基于51单片机的防摔倒报警器设计与实现.docx

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基于51单片机的防摔倒报警器设计与实现

工程学院

毕业设计说明书（论文）

作者：

学号：

学院：

电气工程学院

专业：

通信工程

题目：

基于51单片机的防摔倒报警器设计与实现

指导者：

评阅者：

2021年5月

摘要

如今,由于政策和自然的人口增长，从整体来看，我国已经进入社会老龄化阶段。

对于行动不便的老年人来说，摔倒、滑到可能会造成严重的后果，甚至在一些案例之中导致了老年人的死亡。

而如果老年人再摔倒之后不被扶起，他们凭借自己的能力无法起身，那么造成严重后果的可能性就会进一步增大。

但近些年来，出现了许多老年人碰瓷的恶性事件，这使人们陷入了扶与不扶的两难境地。

医院里住院率和死亡率也因为老年人跌倒情况的发生而不断的升高,同时老年人跌倒也给其家人带来了悲痛的情感和沉重的经济负担。

社会上因为老年人跌倒而发生的不良现象层出不穷，不少讹诈团伙因此出现敲诈人们的钱财，这种现象的出现降低了整个社会的道德素养，更可能会影响到青少年的身心发展。

所以，研发一款能够对老年人的各项活动进行实施管控，将老年人的信息与数据实时反馈到家人或警方。

这将会非常明显地降低老年人因为摔倒、滑到所造成的身体损伤后果。

从而使得家人放心，老年人安心。

本论文在着手进行相关研究之前，对于国内外关于老年人跌倒检测报警器进行了细致的资料手机，经过研究，我们提出了了一中基于ADXL345传感器技术的“老年人跌倒检测及报警方案”。

在日常生活中，利用这种技术，对老年人自身活动所产生的倾角的数据进行实时采集，然后再把收集到的数据发送给单片机上，达到监测老年人的运动状态的目的，使老年人的家人和警务人员能在老年人发生危险情况的第一时间做出反应从而保证老年人的安全。

关键词：

老人防跌倒；定位；监测报警；单片机

Abstract

Nowadays,thepopulationaginginthesocietyisgraduallyintensified.Weoftenseethattheoldpeoplefalldownandthereisnoonetohelpthem,whichleadstothedeathoftheoldpeople.Wealsofeelhelplessforthiskindoftragedy,becauseweareafraidthatwemightbeblackmailedbyhimselforhisfamilyafterhelpingtheoldman.Thehospitalizationrateandmortalityrateinhospitalsarealsoincreasingduetotheoccurrenceoffallamongtheelderly.Meanwhile,fallsoftheelderlyalsobringsademotionsandheavyfinancialburdenfortheirfamilies.Inthesociety,manybadphenomenaoccurbecausetheelderlyfalldowninanendlessstream,somanyblackmailgangsextortpeople'smoney,whichreducesthemoralqualityofthewholesocietyandmayaffectthephysicalandmentaldevelopmentofteenagers.Therefore,underthepremiseofnotaffectingthenormalactivitiesoftheelderly,monitoringtheactivitiesoftheelderlybyscientificmeans,andcallingthepoliceforhelpimmediatelyafterthedetectionoftheelderlyfallcaneffectivelyreducethehealthinjuriesandmedicalexpensesbroughtbytheelderlyfall.

Afterresearch,westudiedthe"falldetectionandalarmschemefortheelderly"basedontheADXL345sensortechnology.Indailylife,usingthistechnology,thedataofthedipanglegeneratedbytheelderly'sownactivitiesiscollectedinrealtime,andthenthecollecteddataissenttothesingle-chipmicrocomputertoachievethepurposeofmonitoringtheexercisestateoftheelderly.Toensurethesafetyoftheelderly.

Keywords:

theelderlyfall;orientation;monitoring;single-chip

第一章绪论

1.1概述

近些年来，就世界各国的人口数据来看，很多国家已经或开始进入老龄化社会，人口的老龄化带了的福利开支上涨、劳动力的减少和社会活力的降低，是世界各国都在关注的严重问题。

同时，老年人在身体素质、大脑思维能力相较于年轻人普遍较低，其需要更加细致的照顾与关怀，而这种照顾与关怀并不是通过单纯的照料就能做到的，科技的发展给了老年人以提高其自救能力的可能。

对于社会的老龄化，社会学学者给出了定义：

“社会中六十五岁以上人群占据了总人口的百分之七以上时，该社会被定性为老龄化社会。

”数据显示，非常多的国家和地区已经属于老龄化社会，中国也在其中，而且，据估计中国人口老龄化的进程仍在不断加剧。

研究显示，按照目前的发展趋势，我国的老龄化程度将与二十年之后超过日本，成为世界之最。

世界上人口最多的发展中国家是中国,中国的发展将会影响整个世界的发展。

老年人致残和致死的人数也随着人口老龄化在不断增加。

据世界卫生报告指出,在2002年，全球有几十万人因发生跌到而不幸去世。

而对于老人而言，自身身体素质的下降会造成其即使在未造成跌倒创伤的时候也难以凭借自己的力量起身，如果跌倒对老年人造成了硬性的损失，那么老年人就更难起身，从而造成严重的后果。

数据显示，有非常多的老年人表示其有跌倒经历。

老年人对于一个国家来说是宝贵的财富，针对这种事件，越来越多的国家对于老年人的生命健康十分重视，因为绝大多数的跌倒事件都会对身体健康造成一定的危害。

对于一些身体健康并不是特别好的老年人来说,跌倒的发生概率则会更高，而跌倒给老年人带来的危身体伤害也更为严重。

跌倒事件会对老年人的身体健康造成严重地影响。

所以,采取有效措施对老年的日常活动进行监测并及时的发送求救短信对于老年人是非常重要的。

本文即是针对以上所提出的现实生活中可能出现的场景所设计出的防摔倒报警器，对老年人的身体和生命做新的保护措施。

1.2 国内外防跌倒报警器的设计情况     

在跌倒检测领域，不论是国内还是国外都已经创造了许多不同的思路：

（1）基于视频的跌倒检测系统

视频可以以最为清晰与直观的方式显示其监控范围内的所有情况，所以科技工作者们将视频检测广泛地运用于跌到检测系统的领域。

具体的操作方法是在被检测人所频繁停留的位置进行实时的视频转播，并通过只能算法分析被检测人当前的动作，检测其是否跌倒、滑到，从而给家人和警方给予实时的反馈。

这种方法的优势在于不需要被检测人使用任何额外的检测设备，较为方便。

但确定是检测范围较小，是一种固定化的检测，无法在摄像头无法企及的地方对被检测人进行实时检测。

CarolineRougier通过视频传输信息以跟踪人体头部轨迹，计算头部运动的速度等参量来对老年人的情况运动情况进行判断，如果发现老年人跌倒，系统会立刻对相关人员进行反馈与警报。

（2）基于地板震动的跌倒检测系统

老年人如果跌倒，那么其身体必定会对地面进行冲击，从而产生震动，检测系统可以判定地面传来的震动效果进行判断与反馈，以实时检测老年人是否摔倒。

但这种方法的劣势与视频监控法类似，只能在装备该设备的室内进行工作。

UniversityofVirginia的MARC中心判断老年人是否发生跌倒情况是根据不同的震动方式对于地板的不同反馈来进行的。

（3）基于可穿戴技术的跌倒检测系统

老年人使用包含传感器设备的穿戴设备,从而能够实现对于老年人的跌倒以及其他情况的检测。

这种设计有很强的实用性，能够在不同的区域发挥作用，但是根据设计的不同，穿戴设备的个数也不同，会给穿戴的老年人造成实际上的麻烦。

这种穿戴设备检测技术是目前最为流行的，但是，目前的技术由于受到检测范围限制和实用性的限制，在现实生活中无法满足人们的需求，不能够准确的反映出所检测对象的运动状况，最后可能会导致错过最佳的救助时机。

本设计是基于STC公司设计的51单片机的防摔倒报警器，通过ADXL345加速度传感器电路［1］、GSM和GPS来更好地实现对老年人活动的实时监测和判断，并提供及时的救助。

数据的采集是通过ADXL345加速度传感器［2］，此传感器不需要铺设物理线路实现，自身就可以实现对所要监控对象的实时检测，在减少了设计的复杂度同时也提高了检测的准确性；传感器［3］将采集到的数据发送到单片机上，由单片机进行判断老年人所处的状态，及时触发报警器或者发送短信给手机。

1.3本文的安排

第1章.介绍本设计所针对的具体现实场景和主要内容，以及国内外研究状况；

第2章.介绍本设计所需要的相关技术的工作原理；

第3章.首先，介绍整个系统的方案设计，并分析、比较和确定方案；接着，介绍该系统的具体的硬件与电路的构成，其系统元件的性质与操作手段等。

第4章.主要是对该系统的软件部分进行简介，包括编写程序和串口程序烧写；

第5章.给出实物的硬件调试和注意事项。

第6章.总结做毕业设计的整体心得感受。

第二章关键技术概述

2.1单片机

单片机，一个简单的芯片取代很多大型而复杂的设备，当下时代已经可以当做一台微型计算机［4］使用，进入一条独立发展的道路——SoC嵌入式［5］系统。

单片机的功能也随着高速发展的科技变得越来越强大，如今32位的单片机早已进入主流市场，已经被应用到日产生活的各种领域中。

在很大程度上提高了产品升级的效率。

单片机［5］完整的控制系统由软件设计和硬件设计共同构成。

单片机的软件设计主要是编程，C语言是程序设计中运用最广泛的语言；单片机的硬件设计主要是PCB板设计和电路原理图设计，相比较软件设计而言，硬件设计更麻烦，成本也高。

现代的单片机［6］能够很便捷地与计算机通信，而如今的通信设备也已经实现单片机智能控制，因此日常生活中单片机为计算机和通信设备间提供非常方便的无知条件。

单片机的特点:

（1）系统模块化；

（2）功率消耗低，可靠性高；

（3）功能强大，处理速度快；

（4）工作环境要求低；

（5）体积小，容量大；

（6）控制功能强。

2.2GPS

GPS最开始应用于军队导航系统，除了导航之外，还为军队提供核爆检测、情报搜集等服务。

后来，GPS利用自身精度高，成本低的优势，开始面向全球人民，为人们提供速度、定时、三维位置等导航信息。

目前，GPS导航系统是通过24颗人造卫星定位的。

GPS的整个系统由地面、空间、用户三部分组成，三部分之间相互联系，互相提供信息，缺一不可。

卫星通信技术在导航方面的应用极大地促进了世界更紧密的联系，为更高水平的信息化提供了平台。

GPS定位的原理：

测量距离。

距离是指用户到导航卫星之间的距离，综合多颗卫星到用户距离的数据，通过计算得出用户的具体位置。

如图2.1定位原理图所示：

图2.1定位原理

定位原理公式：

（2.1.1）

（2.1.2）

（2.1.3）

（2.1.4）

（1）X、Y、Z表示三维坐标，

表示在X方向与第一颗卫星的相对位置；

（2）Y和Z与X相同，分别表示在Y和Z方向上与第一颗卫星的相对位置；

（3）C表示伪距，即传输过程中所产生的的误差；

（4）

表示在信号接受这段时间，一号卫星信号传输的速度差，其他卫星与此相同。

2.3GSM

GSM是数字移动通信的标准，有此标准的设备占据了极大一部分的通信设备市场。

GSM是第二代通信技术，采用数字语音和信令信道。

该网络有四种蜂窝尺寸，每种蜂窝尺寸的覆盖面积也受环境的影响。

GSM在安全问题上使用了很多种的加密算法，使得它具有可靠地安全特性，让用户与基站之间的通讯得以被很好的保护起来。

本设计中利用GSM进行收发短信，手机接收到的短信内容为：

helpme!

!

+

具体的位置信息。

GSM的系统结构如图2.2所示：

图2.2GSM系统结构

如图2.2所示，GSM整个系统是由四个子系统组成，主要包括：

MS（MobileStation,移动台）、NSS（NetworkSubsystem,移动网子系统）、BSS（BaseStationSystem,基站子系统）、OMC（Operationmaintenancecenter,操作维护中心）。

其中：

移动台设备：

主要是手持终端设备和车载终端设备；

基站子系统：

包括

（1）基站子系统与移动台设备之间连接，实现发送、接收以及资源管理；

（2）基站子系统与MSC（MobileServiceSwitchCenter,移动业务交换中心）相连接，实现移动设备与移动设备和移动设备与固定设备之间的正常通讯，传输用户信息和系统信号；

（3）基站子系统与OSS（OperationSupportSubsystem,操作支持子系统）相连接，实现对基站子系统的一部分的操作维护管理；

移动网子系统：

主要是管理GSM用户之间和GSM用户与其他用户之间的通信；

操作维护中心：

主要实现对用户、设备和网络操作的维护作用。

GSM的特点：

（1）容量大，号码资源丰富；

（2）安全性高；

（3）信息灵敏度高；

（4）抗干扰能力强，稳定性高；

（5）能耗低；

（6）基本可以实现随处通话。

第三章系统设计与硬件方案

3.1系统方案的确定

根据设计所要实现的具体功能，把整个系统分成三部分:

数据采集子系统、数据处理子系统、终端设备。

本系统具体框图如图3.1所示：

图3.1系统框图

各子系统的具体功能：

（1）数据采集子系统：

采集老年人日常活动中所产生的倾角数据；

（2）数据处理子系统：

将数据采集子系统采集的数据与预先设定好的角度阈值进行对比，以此来判断老年人是否发生跌倒，或者即将发生跌倒；

（3）终端设备：

接收数据处理子系统发出的求救短信。

各模块间相互交互如图3.2所示：

图3.2模块间交互

如图3.2所示，传感器实时采集老年人活动时所产生的倾角数据，并将这些数据发送给处理子系统单片机，单片机将接收到的数据与自己预先设定的阈值进行对比，当倾角不符合所设定的阈值时，将会触发蜂鸣器发出报警，持续一段时间（大约是10s）时，如果传感器发现倾斜角度仍然不符合预先设定的角度阈值，与此同时蜂鸣器没有被按下而是处于报警状态，GSM模块将会发送短信给手机寻求帮助。

3.2系统的功能分析及体系结构设计

本次防摔倒报警器设计主要适应于老年人无人陪伴外出活动时的场景。

设计的具体功能实现通过图3.3流程图体现出来：

图3.3流程图

1、在本系统的设计中，在设备在用户的口袋中向上的适合，蜂鸣报警器是不会进行报警的。

如果板倾斜，即发生了老年人摔在地上的情况，那么蜂鸣报警器就会发挥其作用。

延时一段时间约10s，仍然未站起，GSM发送报警信息给手机：

Helpme!

!

+位置信息。

2、本设计考虑到设备进行错误报警的实际情况，如果老人在没有跌倒的情况下发现蜂鸣报警器开始工作，老人可以通过报警器的控制按键而停止其报警。

如果持续检测到异常，蜂鸣器还会再次触发报警。

3、短信处理过程有GSM信号灯指示。

3.2系统硬件的选择

基于以上所提出来的系统设计方案，对本设计所需要的各种元器件进行选择，在满足设计要求的基础上从经济角度和性能角度来选择。

3.2.1单片机芯片的选择

方案一：

选用CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice,复杂可编程逻辑器）作为控制器。

这款编辑器规模比较大，拥有复杂的机构和很高的密度，而且它体积小，稳定性比较好，内部有丰富的I/O资源，易于操作。

在功能扩展方面比较容易并且能够满足实现各种复杂的功能，属于大规模集成电路的范围。

它是以同步平行的办法获得输入和输出的，所以，他能增加系统的工作效率。

如此，作为大范围的中枢系统的中枢内核是较为成功的，而且经济成本比较高。

方案二：

采用STC89C52单片机作为主控制器。

该单片机是一种小型控制器，拥有比较小的功率消耗和比较高的处理性能，系统内部有8K可编程Flash存储器。

这种单片机不仅接口丰富而且具有传统51单片机身上所没有的功能，能够满足本设计要求，更重要的是成本低廉。

方案三：

采用MSP430系列的单片机作为控制器。

这种小型控制器是一种混合型，不仅功率消耗更低，而且指令集也更少。

由于在一个芯片上集成模拟和数字电路，因此可以为提供微处理器的解决方案提供简便的操作，同时也能为现实生活应用提供“单芯片”混合信号处理。

MSP430F149是一款16位，混合型MCU，具有精简的指令集和比较高的可靠性，功率消耗低，扩展灵活，但广泛用于电池供电仪器。

通过以上对比可以得出如表3.1单片机芯片对比表：

表3.1单片机芯片对比

综合以上可知，STC89C52单片机更符合本设计方案，故选择STC89C52单片机为主控制器。

3.2.2声音报警电路方案的选择

方案一：

采用语音集成芯片ISD4004报警，由于ISD4004需要扩充喇叭驱动电路且其本身控制比较繁琐、电路比较复杂，稳定性差。

方案二：

通过蜂鸣器实现报警电路。

蜂鸣器的性能可靠、稳定，由它设计出的电路简单，易于实现，而且经济成本比较低。

方案三：

如果系统的音乐模块是由音乐芯片实现。

内含振荡电路，外接少量奋力元器件的音乐芯片是一个相对简单的语音电路，可以用来产生各种不同的声音信号。

该电路简单，成本低。

但由于考虑到蜂鸣器也可以实现这种功能和使用人群大多为老年人,更容易被老年人接受。

通过以上三种方案对比可以确定出表3.2报警器对比：

表3.2报警器对比

综合以上可以得知蜂鸣器和音乐芯片都满足本设计要求，但考虑到使用对象是老年人，所以蜂鸣器更适合，故选择蜂鸣器。

3.2.3倾角传感器的选择

方案一：

采用陀螺仪来检测老人的运动信息。

我们在日常生活中所接触到的陀螺一般都是对称的陀螺,它们不仅有均匀分布的质量还有成轴对称的形状。

陀螺仪又被称作角速度传感器，根据物体因运动而产生的转动角速度来判断物体的运动状态，因此陀螺仪拥有较高的精度和比较强的稳定性能，能够提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号。

陀螺仪通常被应用于航空，航天，航海等领域。

方案二：

ADXL345传感器［7］模块用于采集老年人的运动状态信息。

该传感器是三轴加速度传感器。

每个轴具有相应的加速度。

当人体出现摔倒的情况时，三个轴的加速度及其矢量和将发生显著的变化。

然后，该模块采集三个轴上面的加速度的数据，以判断三个轴上的加速度的变化，从而判断老年人是否跌倒。

该模块上具有许多内置寄存器，经济成本低廉且控制简单。

由以上对比可以确定如对比表3.3传感器对比：

表3.3传感器对比

综合以上最终选择ADXL345加速度传感器为本设计最终传感器。

3.2.4无线遥控模块的选择

方案一：

使用红外线遥控系统。

在远程控制范围内，发送端电路将已经调制过得红外光波通过发光二极管发射出去，接收电路将接收到的光波转换成对应的电信号后发送至放大器。

如果在传输路径中间存在对于实际的遥控距离有负面影响的情况，那么红外线遥控的效率和控制距离都会降低。

方案二：

采用315M无线模块对系统进行无线控制,它工作在3-12V的电压范围。

当电压出现变化，发送频率几乎不变，传输的距离最远可达800米，并且接收模块不需要经过调整就能稳定地接收。

此外，315M无线模块只能传输简单的数据,。

方案三：

使用Wi-Fi模块传输系统数据。

Wi-Fi是一种可以使终端设备很轻松地实现无线上网的技术，并且具有强大的覆盖范围。

然而，由于受到距离的限制，使得终端设备无法在任何时候都连接到网络，也就无法保证对老年人的活动过程的实时监控。

此外，其安全性也受到一定的挑战。

方案四：

使用蓝牙模块执行系统的数据的无线传输。

蓝牙模块主要由芯片，PCB板和外围设备组成。

它也是具有蓝牙功能的PCB。

它主要用于无线网络中的通信。

无线网络通信通常是指短距离无线通信。

数据传输的安全性很高，因此在实际的操作场景下，蓝牙技术可以通过多项只能设备的联通来进行传输。

方案五：

采用两频GSM模块，即SIM800A，来传输信息，用户需要使用移动电话卡来对信号实现接收。

SIM800A模块小巧且稳定，能够用比较低的功率来传输数据。

由以上方案可以确定出如表3.4：

表3.4无线遥控模块对比

由于本设计考虑到本设计对距离的要求，最终确定选择GSM模块。

3.3系统硬件确定

通过以上方案对比，最终确定好本设计所需系统硬件如表3.1最终硬件所示:

表3.1最终硬件

3.4模块电路的设计

选定好设计所需要的系统硬件后，要想更好的实现设计方案中提出的功能还需要对这些硬件有足够的了解，掌握好它们的特性才能更好的实现设计所需的功能。

3.4.1STC89C52单片机电路设计

STC89C52RC是一款CMOS（互补金属氧化物半导体）8位微控制器,内含8KB闪存。

此单片机［8］基于传统MCS-51内核，又在此内核基础上做了些许改进，使得这款单片机具有以往经典单片机所没有的功能。

除此之外，这款单片机内有闪存和8位CPU，功耗低，性能高，因此，它可以为很多控制应用提供比较好的解决方案。

一、单片机的主要特性如下：

（1）8K字节程序存储空间;

（2）512B数据存储空间;

（3）4KBEEPROM存储空间;

（4）可直接使用串口下载。

二、单片机的主要参数如下：

（1）机器周期有两种选择：

6T或12T；

（2）工作电压：

2V~3.8V或3.3V~5.5V；

（3）8KB的应用程序内存；

（4）片上集成512字节RAM；

（5）32个输入输出端口；

（6）配备EEPROM功能；

（7）三个定时器/计数器T0、T1、T2；

（8）下降沿和低电平触发电路形式的外部中断；

（9）配备通用异步串行口；

（10）工作温度:

-40~+85℃（工业上）或者0~75℃（商业上）；

（11）PDIP封装。

三、单片机部分引脚说明如表3.2所示：

表3.2

部分引脚

单片机