基于51單片機老人防摔倒報警器的設(shè)計與制作

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

目錄

1產(chǎn)品功能分析...........................................................................................................1

2設(shè)計方案遴選...........................................................................................................1

2.1芯片及開發(fā)板的選擇方案............................................................................1

2.1.1選用ArduinoUNO開發(fā)板................................................................1

2.1.2選用51系列單片機芯片...................................................................2

2.2傳感器的選擇方案.......................................................................................2

2.2.1選擇GPS定位傳感器........................................................................2

2.2.2選擇ADXL345傳感器......................................................................2

2.3系統(tǒng)框圖設(shè)計...............................................................................................3

3產(chǎn)品硬件設(shè)計...........................................................................................................4

3.1STC89C52RC單片機核心電路設(shè)計..............................................................4

3.2按鍵電路設(shè)計...............................................................................................6

3.3ADXL345三軸加速度傳感器模塊電路........................................................7

3.4LED信號指示燈電路設(shè)計............................................................................8

4產(chǎn)品軟件設(shè)計...........................................................................................................9

4.1程序流程圖....................................................................................................9

4.2產(chǎn)品程序清單.............................................................................................10

5產(chǎn)品使用說明.........................................................................................................10

5.1產(chǎn)品裝配圖..................................................................................................10

5.2產(chǎn)品調(diào)試......................................................................................................11

5.3產(chǎn)品使用說明..............................................................................................11

參考資料.....................................................................................................................12

附錄.............................................................................................................................13

附錄1元器件清單............................................................................................13

附錄2電路原理圖............................................................................................14

附錄3PCB設(shè)計圖.............................................................................................15

I

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附錄4產(chǎn)品實物圖............................................................................................16

附錄5主程序代碼............................................................................................18

II

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基于51單片機老人防摔倒報警器的設(shè)計與制作

1產(chǎn)品功能分析

隨著現(xiàn)代社會老齡化的程度越來越高，我們不論在手機還是新聞上經(jīng)常能

看到老年人跌倒了，由于長時間未被發(fā)現(xiàn)而起不來，進而導(dǎo)致老人重傷甚至死

亡。老年人跌倒造成的致病、住院率和死亡率急速提高，帶來了嚴(yán)重的社會負(fù)

擔(dān)和經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。于是需要在不影響老年人正常活動的前提之下，通過科學(xué)的手

段監(jiān)測老年人的活動，在檢測到摔倒后迅速報警求助，能夠讓身邊的人來幫助

老人，就可以有效地減少老年人跌倒帶來的健康傷害和醫(yī)療開支。于是，本說

明書設(shè)計了一種基于ADXL345傾角傳感器的跌倒檢測與報警系統(tǒng)。

本設(shè)計由STC89C52單片機電路、ADXL345加速度傳感器電路、按鍵電路、

蜂鳴器報警電路和電源電路組成。主要功能如下：

1、產(chǎn)品豎直放置的時候，蜂鳴器不報警，產(chǎn)品歪倒一定角度，3s左右沒

有恢復(fù)豎直，則蜂鳴器鳴叫報警。

2、設(shè)計帶有誤報警按鍵，蜂鳴器報警的時候，如果老人認(rèn)為是誤報警，

則按鍵按下，蜂鳴器停止報警。

3、按鍵停止報警后，如果還未站起，延時一段時間3s左右還會報警，防

止老人發(fā)生意外。

2設(shè)計方案遴選

在進行硬件電路配置之前一定要選擇好產(chǎn)品的零部件，讓器件發(fā)揮基本功

能。一個完整的老人防摔倒產(chǎn)品由多個元部件組合而成，其中也有不同的模塊

供我們選擇，我們需要綜合各方面的因素來考慮，產(chǎn)品的基本形式是由顯示功

能，報警功能，角度測量功能組成。

2.1芯片及開發(fā)板的選擇方案

2.1.1選用ArduinoUNO開發(fā)板

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源硬件產(chǎn)品，具有豐富的接口。

能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達和其他裝置來反

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饋、影響環(huán)境。它沒有復(fù)雜的單片機底層代碼，沒有難懂的匯編，只是簡單而

實用的函數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)化的接口模式為它的可持續(xù)發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)，但價格

較高，不適合做企業(yè)大規(guī)模開發(fā)，不能滿足一些高性能和復(fù)雜的應(yīng)用需求。

2.1.2選用51系列單片機芯片

選擇STC89C52作為系統(tǒng)的主要芯片。芯片配合PC端就可以將代碼燒入到

單片機里，省去了很多步驟，速度比上一代更快。它是從軟件到內(nèi)部硬件都擁

有整套的按位操作系統(tǒng)，稱為微處理器，片內(nèi)RAM雙重功能地址區(qū)間是所擁有

的功能，以及乘法和除法指令，使用極為靈活。本設(shè)計采用此方案來進行硬件

電路設(shè)計。

2.2傳感器的選擇方案

2.2.1選擇GPS定位傳感器

GPS（全球定位系統(tǒng)）是一種基于衛(wèi)星技術(shù)的定位系統(tǒng)，它可以在全球范

圍內(nèi)精確地定位任何一個點的位置。GPS定位的基本原理是通過接收衛(wèi)星發(fā)射

的信號來確定接收器的位置，可能會因為在傳播過程中信號差而產(chǎn)生誤差，且

與我們實現(xiàn)的功能不太相符。

2.2.2選擇ADXL345傳感器

ADXL345傾角傳感器實時采集老人在日常活動中產(chǎn)生的傾角數(shù)據(jù)，然后將

數(shù)據(jù)送到單片機STC89C52進行處理，并判斷老年人的實時狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)檢測

到跌倒發(fā)生時，發(fā)出報警聲音提醒老人和周圍的人，選擇ADXL345傳感器比較

適合我們設(shè)計的產(chǎn)品。因此，本設(shè)計選擇此方案來實現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測。

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2.3系統(tǒng)框圖設(shè)計

電源模塊

角度傳感器模塊蜂鳴器模塊

51單片機系統(tǒng)

按鍵模塊

圖2.1系統(tǒng)設(shè)計框圖

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3產(chǎn)品硬件設(shè)計

由STC89C52RC單片機組成的系統(tǒng)，角度傳感器，蜂鳴器模塊，按鍵模塊

和電源組成。主要是是利用角度傳感器檢測板塊角度是否傾斜。

按鍵模塊，一個是重新測量角度，第二個是調(diào)節(jié)角度值，調(diào)到多少度判定

為摔倒。

蜂鳴器模塊主要用于提示和報警，如果角度超過設(shè)置的角度值設(shè)定的溫度

值則報警。

3.1STC89C52RC單片機核心電路設(shè)計

STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具

有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器。

一、STC89C52主要特性如下：

（1）8K字節(jié)程序存儲空間；

（2）512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間；

（3）內(nèi)帶4K字節(jié)EEPROM存儲空間;

（4）可直接使用串口下載。

二、STC89C52主要參數(shù)如下：

（1）增強型8051單片機，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可以任意

選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；

（2）工作電壓：5.5V～3.3V（5V單片機）/3.8V～2.0V（3V單片機）；

（3）工作頻率范圍：0～40MHz，相當(dāng)于普通8051的0～80MHz，實際工作

頻率可達48MHz；

（4）用戶應(yīng)用程序空間為8K字節(jié)；

（5）片上集成512字節(jié)RAM；

（6）通用I/O口（32個），復(fù)位后為：P1/P2/P3是準(zhǔn)雙向口/弱上拉，

P0口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用

時，需加上拉電阻；

（7）ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無

需專用仿真器，可通過串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒

即可完成一片；

4

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圖3.1STC98C52RC單片機核心電路圖

5

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圖3.2STC98C52RC實物圖

3.2按鍵電路設(shè)計

復(fù)位按鍵開關(guān)的作用就是手按下時會通電，松開后又會斷電，瞬間短路

就會重啟控制的機器，相當(dāng)于一個重啟按鈕。

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圖3.3按鍵模塊原理圖

3.3ADXL345三軸加速度傳感器模塊電路

ADXL345角度傳感器是指它能夠感受到角度的變化并且轉(zhuǎn)換成可用輸出信

號的傳感器。是一種常用的MEMS(微電子機械系統(tǒng))傳感器，它可以測量物體在

三個方向的加速度，是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為

16位二進制補碼格式，角度傳感器顧名思義就是用來測量角度的變化。當(dāng)往一

個方向轉(zhuǎn)動的話，計數(shù)就會增加，轉(zhuǎn)動方向也會跟著變化時，計數(shù)則會相應(yīng)的

進行減少。ADXL345三軸加速度傳感器首先由前端感應(yīng)器件感測加速度的大

小，然后就由感應(yīng)電信號器件轉(zhuǎn)換為可以識別的電信號，這個信號其實就是模

擬信號。ADXL345中集成了AD轉(zhuǎn)換器，可以將模擬信號數(shù)字化，在計算機系統(tǒng)

中數(shù)字信號一律以二進制補碼的形式來表示，在這也是一樣的，AD轉(zhuǎn)換器輸出

的是16位的二進制補碼。經(jīng)過數(shù)字濾波器的濾波后在控制和中斷邏輯單元的

控制下訪問32級FIF0,通過串行接口讀取數(shù)據(jù)。ADX1345的控制命令也是通過

接收來自串口的讀寫命令來實現(xiàn)的，這主要是對寄存器的操作。

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圖3.4ADXL345角度傳感器模塊原理圖

3.4LED信號指示燈電路設(shè)計

LED燈就是發(fā)光二極管，它其實就是半導(dǎo)體二極管的一種，是一種能夠?qū)?/p>

電能轉(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。發(fā)光二極

管和普通二極管都是一樣由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴

占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時候，它們之

間就形成一個P-N結(jié)。也是具有單向?qū)щ娦浴Ｔ陔娐分?，電阻的作用是限流?/p>

保護LED燈以防太大的電流把LED燈燒壞。接低電平，LED燈亮，否則的話，

LED燈則不亮。其具體電路原理圖如下圖所示。

圖3.5LED燈電路原理圖

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4產(chǎn)品軟件設(shè)計

此產(chǎn)品采用的是C語言編程，由多個程序和模塊化程序組成的整體程序。

我們說一個完整的控制系統(tǒng)都是由硬件系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)組成的。前面主要介

紹了產(chǎn)品硬件的設(shè)計方案。為了充分利用系統(tǒng)軟件的設(shè)計功能，必須選擇支持

硬件平臺的軟件程序，一個能夠燒錄到單片機內(nèi)部的軟件。

4.1程序流程圖

圖4.1程序流程圖

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4.2產(chǎn)品程序清單

圖4.2產(chǎn)品程序清單

5產(chǎn)品使用說明

5.1產(chǎn)品裝配圖

產(chǎn)品是由單片機，LCD液晶顯示模塊，報警模塊，電源和電源開關(guān)，蜂鳴

器報警模塊，報警燈閃爍模塊，角度傳感器模塊，按鍵控制模塊組成。

LCD液晶顯示

STC89C52RC芯片

電源和電源開關(guān)

按鍵控制

蜂鳴器報警

角度傳感器

報警閃爍燈

圖5.1產(chǎn)品裝配圖

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5.2產(chǎn)品調(diào)試

檢測單片機上面的部件是否正確焊接在電路板上，所以需要自己對每一個

焊點進行檢測，確保沒有虛焊漏焊。

使用萬用表對電路板進行測試，確保每個焊點連接的狀況是否合格，再檢

測各電源線跟地線有沒有短路的現(xiàn)象。

在構(gòu)建了調(diào)試平臺后，下一步就是需要去調(diào)試用到的軟件。如果程序調(diào)試

沒有問題的話，就需要確定系統(tǒng)功能是否滿足我們的要求。如果功能有問題的

話，就需要去重復(fù)調(diào)試程序，一直重復(fù)直到所有功能都滿足要求。

最后對產(chǎn)品進行上電，檢查各方面是否運行正常。

5.3產(chǎn)品使用說明

1.接通電源，按下開關(guān)，LCD1602顯示器顯示當(dāng)前x軸，y軸，z軸的偏移

角度的情況。

2.通過按鍵可以重新檢測是否摔倒。

3.可以自己通過按鍵設(shè)置x軸，y軸，z軸報警的閾值

4.設(shè)置的閾值保存在單片機內(nèi)部，不用重新設(shè)置。

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參考資料

[1]秦志強.《現(xiàn)代傳感器技術(shù)及應(yīng)用》[M].電子工業(yè)出版社.2010

[2]郭天祥.《新概念51單片機C語言教程》[M].電子工業(yè)出版社.2009

[3]沈一偉.《實用蜂鳴器研制技術(shù)》[M].東南大學(xué)出版社.2017

[4]舍茨.《實用電子元器件與電路基礎(chǔ)》.電子工業(yè)出版社.2009

[5]胡漢才.單片機原理及系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.

[6]張俊謨.單片機中級教程原理與應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社.2002.

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附錄

附錄1元器件清單

附表1元器件清單

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附錄2電路原理圖

附圖1產(chǎn)品原理圖

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附錄3PCB設(shè)計圖

附圖2產(chǎn)品PCB設(shè)計圖

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附錄4產(chǎn)品實物圖

附圖3產(chǎn)品實物圖正面

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附圖4產(chǎn)品實物圖反面

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附錄5主程序代碼

#include"system.h"

uint8buffer[16];

int16XAxisDegree,YAxisDegree,ZAxisDegree;

int16XAxisDegreeTemp,YAxisDegreeTemp,ZAxisDegreeTemp;

/***************************************************

//================關(guān)鍵字別名定義===========================

typedefunsignedcharuint8;

typedefcharint8;

typedefunsignedintuint16;

typedefintint16;

typedefunsignedlonguint32;

typedeflongint32;

****************************************************/

int16temp0,temp1;//intint16

int8XAlarmL=-90,XAlarmH=90;//charint8

int8YAlarmL=-90,YAlarmH=90;

int8ZAlarmL=-90,ZAlarmH=90;

uint8SystemSet;//unsignedcharuint8

bittab;

voidLcdDisplay(void)

{

int16temp;

if(SystemSet==0)

{

if(XAxisDegree==0)LCD1602_DisStr(0,0,"X:");

elseif(XAxisDegree>0)LCD1602_DisStr(0,0,"X:+");

elseLCD1602_DisStr(0,0,"X:-");

if(XAxisDegree<0)temp=(-1)*XAxisDegree;//轉(zhuǎn)化為正數(shù)，顯示需

要

elsetemp=XAxisDegree;

sprintf(buffer,"%02d.%d",temp/10,temp%10);

LCD1602_DisStr(0,3,buffer);

if(YAxisDegree==0)LCD1602_DisStr(0,9,"Y:");

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elseif(YAxisDegree>0)LCD1602_DisStr(0,9,"Y:+");

elseLCD1602_DisStr(0,9,"Y:-");

if(YAxisDegree<0)temp=(-1)*YAxisDegree;

elsetemp=YAxisDegree;

sprintf(buffer,"%02d.%d",temp/10,temp%10);

LCD1602_DisStr(0,12,buffer);

if(ZAxisDegree==0)LCD1602_DisStr(1,0,"Z:");

elseif(ZAxisDegree>0)LCD1602_DisStr(1,0,"Z:+");

elseLCD1602_DisStr(1,0,"Z:-");

if(ZAxisDegree<0)temp=(-1)*ZAxisDegree;

elsetemp=ZAxisDegree;

sprintf(buffer,"%02d.%d",temp/10,temp%10);

LCD1602_DisStr(1,3,buffer);

}

else

{

if(SystemSet==1)LCD1602_DisStr(0,4,"<XSet>");

elseif(SystemSet==2)LCD1602_DisStr(0,4,"<YSet>");

elseif(SystemSet==3)LCD1602_DisStr(0,4,"<ZSet>");

if(DataVal0==0)LCD1602_DisStr(1,0,"L:");

elseif(DataVal0>0)LCD1602_DisStr(1,0,"L:+");

elseLCD1602_DisStr(1,0,"L:-");

if(temp0<0)temp=(-1)*DataVal0;

//////////////////////////////////////////////////////////

elsetemp=DataVal0;

sprintf(buffer,"%02d",temp);

LCD1602_DisStr(1,3,buffer);

if(DataVal1==0)LCD1602_DisStr(1,9,"H:");

elseif(DataVal1>0)LCD1602_DisStr(1,9,"H:+");

elseLCD1602_DisStr(1,9,"H:-");

if(temp1<0)temp=(-1)*DataVal1;

elsetemp=DataVal1;

sprintf(buffer,"%02d",temp);

LCD1602_DisStr(1,12,buffer);

}

}

//角度測量

voidDegreeMeasure(void)

{

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uint16temp;

int32temp0;

int16XTemp,YTemp,ZTemp;

doubletemp1;

ADXL345_ReadBytes();

temp=((uint16)XyzDataBuf[1]<<8)|XyzDataBuf[0];//合成數(shù)據(jù)

XTemp=(int16)temp;//因為以二進制的補碼的形式存放數(shù)據(jù)，所以要轉(zhuǎn)

換成帶符號的值

temp=((uint16)XyzDataBuf[3]<<8)|XyzDataBuf[2];

YTemp=(int16)temp;

temp=((uint16)XyzDataBuf[5]<<8)|XyzDataBuf[4];

ZTemp=(int16)temp;

temp0=(int32)YTemp*YTemp;

temp0+=(int32)ZTemp*ZTemp;

temp1=sqrt(temp0);

temp1=atan(XTemp/temp1);//計算傾角的弧度值

XAxisDegreeTemp=temp1*1800/PI;//就是將弧度轉(zhuǎn)換為角度值，放大

10倍并且保留1位小數(shù)點

temp0=(int32)XTemp*XTemp;

temp0+=(int32)ZTemp*ZTemp;

temp1=sqrt(temp0);

temp1=atan(YTemp/temp1);

YAxisDegreeTemp=temp1*1800/PI;

temp0=(int32)YTemp*YTemp;

temp0+=(int32)XTemp*XTemp;

temp1=sqrt(temp0);

temp1=atan(ZTemp/temp1);

ZAxisDegreeTemp=temp1*1800/PI;

}

voidCalcAvrgDegree(void)

{

staticint16XSum=0,XMin=900,XMax=-900;

staticint16YSum=0,YMin=900,YMax=-900;

staticint16ZSum=0,ZMin=900,ZMax=-900;

staticuint8i=0;

if(XMin>XAxisDegreeTemp)XMin=XAxisDegreeTemp;//求最小值

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if(XMax<XAxisDegreeTemp)XMax=XAxisDegreeTemp;//求最大值

XSum+=XAxisDegreeTemp;//累加

if(YMin>YAxisDegreeTemp)YMin=YAxisDegreeTemp;//求最小值

if(YMax<YAxisDegreeTemp)YMax=YAxisDegreeTemp;//求最大值

YSum+=YAxisDegreeTemp;//累加

if(ZMin>ZAxisDegreeTemp)ZMin=ZAxisDegreeTemp;//求最小值

if(ZMax<ZAxisDegreeTemp)ZMax=ZAxisDegreeTemp;//求最大值

ZSum+=ZAxisDegreeTemp;//累加

i++;

if(i>=10)//采樣10次求平均

{

XSum=XSum-XMax-XMin;//去除極值

XAxisDegree=XSum/(i-2);//求出平均AD值（因為去除了極值，所

以次數(shù)要減2）

XSum=0;XMin=900;XMax=-900;//變量復(fù)位，準(zhǔn)備下一次計算

YSum=YSum-YMax-YMin;

YAxisDegree=YSum/(i-2);

YSum=0;YMin=900;YMax=-900