大多数青壮年忙于工作，无暇顾及家中的老人，老人在独立环境下的日常健身与跌倒康复训练问题越来越受到社会的重视。而随着物联网技术、计算机技术、电子技术的迅猛发展，产品的更新换代愈来愈快，生活中智能[2]产品日益增多。服务机器人、工业机器人等的出现，使得人机关系在现代信息化社会中地位突出。人们对产品的便捷性要求更高，对社会服务的人性化、智能化的愿望更强烈。

拐杖[3]，作为重要的医疗康复辅助用具，种类主要有三种：手杖、肘杖、腋杖。其中，手杖主要用于轻度腿疾患者，且使用便捷，适用度广。考虑到上述种种因素，本设计针对老年人康复健身问题，选用手杖作为媒介，合理加装电子产品[4]，使其智能化。

1 总体方案

本设计系统的主控芯片为STC89C52单片机，功能模块包括光感照明模块、障碍物检测模块、计步定位模块、姿态监测模块与报警模块。由使用者需求，可自由选取模块，进行个性化组装。

系统上电后, 拐杖开启智能模式，根据环境明暗变化，自动开灯和关灯；使用者在行走中, 拐杖检测到前方障碍物,提示报警，避免人为事故的发生；使用者可根据顶部安装的显示屏幕，查看当前走的步数，作为运动量的一个简单估测；使用者摔倒时，自动启动语音提醒，外出让家人更加放心。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

2 硬件模块设计

■2.1 STC89C52

STC89C52单片机[5]是STC公司出品的一种集运算速度快、功耗小及抗干扰能力强等优点于一身的新型单片机芯片。它具有8K字节的ROM、片上集成512字节RAM、可编程可擦除的CMOS 8位微控制器，虽然沿用了经典的MCS-51内核，但经过多方面的改进使它的功能比传统的51单片机更加强大。本设计STC89C52单片机实现各个模块的整体控制，完成信息的通讯。

■2.2 光感照明模块

本模块采用光敏电阻检测环境明暗变化，当光敏电阻感应[6]到光线变化时，将信号传给控制单元进行处理，再由控制单元控制路灯的亮灭。

通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。

■2.3 障碍物检测模块

超声波传感器[7]主要有电致伸缩和磁致伸缩两类，电致伸缩采用双压电陶瓷晶片制成，具有可逆特性。

本模块采用软件查询的方法，检测超声波模块接收管脚的回波信号情况。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。当信号为0时，表示没有回波信号，此时等待信号变为高电平，当接收到回波信号时，程序继续运行，此时开启定时器T0，直到回波信号消失才关闭，此时测到的时间就是回波信号的高电平脉宽时间长度。

定时器T1使用数码管显示，每隔500ms作为一个周期，发送一次超声波。HC-SR04超声波测距模块可提供2cm至400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可高达3mm，其模块组装实物图如图2所示。

图2 障碍物检测模块组装实物图

■2.4 计步定位模块

本模块采用三轴加速度传感器[8]，其体积小，利于制作成为便携计步器。

通过数字滤波器让使用者竖向、前向和侧向的加速度变得平滑。系统持续更新3轴加速的最大值和最小值, 每采样50次更新一次。平均值(Max+Min) /2为动态阈值。接下来的50次采样利用此阈值判断个体是否迈步。由于阈值每50次采样更新一次, 这种选择具有自适应性也足够快。步伐计数器根据x、y、z三轴加速度变化最大的一个轴计算步数。如果加速度变化太小, 计数将忽略，其模块组装实物图如图3所示。

图3 计步定位模块组装实物图

■2.5 姿态监测模块

本模块采用倾斜传感器[9]，它既能测量运动或冲击导致的动态加速度，也能测量静止加速度，例如重力加速度，此时可使器件作为倾斜传感器来使用。

差分电容由独立固定板和活动质量连接板组成，能对结构偏向进行测量。

当物体移动时，加速度惯性使质量连接板偏转、差分电容失衡，传感器的输出的幅度与加速度呈正比。由相敏解调以确定加速度的幅度和极性，从而可以计算出物体的的倾斜角度。

■2.6 报警模块

由于拐杖被广泛用于室外的嘈杂环境中，本模块采用蜂鸣器报警，当通过超声波的发射和接收电路以及软件结合判断出前方有障碍物时，系统将发出报警信号。声音报警电路通过一个简单的三极管驱动蜂鸣器报警。

单片机控制BEEP的高低电平来让蜂鸣器是否工作，Q1为三极管，NPN型，所以此处BEEP为高电平时，三极管开通，蜂鸣器接地得电，相反为低电平时，三极管截止，蜂鸣器不得电。

■2.7 复位电路模块

复位电路由按键、电容、电阻、VCC及GND组成。S2为按键，按下手动复位，复位即让程序重新运行，不会导致电路板任何器件的损坏或者程序的丢失。

■2.8 电源模块

电源模块需要具备系统简单、运行可靠的特点。在电路设计中如果电压太大,会造成电流过大，容易缩减组件的使用寿命，并且会烧坏单片机的芯片，从而导致不可预估的损耗。本文中所设计的系统需要5V电压，因此单电源方案最为合适。

电源电路目的:给控制电路及其它电路提供一个稳定的电源。它的稳定与否涉及到电路是否能稳定工作。本次设计采用可稳压芯片 LM393，是最常见的三端稳压集成电路，用其组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

3 软件程序设计

系统的软件设计采用 C 语言，可以大大提高程序编写时的效率，设计的关键是超声波的发射和接收，以及障碍物距离的计算和语音报警。单片机端设计的软件功能版块主要有：明暗监测子模块、报警子模块、超声波子模块、姿态监测模块等。

主程序首先对系统初始化，然后循调用超声波发射子程序，延时程序，超声波测距子程序，报警子程序等。主程序框架图如图4所示。

图4 主程序框架图

4 结论

本文设计的智能拐杖操作简单, 功能实用, 能够满足使用者的生活需求。打开电源，环境明暗检测系统自动检测周围光线强度，当光线为弱光时，自动开启LED；当光线为强光时，自动关闭LED。使用者打开系统总开关后，计步功能自动开启，实时监测使用者的状态，反馈步数信息；同时，系统自动开启超声波测距功能，结合警报系统实时反馈信息。系统内置震动和声音两种提醒方式，当智能拐杖判定有危险时，警报提醒模块发出警报。当超声波测距系统测量到前方1米内有障碍物或监测到使用者为摔倒状态时，自动将信号传递给警报提示系统并发出警报，且离障碍物越近警报声越急促，此时震动马达也开始工作。

且针对目前智能拐杖的发展形势，我们在现有的功能个性化与人性化基础上，制作了后期的优化发展方案，添加几个重要的模块组件及改动：

（1）歌曲播放功能：由TF卡槽与功放板组成该模块，使得运动的过程更加休闲轻松。

（2）一键通信救助：该模块主要由GSM无线通信模块与GPS构成，能够对使用者进行实时定位，并且在使用者发出求助后，发送短信定位给使用者的家人。

（3）GPS定位功能：通过GPS[10]以及GSM模块实时发送定位与客户端，家人守护更放心。

（4）语音提醒：通过语音的方式进行交互，更好的实现智能化。

（5）体积、线路优化：能够真正的打造成一款产品，对其体积与线路高度集成化，增强其防水性能，提高电池的续航能力。

5 结束语

本文介绍了一种基于51单片机的个性化康复健身拐杖设计，包括有四个主要功能：光感照明功能、障碍物检测功能、计步定位功能以及多传感提醒功能。在功能的组装上充分考虑用户体验，可根据用户需求，自行选择模块，个性化装配。通过对硬件电路与软件程序的设计，在实践中验证方案的可行性与有效性。