智能贴心拐杖的设计于实现

杨爱文　钱义勇　王君

摘 要：目前国内市场上普遍的都还是传统的拐杖，或者仅有手电筒以及SOS报警功能，为使该产品更智能化、人性化、安全化，于是产生了智能拐杖，基于中国日益严重的人口老龄化问题，智能拐杖的更新换代应该会很快，而提高拐杖的附加值，使拐杖更人性化、安全化、智能化也是智能拐杖的发展趋势。

关键词：传感器；单片机；拐杖

项目简介：目前国内市场上普遍的都还是传统的拐杖，或者仅有手电筒以及SOS报警功能，为使该产品更智能化、人性化、安全化，于是产生了智能拐杖。在我们的设计目标中，实现了具有心跳检测，温度显示，时间显示以及USB充电功能的拐杖，我们所做拐杖不仅具备普通拐杖的助行功能，还拥有夜间照明、USB充电、心跳检测、收音机功能，日常的时间、温度显示功能，让老人夜间出行无忧老人方便的知道当前时间和温度，以及sos报警功能供老人需要时提供帮助。

总体设计方案：系统结构分为三大模块，控制模块、信息采集模块以及输出模块。各功能模块包括温度传感器，单片机，LCD显示屏，电源、各项功能实现装置等。主要设计部分与创新处有单片机内核控制程序设计，电路设计，外形设计，来实现相应的功能。而且由于单片机超低功耗的特点，节能环保。

此系统是通过传感器及一些译码电路把数字信号传送给MSP430F149单片机，经单片机处理之后把结果显示在显示屏上，以及一些控制按钮来实现人机交互，下面着重介绍下心率检测功能及时间显示和温度检测功能：

1.心率检测电路

①传感器：

采用压电陶瓷片作为传感器，将压电陶瓷片贴于人体颈部，感受心跳时颈部动脉压力变化，在陶瓷片两面产生电位差，通过采集电压变化信号探测心跳。

②前置放大器：

采用集成运算放大器LM358。LM358内部包括有两个独立的高增益、内部频率补偿的双运算放大器，具有电源电压范围宽、低功耗电流、低输入偏置电流、输出电压摆幅大等特点。由于在实际应用中，外界信号的干扰，以及考虑到放大器的稳定性，一级放大器不能实现如此大的增益，所以电压放大器一般由两级组成，分为前置放大器和后级放大电路中，为防止心率信号产生非线性失真，放大器的放大倍数不宜设的过高，为了便于后续处理，心率信号整的放大倍数在1000倍左右，考虑到整个电路的放大要求以及放大器的性能，我们将其前置放大器的放大倍数设置为100倍。

③低通滤波器：

采用二阶巴特沃斯低通滤波器，主要用于抑制心率信号中5HZ以上高频干扰，并获取纯净的心率信号，即按人体心跳在运动后最高跳动次数达240次/分来计算，其截止频率为4HZ，但为了保证心率信号不被衰减过大，将其截止频率设为5Hz。为了防止前面对于高频干扰滤除的不够彻底，电路中还设计了由放大器U3、电阻R8、R9和电容C6、C7组成的5HZ有源低通滤波器电路，进一步滤除高频干扰，如下图电路。

该低通滤波器采用二阶贝塞尔滤波器，它具有巴特沃斯滤波器的所有优点，其通频带内的频率响应曲线非常平坦，没有起伏，对带外的衰减可以达到-40dB/10倍频，是一种比较流行、广泛应用的滤波器。按人体心跳在运动后最高跳动次数达240次/分来计算，其截止频率为4HZ，但为了保证心率信号不被衰减，在这里将其截止频率设为5Hz。电路中要求R8=R9，C6=2C7，根据其截止频率公式：可以确定R8、R9和C6、C7的值。如果取R8、R9的值为100K，可以算出C7=300nF，C8=2*C7=600nF。

④末级放大器

采用可调增益放大器，由于人体心率信号极不稳定，变化范围大、且信号幅度的大小因人而异，因此，最可取的方式是将后级放大器设置为增益可调放大器。本系统后级放大电路采用增益可调的可控增益放大电路，电路主要由运算放大器LM358和四双向模拟开关CD4066构成

⑤整形电路：

经过放大、滤波后的心率信号还必须对其进行整形，得到一个可供单片机处理的脉冲信号。我们采用电压比较器。可以根据心电信号主波幅值高的特点，通过设置合适的比较器门限电压，即可得到准确、平滑的矩形脉冲信号。门限电压由外部电路提供。设计时，通常将电源电压经分压电阻分压后供给比较器，为了便于调节，分压电阻一般采用电位器。上述心率信号为模拟信号，不能直接作为单片机的接口信号，必须整形处理成方波信号。本电路采用LM393比较器作整形电路。

⑥主控单元：

MSP430f149是德州公司新开发的一类具有16位总线的带FLASH 的单片机，由于其性价比和集成度高，受到广大技术开发人员的青睐.它采用16位的总线，外设和内存统一编址，寻址范围可达64K，还可以外扩展存储器.具有统一的中断管理，具有丰富的片上外围模块，片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个14路的12位的模数转换器、一个看门狗、6路P口、两路USART通信端口、一个比较器、一个DCO内部振荡器和两个外部时钟，支持8M 的时钟.由于为FLASH型，则可以在线对单片机进行调试和下载，且JTAG口直接和FET（FLASH EMULATION TOOL）的相连，不须另外的仿真工具，方便实用，而且，可以在超低功耗模式下工作，对环境和人体的辐射小，测量结果为100mw左右的功耗（电流为14mA左右），可靠性能好，加强电干扰运行不受影响，适应工业级的运行环境，适合与做手柄之类的自动控制的设备.

⑧数据测试

测试仪器：FUKE TD9250数字万用表、F40数字合成函数信号发生器。

测试方法：函数信号发生器产生一个峰-峰值为2mV的正弦信号作为输入信号，调节频率范围为0.5～4HZ，用直流电压档测试各级各级输出信号。

2 温度检测系统：

该温度检测系统由主控制器MSP430F149、存储模块CAT24WC64、液晶显示模块HTM1602A、温度传感器DS18B20组成。温度测量电路只占用了MSP430F149 的一個普通IO口， 系统资源利用率较高。

DS18B20芯片：DS18B20主要由四部分组成： 光刻ROM、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH 和TL 配置寄存器。访问DS18B20的工作顺序通常为： 初始化， 发送ROM 操作命令， 发送RAM 操作命令。通过初始化复位工作使主设备知道传感器DS18B20存在并准备工作。通过发送ROM 命令可以知道某个特定的DS18B20是否存在并且是否超过温度警界值。该系统是把从DS18B20测得的温度模拟信号传送给单片机，然后单片机经处理之后把8421BCD码传送给CD4511译码器，再经译码后把十进制码显示在LG5011显示屏上。

3 时钟模块

所用芯片：DS1302芯片：是通过三根口线实现与单片机的通信。DS1302是一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。

DS1302的数据读写是通过I/O串行进行的，当进行一次读写操作时最少得读操作时最少得读两个字节，就是一个命令，告诉DS1302是读还是写操作，是对RAM还是对CLOK寄存器操作，以及操作的址，第二个字节就是要读或者写的数据了。在进行操作之前先得将CE（也可以说是RST）置高电平，然后单片机将控制字符的位0放在I/O上，当I/O的数据稳定后，将SCLK置高电平，DS1302检测到SCLK上升沿后就将I/O上的数据读取，然后单片机将SCLK置为低电平，再将控制字的位1放在I/O上。读与写操作的不同就在于写操作是在SCLK低电平时单片机将数据放到I/O上，当SCLK上升沿时，DS1302读取。而读操作是在SCLK高电平时DS1302放数据到IO上，将SCLK置为低电平后，单片机就可以从IO上读取数据。

未来发展方向：随着科技的日益加速发展，中国人口老年化比例越来越高，相信未来适用于老年人的拐走会有更多更实用的功能。用拐杖打电话、用拐杖的语音导航等更实用的功能将会出现，而且成本更低，让我们拭目以待。

参考文献

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[3]曹磊，MSP430单片机C程序设计与实践[M]，北京，北京航天航空大学出版社，2007

[4]沈建华，杨艳琴，翟骁曙，MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M]，北京，清华大學出版社，2004