1、基于51单片机 基于51单片机的老人防摔GPS定位报警姓 名： 学 号： 专 业：物联网工程班 级：中兴物联网二班指导教师： 2019年4月25日摘要本产品设计了一种基于51单片机，利用ADXL345加速度传感器的跌倒实时检测系统，来实现来人摔倒后的报警。用以完成老人跌倒后可以被及时发现并救助；它运用基于阈值法的三次判别算法；精准判断老人是否摔倒。设计还使用了卫星定位模块；对老人摔倒后进行准确定位。大量实践数据表明，设计产品对大多数情况都能正确判断，误报率较低，可有效的区分日常生活行为和跌倒行为，对老人摔倒检查正确率达到0，稳定性，识别率很高。 关键词：加速度传感器；阈值法；跌倒检测 Abst
2、ractThe design of this product is based on 51 single-chip computer, using ADXL345 accelerometer real-time fall detection system, to achieve the alarm after people fall. It can be found and rescued in time after the elderly fall. It uses the three-time discriminant algorithm based on SVM threshold me
3、thod to accurately judge whether the elderly fall or not. GPS satellite positioning module is also used in the design, which can accurately locate the elderly after falling down. A large number of practical data show that the design product can correctly judge most cases, and the rate of false alarm
4、 is low. It can effectively distinguish daily life behavior and fall behavior. The correct rate of fall detection for the elderly is 90%, stability and recognition rate is high.Key words: acceleration sensor; threshold method; fall detection1 概述1.1研究背景及意义随着社会人口比例的变化 老年人占比越来越高，大多数家庭都出现了老人多，年轻人少的情况，老人
5、的照顾不到位，那么老人的安全问题往往成为了每个家庭的安全隐患。老年人摔倒现象时有发生，摔倒本身大多数情况下没多大问题，问题往往出现在摔倒后的处理不当，造成严重的后果。因此，准确判断老年人单独上街的行为状态，设计老年人跌倒GPS定位报警器显得十分有意义。因此本设计针对相关问题开展研究，设计出对应的跌倒报警器，主要以51单片机为设计系统的核心，其中包括可以检测出跌倒信号的传感器ADXL345可以进行跌倒识别，GPS模块VK2828U7G5LF部分可以实时检查老人的位置信息，GSM模块的SIM900能给监护人发去老人摔倒的位置信息，使摔倒老人及时得到救助，治疗。尽可能的降低摔倒后造成的不利后果1.2
6、研究现状现有的老年人防跌倒报警装置大多是通过无线对讲系统或者基于android智能手机APP研发的。它们自动化程度高，有很强的专业性。但是 这也成为了它们的缺陷，因为大多数老年人使用现代化产品不熟练，或许并不会用，使用起来有很大困难。况且老年人在跌倒以后，身体受到了冲击，更没有能力去操作APP了，本设计操作简单易懂，自动化程度高，设施简单，原件成本较低，所以一款基于51单片机的老人防摔设计的研究势如破竹。2 线路设计2.1设计思路本次设计的老人防摔设计主要是基于51单片机作为主控芯片、ADXL345电容式微机械三轴加速度计作为检测老人摔倒的检测传感器、还有GPS模块做为老人摔倒地址定位的传感器
7、以及一块GSM模块进行通知亲友。考虑到扩展的可能性，额外增加了一个继电器控制，可以自己外接认为摔倒减少伤害的模块。详细的硬件框图如下：2.2模块分析2.2.1 GSM模块：SIM900A是通过串口发送AT指令来完成控制的，所以我们需要一块多串口的51单片机STC12C5A，检查好电源和接地后，SIM900A的TXD和RXD分别连接到STC12C5A的P3.0和P3.1即可。当ADXL345检查到老人摔倒数据后，通过单片机指令实现老人摔倒后位置信息的发送。2.2.2 GPS模块：通过串口通信与单片机相连接，当它工作的时候，就开始定位了，它将定位数据传输给单片机，数据遵守NMEA0183协议，里面
8、有地面速度、时间、位置信息等，24小时检查老人位置信息。我们可以直接对送过来的数据用C语言进行处理，让GSM模块把信息发送到指定手机号上。例如多个监护人电话号码、医院急救车电话等。2.2.3 ADXL345 模块：ADXL345是一款三轴、数字化的加速度传感器，它能测X、Y、Z三个方向轴上的对应的速度信号。该模块能够对各种条件下的加速度进行检测。第一步主要通过其自带的感应器检测出加速度信号，然后进行信号转换，转换为可识别的模拟信号，从模拟信号和数字信号的定义可知，模拟量和数字量有着本质的差异。模拟信号具有幅度和时间上连续的特点；而数字量在表达幅度大小的数字域和时间域上均是离散的。当检查到老人摔
9、倒时，通过单片机里的程序指令，让GSM模块发出求救信息，并使蜂鸣器报警。2.2.4单片机STC12C5A60S2的功能及最小系统的电路设计STC12C5A60S2的主要功能有许多，下面将详细的介绍一下它的主要功能：(1)字节。(2)字节。(3)位口线，个指针地址，3个位定时器/计数器，一个向量级中断结构，全双工串行口，片内晶振控制电路和时钟电路。(4)能够减少到静态逻辑模式。作为核心控制模块可以很好的通过I/O口对传感器，ADC0832模数转换器，LCD1602液晶显示器进行控制。该单片机是51单片机的分支，可以对51单片机旗下的所有单片机进行兼容。现如今市面上流通的单片机大多数为CPLD和C
10、51，这两种单片机所针对的系统不同。CPLD所针对的系统为功能复杂多样，所需控制模块较多的系统，性价比较低。C51单片机所针对的系统功能比较简单，所需控制模块较少的系统，性价比较高，使用性比较强。该单片机的部分引脚功能特点为端口是I/O端口的一种。I/O端口是一个双工接口，有in口和out口。端口需要在外部添加一个上拉电阻以改善阻抗。一个更特殊的端口是和。这两个定时器可用作微控制器中的定时器。在编程过程中，该接口主要接受低位地址字符。可以输出四个逻辑电平，但内部有一个上拉电阻和一个双向输入接口。用于系统编程。 端口和端口之间存在一些明显的差异。当作为输出口时，在连接外部系统是默认作为低电平。此
11、外，内含有一个上拉电阻。这个电阻可以同时驱动四个低电平。访问外部程序寄存器或存储器时，输出高位。口和其他接口还不一样，其中有一个特殊的功能，也即是第二接口。这个接口同样也具有内部上拉电阻，但是他在用C语言编程的时候，一些不被其他接口检测到的控制信号它也能接受。口同时具有位双向I/O接口。一些闪存也可以被口接收，并接受一些控制信号。端口为重置输入。当振荡器运行工作时，按下复位按钮可以复位引脚。端口可以作为地址锁存器或编程脉冲。当端口作为编程脉冲，工作时要对进行编程。当端口用作地址锁存器时，问外部程序存储器或正确访问存储器时，仍然是固定脉冲信号，是时钟振荡周期的6倍。是否允许控制程序的存储是它的功
12、能,每个运行周期允许两次的时候有效。是允许外部访问的开关。如果要想连接外部存储器，就保持EA低电平。在寄存器中有一些地址不可以被定义,而且没被定义过的地址是不可以直接拿来使用。所以要想利用该数据时,即在写入这些数据时，地址将无效。除此之外，还在此过程中包括总控制中断定时。寄存器中的和的可触发，定时器与定时器当检测溢出时置。中断允许控制寄存器为（IE）（MSB）（LSB）。单片机的引脚图如图3.3所示。图3.3 STC12C5A60S2单片机引脚图CPU的最小系统是各种功能集与一起，并且可以完成基本操作的计算机系统，可正常工作并正常运行。是一个小型计算机控制的核心。单片机最小系统还有许多用来接收
13、和发送数据的接口，把接收到的数字信号都存到这个小小的芯片中，然后经过一系列的工作再把这些数字信号转化为需要的数据传送出去，用定时器来控制时间。由此看出这个小芯片还有输出设备。单片机的接口电路主要用来连接计算机和其他外部设备，且各功能模块之间相互联系性能良好。CS-51单片机通常采用自动复位和按键复位两种方式。这里采用按键复位和上电复位两种电路结合。通常STC12C5A60S2单片机在5V的电压下进行工作。接5V电压，接地。CPU最小系统中主要有晶振电路、时钟电路、连接外界的串口和电源6。复位电路在所有的电路中都是尤为重要的。当电路出现问题时，按下复位键就可以重启电路。统框图如图2所示。图单片机
14、最小系统框时钟电路在该系统中也特别的重要，时钟电路控制着单片机的节奏，是该系统最的核心构成部分。 是反相放大器的输入，是反相放大器的输出。该系统的震荡周期是12，放大节奏是利用石英晶体来实现的。晶振电路为典型的晶振取11.0592M，晶振越大，则单片机的处理速度越快。单片机最初用作微控制器，应用于工业领域的许多方面。是最核心的装置，有许多用来发送和接收的接口，用来控制单片机内的数据。单片机的最小系统设计为如图3.4所示。 图3.4 单片机最小系统的设计电路 3硬件简述：3.1GPS模块VK2828U7G5LF部分在本次设计采用了设计要求的VK2828U7G5LF模块，这个模块主芯片是UBX-G
15、7020-KT，通过串口通信与单片机相连接，当使他工作的时候，就会开始定位，并将数据通过串口送给单片机，数据遵守NMEA0183协议，里面有时间、位置、地面速度信息等，我们可以直接对送过来的数据进行解读，就可以获取我们所先要的时间信息。1.正常工作条件：RF射频属性:NMEA0183协议NMEA 0183 输出GGA：时间、位置、定位类型GLL：经度、纬度、 UTC 时间GSA：GPS 接收机操作模式，定位使用癿卫星，DOP 值GSV：可见 GPS 卫星信息、仰角、方位角、信噪比（SNR）RMC：时间、日期、位置、速度VTG：地面速度信息MSS：信号强度等注意：输出癿信息、频率不设置有关样例数
16、据:$GPGGA,060826.00,2236.91284,N,11403.24705,E,2,08,1.03,107.8,M,-2.4,M,0000*4A$GPGSA,A,3,24,22,14,12,15,25,18,42,2.20,1.03,1.95*01$GPGSV,3,1,11,12,31,117,47,14,30,290,46,15,19,060,42,18,70,010,45*78$GPGSV,3,2,11,21,47,207,22,40,326,43,24,44,036,43,25,24,159,42*70$GPGSV,3,3,11,31,03,218,42,51,128,35,
17、50,46,122,45*4E$GPGLL,2236.91284,N,11403.24705,E,060826.00,A,D*66$GPRMC,060827.00,A,2236.91267,N,11403.24701,E,0.001,130214,D*79$GPVTG,T,M,0.029,N,0.054,K,D*2C4.样例数据详解 本次设计在软件编程时所处理的数据GGA样例数据，详细会在软件部分介绍。GGA样例数据：$GPGGA,060826.00,2236.91284,N,11403.24705,E,2,08,1.03,107.8,M,-2.4,M,0000*4A序号名称样例单位描述0消息
18、ID$GPGGAGGA协议头1UTC时间060826.00hhmmss.ss2纬度2236.91284ddmm.mmmmm3N/S指示NN=北，S=南4经度11403.24705dddmm.mmmmm5E/W指示EW=西，E=东6定位指示20:未定位1:SPS模式，定位有效2:差分，SPS模式，定位有效3:PPS模式，定位有效7卫星数目08范围0到128HDOP1.03水平精度9MSL幅度107.8米平均海平面高度10单位M米单位：米11大地-2.4米平均海平面12单位M单位：米13差分时间秒当没有DGPS时，无效14差分ID0000当没有DGPS时，无效15校验和*4A$不*之间所有字符AS
19、CII码癿校验和16消息结束GSA样例数据：$GPGSA,A,3,24,22,14,12,15,25,18,42,2.20,1.03,1.95*01序号名称样例单位描述0消息ID$GPGSAGSA协议头1模式1AM=手劢（强制操作在2D或3D模式），A=自动2模式231:定位无效2:2D定位3:3D定位3卫星使用24通道14卫星使用22通道25卫星使用14通道36卫星使用12通道47卫星使用15通道58卫星使用25通道69卫星使用18通道710卫星使用42通道811,12卫星使用通道1213PDOP2.20位置精度14HDOP1.03水平精度15VDOP1.95垂直精度16校验和*01$不*之
20、间所有字符ASCII码癿校验和17消息结束GSV样例数据：$GPGSV,3,1,11,12,31,117,47,14,30,290,46,15,19,060,42,18,70,010,45*78$GPGSV,3,2,11,21,47,207,22,40,326,43,24,44,036,43,25,24,159,42*70$GPGSV,3,3,11,31,03,218,42,51,128,35,50,46,122,45*4E序号名称样例单位描述0消息ID$GPGSVGSV协议头1消息数目3范围1到32消息编号1范围1到33卫星数目11卫星的数目4卫星ID12卫星ID5仰角31度仰角(范围0到9
21、0)6方位角117度方位角(范围0到359)7载噪比（C/No）47dBHz信号强度(范围0到99)没有跟踪时为空8卫星ID14卫星ID9仰角30度仰角(范围0到90)10方位角290度方位角(范围0到359)11载噪比（C/No）46dBHz信号强度(范围0到99)没有跟踪时为空12卫星ID15卫星ID13仰角19度仰角(范围0到90)14方位角060度方位角(范围0到359)15载噪比（C/No）42dBHz信号强度(范围0到99)没有跟踪时为空16,17校验和*78$不*之间所有字符ASCII码癿校验和18消息结束GLL样例数据：$GPGLL,2236.91284,N,11403.247
22、05,E,060826.00,A,D*66序号名称样例单位描述0消息ID$GPGLLGLL协议头1纬度2236.91284ddmm.mmmmm2N/S指示NN=北，S=南3经度11403.24705dddmm.mmmm4E/W指示EW=西，E=东5UTC位置060826.00hhmm.mmmm6状态AA=数据有效；V=数据无效7模式指示DA=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效8校验和*18$不*之间所有字符ASCII码癿校验和9消息结束 RMC样例数据： $GPRMC,060827.00,A,2236.91267,N,11403.24701,E,0.001,130214,D*79序号名
23、称样例单位描述0消息ID$GPRMCRMC协议头1UTC时间060827.00hhmmss.ss2状态AA=数据有效；V=数据无效3纬度2236.91267ddmm.mmmmm4N/S指示NN=北，S=南5经度11403.24701dddmm.mmmmm6E/W指示EW=西，E=东7地面速度0.001Knot（节）地面速度8方位度地面航线9日期130214日,月,年癿格式日期10磁变量磁场变化值（空白-丌支持）11模式指示DA=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效12校验和*79$不*之间所有字符ASCII码癿校验和13消息结束VTG样例数据：$GPVTG,T,M,0.029,N,0.0
24、01,K,D*2C序号名称样例单位描述0消息ID$GPVTGVTG协议头1方位度地面航线2参考T真北3参考-地面航线（磁癿），丌输出4参考M磁5速度0.029Knots（节）地面速度6单位N固定字节7速度0.001公里/小时地面速度8单位K公里/小时9模式指示DA=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效10校验和*2C$不*之间所有字符ASCII码癿校验和11消息结束3.2 ADXL345简要介绍ADXL345 最初是由美国一家研发公司于上个世纪研发的在iMEMS技术之上的加速度传感器对应的特点有：分辨率高。最高 13 位分辨率。量程可变。具有+/-2g， +/-4g， +/-8g， +/
25、-16g 可变的测量范围。灵敏度高。最高达 3.9mg/LSB，能测量不到 1.0的倾斜角度变化。功耗低。 40145uA 的超低功耗，待机模式只有 0.1uA。尺寸小。整个 IC 尺寸只有 3mm*5mm*1mm， LGA 封装。ADXL 支持标准的 I2C 或 SPI 数字接口，同时也可以进行不同运动状态的检测。其对应的检测轴，如下图所示：该传感器在进行工作时，能够对各种条件下的加速度进行检测。下图为输出对重力的响应： ADXL345 的引脚图，如图 42.1.1.3 所示：ADXL345 传感器的初始化步骤在进入程序之后，首先进行该模块进行初始化。我们介绍一下其对应的步骤分为：第一步上电
26、，第二步先等待1.1ms,第三步进行初始化命令序列，第四步：开始工作。进行第三步时需要配置 3 个寄存器，如下：3.3GSM模块简介sim900a模块引脚及功能 SIMCom推出新款紧凑型产品SIM900A. 它属于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，SIM900A仅适用于中国市场，其性能稳定，外观精巧，性价比高，能满足您的多种需求。主要的性能及特点：1、SMT的封装结构，在实际中的加工过程简单。2、体积小，质量轻3、耗电量低4、可接受的最低电压为3.2V，最高电压为4.8V5、频率主要工作在900-1800MHZ内6、可以进行语音编码7、能够根据不同设备消除各种回音4 软件设计
27、4.1 keil应用Keil C51最早出现在上个世纪，最初是由美国的一家科研公司单位研发的，属于51型号，主要可用于C语言程序的运行并应用在单片机系统内部。而且一般情况下，C语言编写出的程序结构简单语句比较短，而且性能特点非常优越，在实际应用中的可实现与实用性好，而且一旦出现问题，后期在程序检修上面也比较容易，具有很多使用汇编语言编写程序无法实现的优点。使用过汇编语言进行编写程序后，再使用C语言编写程序，就会发现两者之间存在的差距。Keil C51型号的软件应用在单片机上的应用非常广泛，因为其系统完善，软件库里有各种不同类型的函数，而且相比同类的开发软件要更全一些，除此之外还有功能完备的可用
28、于集成的工具，及系统开发与检修工具。软件对应所使用的界面也非常经典简单，而通过观察其检验程序后的代码，可以发现该软件的工作效率相比同类软件高很多。使用该软件编译程序后出现的代码结构相对简单，而且非常好懂，因此越是经典的程序语言就越显得简短，接下来对该软件的主要组成部分及其对应的性能特点进行一一的阐述，该软件对应的操作界面如下图所示：图17 Keil_c软件界面Keil C51型号的软件不仅可以进行汇编语言的程序编写、C语言的程序编写哈、一部分汇编语言与一部分C语言穿插编写程序，还可以进行仿真。4.2 Altium Designer应用Altium Designer是由美国一家研发公司在上个世纪八十年代研发出的一款EDA仿真软件，而当时的计算机主要为Wi
