基于STM32的聽障人士輔助手環(huán)

吳世凱 任星橋

摘 要：中國聽力障礙者已達(dá)7 200萬，聽不到聲音給這個(gè)龐大群體的生活帶來很大的不便。為了解決這個(gè)問題， 文中設(shè)計(jì)一種聽障人士輔助手環(huán)，并詳細(xì)介紹該手環(huán)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)原理。該手環(huán)以STM32F103ZET6為處理器，采用nRF24L01無線模塊、模擬量聲音傳感器、OLED顯示屏，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)聲音檢測并提醒，還有訪客提醒功能。經(jīng)實(shí)物組裝測試，該手環(huán)可以快速響應(yīng)按鍵指令，具有低功耗、便操作優(yōu)勢，基本符合設(shè)計(jì)要求。手環(huán)可以解決聽障人士部分生活中困難，具有一定的推廣意義。

關(guān)鍵字：STM32;聽障人士;輔助手環(huán);OLED;nRF24L01;傳感器

中圖分類號(hào)：TP391.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）02-00-02

0 引 言

聽障人士是個(gè)龐大的群體，全國約有7 200萬人，聽不到聲音給他們的生活帶來很大的不便。聽不到汽車鳴笛聲、喊叫聲、警報(bào)聲等危險(xiǎn)警示聲常常給他們帶來危險(xiǎn)，但是目前市面上沒有產(chǎn)品可解決該問題，并且常見的聽障人士門鈴，為閃光提醒，這就不可避免的有看不見或者睡著了而錯(cuò)過的情況[1]。

因此本文設(shè)計(jì)一種聽障人士輔助手環(huán)，實(shí)現(xiàn)日期顯示、鬧鐘提醒、危險(xiǎn)聲音檢測并提醒以及來訪者提醒功能，來解決聽障人士生活中遇到的問題[2]。

1 總體硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由兩大部分組成，即以STM32F103ZET6為處理器的手環(huán)部分和門鈴部分。

手環(huán)部分采用0.96寸OLED進(jìn)行日期和提醒文字的顯示，NRF20L01無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的接受，模擬量聲音傳感器進(jìn)行危險(xiǎn)聲音的檢測，直流振動(dòng)馬達(dá)作為振動(dòng)源[3]。

手環(huán)通過無線模塊接收門鈴發(fā)送的數(shù)據(jù)并傳回處理

器[4]，處理器控制馬達(dá)起振，OLED屏顯示提示文字。模擬量聲音傳感器會(huì)實(shí)時(shí)檢測周圍聲音并輸出模擬信號(hào)[5]，模擬信號(hào)傳入放大電路進(jìn)行放大，放大后信號(hào)傳入比較電路，當(dāng)放大后信號(hào)超出設(shè)定閾值，電路會(huì)輸出高電壓信號(hào)，處理器檢測到該高電壓信號(hào)后控制馬達(dá)起振。

門鈴部分由STM32F103ZET6處理器與nRF24L01無線模塊夠成[6]。檢測到門鈴板載按鍵按下時(shí)，處理器控制無線模塊發(fā)送一組數(shù)據(jù)給手環(huán)的無線模塊[7]。手環(huán)部分與門鈴部分都設(shè)有復(fù)位按鍵，增強(qiáng)手環(huán)可靠性。

1.1 手環(huán)設(shè)計(jì)

手環(huán)部分由STM32F103ZET6微處理器、nRF24L01無線模塊、0.96寸OLED液晶屏幕、模擬量聲音傳感器及振動(dòng)馬達(dá)構(gòu)成。模擬量聲音傳感器用于采集周圍聲音，并輸出模擬信號(hào)。由于輸出的模擬信號(hào)電壓幅度過小無法檢測，需要放大電路進(jìn)行放大，而后傳入比較電路，若其幅值超過設(shè)定閾值則認(rèn)定該聲音為危險(xiǎn)聲音。電壓比較電路會(huì)輸出一個(gè)高電平信號(hào)，處理器接收到該電平信號(hào)控制振動(dòng)馬達(dá)起振，OLED屏幕顯示提醒文字[8]。無線模塊接受門鈴發(fā)送的數(shù)據(jù)，傳回處理器，處理器進(jìn)而控制振動(dòng)馬達(dá)起振并在屏幕顯示文字提示。OLED屏幕結(jié)合軟件程序?qū)崿F(xiàn)日期時(shí)間顯示功能。手環(huán)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

處理器使用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103ZET6，其擁有64 KB SRAM，512 KB FLASH，3個(gè)SPI，多個(gè)定時(shí)器以及112個(gè)通用GPIO口，滿足使用需求，并且具有處理速度快，成本低的優(yōu)勢[9]。

無線模塊為深圳云佳科技生產(chǎn)的nRF24L01[10]，穩(wěn)定性較高。使用2.4 GHz全球開放的ISM頻段，抗干擾能力強(qiáng)，最高工作速度可達(dá)2 Mb/s。與處理器間采用SPI方式連接。

0.96寸OLED液晶屏幕顯示實(shí)時(shí)時(shí)間及日期與提醒文字，與處理器采用I2C模式進(jìn)行通信[11]。SCL，SDA僅占用處理器兩個(gè)GPIO口即可完成數(shù)據(jù)傳輸，具有占用資源少、便于控制、功耗少的優(yōu)勢。

模擬量聲音傳感器工作電壓為3.3 V，輸出模擬信號(hào)幅度值較小，為保證檢測的可靠性與準(zhǔn)確性需接入放大電路。放大電路由LM358芯片與電位器設(shè)計(jì)而成，放大倍數(shù)通過電位器旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。放大后信號(hào)進(jìn)入比較電路，與參考電壓進(jìn)行比較，超過參考電壓則判定該聲音為危險(xiǎn)聲音，并反饋給處理器，處理器進(jìn)而控制振動(dòng)馬達(dá)起振。電壓比較電路由LM358與電位器構(gòu)成，如圖2所示左半部分為放大電路，右半部分為電壓比較電路。

振動(dòng)馬達(dá)為直流馬達(dá)，1.9 V電壓50 mA電流即可工作，功率小，處理器普通GPIO便可驅(qū)動(dòng)振動(dòng)馬達(dá)工作。振動(dòng)馬達(dá)一端接地，一端接處理器GPIO端口，處理器通過控制GPIO口輸出電壓來控制振動(dòng)馬達(dá)。

1.2 門鈴模塊設(shè)計(jì)

門鈴模塊由STM32F103ZET6處理器與nRF24L01無線模塊組成。處理器與無線模塊采用SPI方式連接，按下門鈴板載按鍵觸發(fā)中斷，控制無線模塊向手環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)。nRF24L01無線模塊連接圖如圖3所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件程序設(shè)計(jì)由兩部分組成，即手環(huán)部分軟件程序和門鈴部分軟件程序。手環(huán)部分軟件程序上電后進(jìn)行初始化，并配置系統(tǒng)時(shí)鐘與鬧鐘，然后正常工作。日期時(shí)間顯示由處理器自帶RTC中斷完成，實(shí)行秒中即斷每秒中斷一次并更新屏幕時(shí)間顯示，鬧鐘功能由鬧鐘中斷實(shí)現(xiàn)，到達(dá)鬧鐘設(shè)置時(shí)間后觸發(fā)中斷，處理器控制振動(dòng)馬達(dá)工作。模擬量聲音傳感器不斷檢測周圍聲音，一旦檢測到危險(xiǎn)聲音便觸發(fā)處理器中斷，程序運(yùn)行中斷服務(wù)控制振動(dòng)馬達(dá)工作并在屏幕顯示提示文字。無線模塊待機(jī)等待接受數(shù)據(jù)，一旦接受到數(shù)據(jù)則進(jìn)入工作模式觸發(fā)處理器中斷，執(zhí)行無線模塊中斷服務(wù)，控制振動(dòng)馬達(dá)工作并在屏幕顯示相應(yīng)的文字提示。程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

門鈴部分軟件程序上電后先進(jìn)行初始化，然后正常工作。門鈴無線模塊處于待機(jī)狀態(tài)，按下門鈴板載按鍵觸發(fā)中斷，喚醒門鈴無線模塊與手環(huán)無線模塊進(jìn)行匹配，執(zhí)行中斷服務(wù)門鈴無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。

軟件程序設(shè)計(jì)完成后，燒錄到STM32F103ZET6處理器中，進(jìn)行整體測試，OLED屏幕可以正常顯示日期時(shí)間，無線模塊發(fā)射接收數(shù)據(jù)正常，鬧鐘功能、危險(xiǎn)聲音檢測、門鈴功能正常。手環(huán)部分與門鈴部分實(shí)物如圖5所示。

3 結(jié) 語

本文主要介紹了聽障人士輔助手環(huán)危險(xiǎn)聲音檢測功能與來客提醒功能的設(shè)計(jì)。該手環(huán)的危險(xiǎn)聲音檢測功能可以檢測鳴笛聲、喊叫聲、火災(zāi)報(bào)警聲等，即時(shí)提醒聽障人士躲避危險(xiǎn)，避免不必要危險(xiǎn)發(fā)生。來客提醒功能通過無線模塊，振動(dòng)馬達(dá)與手環(huán)的結(jié)合，代替?zhèn)鹘y(tǒng)閃光提醒，避免了因睡著而錯(cuò)過的情況，提高了實(shí)用性，解決了聽障人士生活中的大麻煩。

參 考 文 獻(xiàn)

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[11]王瑾，袁戰(zhàn)軍.基于I2C總線的無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息通信，2017（8）：40-41.