智能听障助理系统的设计与实现

摘要：为了听障人士家居安全和减少其家人的精神负担，设计了一款基于STC89C52RC单片机控制的智能听障助理系统。该系统具有门铃感应，烟雾、火灾报警等功能，价格低廉。实验证明，该系统操作简单，运行稳定可靠，抗干扰能力强。
关键词：单片机；听力障碍；传感器；无线收发模块

0 引言
    听力障碍(Dysaudia)是指听觉系统中的传音、感音以及对声音的综合分析的各级神经中枢发生器质性或功能性异常，而导致听力出现不同程度的减退。听障人士、老年人均具有生活自理能力，但是，由于他们生理上的缺陷，常常给其居家生活带来不便，甚至生命危险，给其家人带来不少负担。智能听障助理系统就是专门针对这一特殊人群而设计开发的，该系统具有门铃感应、烟雾报警、火焰报警、警示灯闪烁、振动报警等功能，操作简单，经济实用，在一定程度上既方便了听障人士、老年人、独居人士，也解放了其家人。随着中国社会老龄化的到来，独居老人越来越多，该系统具有广阔的应用前景和推广价值。

1 智能听障助理系统基本工作原理
    为了使智能听障助理系统具有便携式功能，本系统分成两大模块：信号检测模块和警报模块，其原理图如图1，图2所示。在信号检测模块中，单片机接收烟雾传感器、火焰传感器和门铃的信号，经过单片机处理后，通过无线发射模块发送遥控指令。系统的警报模块接收到遥控指令后，进行解码并发出相应的警报信号。考虑到本系统可以给听障患者带来方便，同时也可以给老人及独居人士使用，本系统采用声、光及振动三重警报。双色灯分为红色警报和绿色警报，红色表示火灾、烟雾的紧急警报，绿色则表示门铃警报。其中警报系统可以随身携带或带在手腕上，或放在家中显眼的地方。

    系统中的电子振动器采用导线型微型振动电机；无线通信的发射模块和接收模块采用PT2262与PT2272配对编、解码芯片构成，其工作频率为315 MHz，采用FM方式调制。

2 智能听障助理系统硬件、软件设计与调试
    系统采用模块化设计，方便系统今后升级、功能扩展或根据用户需求而定制或改造不同功能模块，既方便了设计、调试和维护，也大大增强了系统的实用性。
2．1 智能听障助理系统信号检测模块电路
    信号检测模块是本系统的核心部分，在此详细叙述。本系统采用STC89C52RC单片机作为中央处理器，它是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机。系统中，STC89C52RC单片机的P2．0引脚接门铃信号，P2．1脚接烟雾传感器输出的信号，P2．7脚接火焰传感器输出的信号。P1．0～P1．3引脚分别接无线发射模块核心芯片PT2262的TE引脚、数据输入端D1、D2和D3引脚，具体连接图如图3所示。各功能模块实现的功能如下：

    (1)门铃(Doorbell)输入报警功能。当突发意外，即使家中听障患者、老年人等不知外面的危险信息，周围的人仍可以通过按无线电子门铃触发智能听障助理系统，让室内的人及时得知外面的情况。另外，当有客人来访时，通过按门铃，可以让听障人士知晓有人敲门了。所有这些提示信息都是通过振动、警示灯闪烁和蜂呜同时运作发挥作用，告知室内人士的。
    (2)火焰检测报警功能。火焰传感器(Fire Sensor)模块JNHB2004能将探测到的火焰信号转为0～5 V的电压信号。连接时，该模块的红色线接DC 5 V，黑色线接GND，绿色线作为信号输出，可直接输入IC芯片，本系统中直接与单片机的P2．7引脚连接。图3中的Header3即为火焰传感器与单片机的连接插头。
    当火焰传感器检测到有火灾时，向单片机P2．7引脚传送信号，单片机接收到信号并处理后，控制发射模块发送信号，无线接收端能够响应火灾警报，通知用户。
    (3)烟雾检测报警功能。烟雾传感器(Smoke Sernsor)采用MQ-2普敏气体烟雾传感器，它能将空气中的烟雾浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号。其优点在于在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，寿命长，成本低。只需简单的驱动电路即可。其电路连接法如图4所示。

    当烟雾传感器检测到烟雾时，单片机接收到它输出的信号，处理后，控制发射模块发送信号，无线接收端能够响应火灾警报，通知用户。
    (4)蜂鸣、振动和双色警示灯警报功能。为了让听障患者、老年人、听力衰退等人士能够更好地得知警报信号，系统设计了振动装置和双色警示灯，通过振动和警示灯闪烁使他们感知警报，而蜂鸣呼叫又能通知周围的人及时给予帮助或提醒等，以上三种警报是同时运作发挥作用的。
    (5)无线收发模块。无线收发模块在本系统中起无线通信的作用。发射芯片PT2262-IR将载波振荡器、编码器和发射单元集成于一身，使发射电路变得非常简洁。单片机接收到的火警信号、烟雾信号和门铃信号处理后直接从其P1．1～P1．3脚发送给PT2262的数据输入端口D1～D3。D1～D3中只要有一位为“1”，PT2262就会有编码输出。单片机的P1．0与PT2262的TE相连，用以控制多数据编码的发射。只要接收模块中PT2272的地址码与PT2262一致，其数据输出端口D1～D3就会输出对应的高电平。PT2272各输出端通过各种接口即可控制相应的负载。本系统中的负载分别是双色灯、蜂鸣器和微型振动电机。
2．2 智能听障助理系统软件设计
    本系统采用C51语言进行模块化编程，主要由主程序、火灾报警程序、门铃响应程序等组成，系统程序流程图如图5所示。

2．3 软硬件设计过程中遇到的问题及解决方法
    本系统在设计研发过程中遇到许多问题和困难，包括软件设计调试上和硬件设计凋试上的问题，都一一解决了，并成功地设计出期望的智能听障助理系统。这里列举几个主要遇到的问题。其他问题由于篇幅的原因，在此不再赘述。
    (1)火焰传感器调试时遇到的问题
    把火焰传感器的电源和地接上，用万用电表的电压档测试其输出端和地之间的电压，发现传感器的输出端是一个低电平。即当传感器没有检测到明火时，它的输出是低电平；检测到火焰时输出高电平。将传感器与单片机引脚相连，单独测试时，发现无论点火与否，火焰传
感器所接的单片机I／O口一直为高电平。
    通过查找资料发现，火焰传感器检测到火焰时，其输出端输出高电平，没有检测到火焰时，输出端输出低电平。而51系列单片机上电复位后I／O口均为高电平，当有火焰时，单片机无法判断是因为火焰引起高电平还是其自身原有的高电平。为此，在火焰传感器与单片机之间须加一个反相器，这样，当I／O口检测到高电
平时，表示没有检测到火焰；否则，表示检测到火焰。即此时单片机能够识别高低电平的惟一意义了。
    (2)烟雾传感器调试时遇到的问题
    连接好烟雾传感器后，发现有烟雾时，传感器检测不到信号。通过示波器观察，发现该传感器有两种接法。第一种接法会出现有烟雾时，电平会在原来的基础上降低的现象；第二种则会出现在检测到烟雾时，把电平拉高的现象；此时反观焊接，发现传感器的方向与想象中的方向相反，于是将硬件拆下来，换另一种方式焊接。下载程序后发现依然不行。再查该器件的DATASHEET时，发现该器件的工作电压为5 V，误差为0．1 V。于是测量本系统中烟雾传感器的工作电压，发现达到5．8 V。初步判断该器件烧坏了。重新换上一个新的器件，按照图4中的经典接法接上，原来的程序保持不变。下载到单片机并提供烟雾等外部环境，器件终于可以正常工作。
    (3)无线收发模块调试时遇到的问题
    首先将PT2262，PT2272M4的1脚接地，其他的悬空，两者地址管脚连接保持一致。连接好电路，仔细检查确保无误后，给PT2262的D0端口加上一个3 V电压，但是接收模块没有反应。再次检查电路，没有发现问题。查资料得知，不同厂家的收发模块采用的电压不一样，于是接上5 V电压，此时接收模块对应端口上的LED灯点亮了，但灯却一直亮着，即发送模块一直保持着发送状态，这是不正常的。重新查资料发现，要想使收发模块正常工作，必须正确设置PT2262 TE端口的电平，其高低电平可以控制编码的发射。通过设置，最终成功地使PT2272M4接收端口的LED灯闪烁。

3 结论
    实验证明，本系统运行稳定可靠，抗干扰能力强，操作简单，并获得省级大学生电子设计大赛三等奖。随着产品化生产，本系统还可以做得更完善：将接收模块做成腕表一样小巧，将它带在手上，既是装饰品，用户又容易感受到警报信号；可以增加系统的求助功能。更多的完善方案有待于去努力实现。总之，该系统简单实用，特别适合于听障人士、老年人、独居人士和一般人使用，具有广阔的应用前景和推广价值。