【《基于单片机的老人活动识别系统设计》8300字（论文）】

目录TOC\o"1-3"\h\u4386摘要： 1258731.绪论 2256261.1研究背景及意义 2107341.2研究现状及发展趋势 2136581.3论文具体安排 3192812.系统方案分析与选型 4132902.1系统方案分析 4166602.2关键模块方案的选型 4126512.2.1主控制器的选型 448202.2.2无线模块的选型 6106212.3系统软件实现逻辑 7323273.系统硬件设计 864743.1硬件总体方案 843653.2主控模块电路设计 8206173.3姿态传感器电路模块 9230963.4蓝牙模块电路设计 9285303.5液晶电路设计 10145594.系统软件设计 1185714.1系统主程序设计 11144504.2传感器采集程序 12253034.3蓝牙无线通信程序 13124745.系统调试 14202365.1实物连接测试 14201205.2实物上电调试 15105245.3实物调试结果 165127结论 164629参考文献 16摘要：随着正确的理念宣导，人们不再盲目勤俭节约，开始重视身体健康，尤其是对老人家的健康状况更加重视，但是当代年轻人的生活压力越来越大，要求他们赡养老人亲力亲为、时刻陪伴在老人身边是难以实现的。本论文主要研究的是对老年人活动的安全监测，也为老人自身的健康及日常监护带来了便利。[1]本次设计的系统整体框架是以单片机STM32作为核心控制部分，外围搭建了无线蓝牙通信模块、能实时采集当前人体运动的感应模块以及液晶显示模块，在C语言的编程下实现采用传感器采集步数，并将采集的参数值转换为数字信号，通过单总线将参数数据传输到处理器控制模块进行分析处理，驱动蓝牙无线通讯模块将人体信息传输至手机app端。在手机app端液晶显示屏上实时显示当前活动状态、用户步数，最终实现一种老人活动识别系统。[2]经过实物调试，可满足当前测试者的姿态的实时采集，通过液晶屏可直观看出姿态数据和步数数据，手机APP端数据同步成功，测试准确率可达100%。关键字：智能化；老年人活动；STM32单片机；姿态传感器；蓝牙1.绪论1.1研究背景及意义随着人们生活水平的不断提高，运动与睡眠健康话题变的愈加重要，运动的方式也越来越简单，例如自行车已不仅仅是代步工具。而是成为人们娱乐、锻炼的首选。但是长期远距离骑车，可能会导致颈肌和腰肌劳损，而这是由于骑自行车不良的姿势引起的。不良的姿势骑车时会影响局部血液循环，甚至引起一系列的生理疾病。随着经济社会的不断进步，带动了电子技术的跨越式发展，人们在生活很多方面中都引入了电子技术，单片机作为微控制器，体积较小，开发成本低，同时具有完善的功能，能够被广泛应用于电子产品以及工业自动化生产活动中。[3]智能手表作为可穿戴设备，目前存在两种形态。一种是基于Android等移动操作系统，同时具备独立通话和上网功能，实质上是缩小版的智能手机;另外一种智能手表，基于实时操作系统，不具有独立的移动网络模块，必须与其他智能设备连接使用，可接收智能手机的来电/短信通知，控制智能手机的某些功能。两种智能手表都具有健康指标检测、运动记录等其他功能，并可利用配对的智能设备对数据进行同步和分析。我国是礼仪之邦，百善孝为先，目前市面上已经研究出诸多针对老年人的智能产品，旨在当儿女不在身边时为老年人省时省力的借力工具，本课题研究的目的主要为老年人设计一款活动过程的识别系统，并且可以在远程端同步显示，便于老人自身了解活动状态和家人的安全实时监护。[4]1.2研究现状及发展趋势智能计步系统是在传统机械手表的基础上发展起来的，后者是一种机械装置，功能单一在使用和管理上不方便。随着电子技术的发展，越来越新的技术不断导入人们佩戴品上，电子智能手环系统应运而生，极大的降低了人们的运动损伤的风险。[5]互联网在近十年内的发展速度有目共睹，而互联网在各行各业都衍生了新的产物并渗透全球市场。智能设备控制是互联网技术发展的一个典型产物，充分适应时代的发展和人们的需求。目前市场上普遍流通的智能设备控制产品有感应灯具照明系统、自动调温系统、智能窗帘系统、家庭影院、防火防盗系统等，大多通过定时控制、红外感应控制、网络通讯等技术手段进行操控、联网、上传数据，实现智能功能。单片机微控器起源于上个世纪七十年代，功能结构单一，控制器体积大，时至今日，单片机体积越来越来，功能也越发多样性、智能化，被广泛地应用于家居系统各大领域。从宏观来看，智能设备控制系统的发展取决于几大影响因素，如政治经济环境、社会市场需求情况、技术发展进程等因素。目前来看，我国综合实力正在逐步向发达国家靠拢，在当前的全球经济市场竞争激烈的境遇下，国家从人力、物力、财力各方面加大了现代科学技术的投入，尤其重视新兴科技技术应用于各行业的成熟化和实用性。但由于市场的小众化，在老人活动监测系统的设计研究上还是较少，随着社会老龄化的加剧，我国已经逐步意识到该方面系统的重要性，从而加大了其人力、物力、政策、近几年的芯片大战大大刺激了全国上下的心，对于老人监护智能系统的研究达到了新的思想统一，各学者、企业都加强了该项研究的推动，高科技新产品的面世指日可待1.3论文具体安排本文介绍了基于单片机的老人活动系统，实现了通过姿态传感器模块以及蓝牙模块进行数据的检测工作，该论文分为了五个部分进行阐述，整个过程安排如下：第一部分：“绪论”，主要阐述了基于单片机的老人活动识别系统的设计思路（需求分析等）以及论文的具体安排和研究的具体工作。第二部分：“系统方案分析与选型”主要描述了本设计基于单片机的老人活动识别系统的系统方案分析和关键模块的选型。第三部分：“系统硬件设计”，主要描述基于单片机的老人活动识别系统的硬件设计，包括整个各个检测模块的介绍。第四部分：“系统软件设计”，主要描述基于单片机的老人活动识别系统的关于软件开发环境的介绍以及采集模块相关的逻辑设计主程序流程图。第五部分：“系统调试”，主要描述基于单片机的老人活动识别系统的集成后的硬件调试、软件调试、以及整个系统的联调测试。2.系统方案分析与选型2.1系统方案分析通过文献和市场调查，市面上常见的实现方案框架通常为本地采集端，整体系统框架一般为本地控制端集端和远程监控端组成，其中本地端由主控搭载传感器及外围功能电路构成，通常有一个本地液晶显示模块，远程监控端则多样化，例如PC端的上位机、移动端的手机app应用以及最新技术云平台。[8]本次系统的整体框架如图3-1所示。图3-1系统功能结构2.2关键模块方案的选型2.2.1主控制器的选型方案一：选用STC89C52型号的单片机来实现本次系统的主控制单元。51系列单片机给电子智能化产业开启了新的篇章，应用可拓展至家庭、办公、工业等各类场景下，鉴于其优良的可靠性和功能稳定性一直深受用户和电子从业者的追捧。[9]STC89C52有40pin管脚，片内有8K字节的Flash可用于功能编译，受其结构封装等限制，C52单片机为8位处理器，在对处理要求不高的功能设计上仍是游刃有余，由于是首个进入中国市场的单片机型号，因此在开发工具的便利度和问题经验的全面性等上面会有很大的优势，对初学者来说非常适宜。方案二：选择16位的MSP430处理器，该处理器是TI公司在单片机初期重点推出的具有精简指令集和超低功耗特征的一款产品，寻址方式多样化大大的提升了处理器的运算能力和速度，配置了25MHz晶振电路，指令周期可缩短至40ns，即便是在复杂算法的应用背景下仍表现的毫不费力，由于芯片内部电压采用1.8-3.6V的低压，无论是运行还是待机均处于极低的电流，成就了最具特色的超低功耗优点，但其劣势也很明显，程序指令的空间占用情况比传统单片机要大的多，在片内本不大的存储空间利用上带来隐患，另外由于使用者的数量占比远不如51等传统单片机，在很多设计和应用案例上的经验很难寻觅，无形提高了学习门槛，MSP430的优劣势都很明显，市面上主要的应用还是从其低功耗特性上出发，在需要保持长期稳定工作的工业场景上使用的最多。[10]方案三：选用ARM嵌入式32位微处理器的STM32单片机来实现系统的主控功能，由于总线位数上的优势，单个周期指令可以同时触发32位数据操作，处理速度和效率上同比51等单片机大幅提高，STM32的接口和片内外设可支持丰富的功能，STM32的芯片型号种类多，在管脚数码、存储容量等多个配置项上进行区分，便于使用者选用适合的参数配置芯片，在以上芯片优化的前提下其芯片的定价一直处于一个合理价位，强大的技术总结和分享文档使得大批51单片机用户转投到STM系列门下，STM32单片机在近年来的智能化系统中得到了更大的推广，智慧家庭设备、智能机器人等新兴产业在屡见不鲜，更凸显了STM32开发系统在各应用场景下的超强兼容性和稳定可靠。物联网的大力推行将STM32单片机和无线通信紧密相连，在未来的AI更新型的高科技应用上有其一席之地。通过对三组主控芯片的发展和优缺点比对，结合本次设计需求和难度等级进行方案筛选，首先考虑主控方案的成熟度和设计难度，是否有丰富的经验案例和技术总结务必是前提条件，因此本次设计暂不考虑选择MSP430处理器。其次针对设计需求的外设种类和复杂程度选择可支持快速响应和稳定运行的处理器，偏向STM32处理器方案，最后成本评估，STM32单片机的单价是可接受的，不会对设计造成经济困扰。最终本次主控处理器的选择为STM32处理器。[11]2.2.2无线模块的选型方案一：采用HC-06蓝牙模块作为系统的无线通讯载体。蓝牙模块是一种在2.4G定频的一种点对点的电磁波，可实现数据和音频两组关键信息的无线传输，其造价成本低，工作功耗极低，即便是用3.3V的纽扣电池仍可实现3年以上的工作周期，因此被广泛利用在手持、车载和小型智能电子设备上。但由于传输距离受限，在长距应用场景上就无法满足功能需求，且蓝牙协议不同设备可能存在多种协议，数据传输会出现丢失的不兼容现象。方案二：采用ESP8266无线wifi作为系统的无线通讯载体。Wifi是可以将各类型终端设备实现在一个无线网络下进行数据交互的技术工具，可支持多组设备任何组合方式的连线，通讯距离可达100米，广泛应用在家居电子产品上，随着智慧家居技术的不断深入，家电设备增加智能化的实现前提均少不了wifi模块，与此同时ESP8266的成本仅为5人民币，在系统满足性能的同时保持非常具有市场竞争力的价格优势，逐步扩大在无线模块领域的市场占比。[12]由于本次设计系统需要实现在较近的距离下与设备互联，两种方案都可满足距离要求，若使用wifi模块则可能存在与家居环境繁多的wifi信号相互干扰，若信号强度不高甚至无法在有限的搜索列表中体现出来，本次设计还是选用HC-06蓝牙模块来作为无线通信功能模块，保障系统的稳定性和抗干扰性。2.3系统软件实现逻辑本次系统软件的实现首先通过判断姿态传感器是否变化来完成老人姿态数据的采集，实现的显示方案有无线远程端和本次液晶屏端两种方式，判断并更新步数完成系统的正常运行。本次系统的整体框架如图3-1所示。图3-2系统软件逻辑流程图3.系统硬件设计3.1硬件总体方案通过以上方案选型最终确定下本设计选用的具体器件，以STM32单片机作为系统核心控制器，外围搭建了MPU6050姿态传感器模块、无线HC-06蓝牙通信模块及OELD12864液晶模块共四部分组成硬件系统。系统组成的总体框图如图3-1所示：图3-1系统硬件整体结构图3.2主控模块电路设计本次设计选用STM32F103C8T6型号的单片机，是主流的ARM平台的控制器，其芯片管脚为40pin，主控芯片的用途在于内部烧录程序的执行，调用和驱动外围功能模块按照预设逻辑工作。[13]STM32单片机的工作电压为3.3V，电压可宽泛至2.0V，仍能完成工作开启。单片机内部集成了一组时钟电路可实现RTC计时功能，但一般情况下仍可以设计一组外部时钟电路来提高时钟信号的精度。芯片内部的闪存和SRAM容量都可支持大量程序烧写，本次选用的STM32F103C8T6的功耗仅为36mA，在同等配置下属于最低等级，STM32单片机的电路图如图3-2所示。图3-2单片机电路原理图3.3姿态传感器电路模块本设计中采用了MPU6050的人体姿态传感器可实现对运动人员的步数等体态数据的采集，该传感器是一种高精度集成化的陀螺仪，采用的卡尔曼动态滤波算法来对被测对象的姿态动作进行解析。[14]单片机通过串口通信模式与姿态传感器进行连接，且其稳定性极高，性能受到广大使用者的一致好评，姿态传感器模块原理图如图3-3所示。图3-3姿态传感器模块电路3.4蓝牙模块电路设计本设计中，蓝牙通讯模块选择使用HC-06模块，实现单片机控制模块与手机APP之间的数据通信功能，单片机将采集的数据传输至手机APP，同时单片机接收手机APP输入的控制信号，实现双向通信功能，本系统主要应用到数据传输功能。HC-06作为蓝牙通信芯片应用非常广泛，不仅可以进行数据传输，进行数据共享，还允许用户自己修改ROM，在无线数据监测和控制系统中很受开发者热捧。[15]蓝牙通信电路设计如图3-4所示，HC-06芯片的VCC供电管脚连接至5V电压，地管脚接GND，保持稳定电压供电，EN为使能脚，可通过单片机控制切换蓝牙待机与工作的状态，BT-TX管脚连接至单片机的RX管脚，BT-RX管脚连接至单片机的TX管脚，实现与单片机串口的通信。图3-4蓝牙模块电路原理图3.5液晶电路设计由于人机交互的需求，本次设计通过OLED12864来呈现系统数据，体现当前系统的时钟数据以及各工作状态的名称，使得用户可一目了然的获取终端系统当前的运行结果。因此如何合理展示数据就是设计的重点考量点。OLED12864液晶屏的尺寸大小为0.96寸，具有自发光的功能，在3.3V的正常供电下可点亮背光，屏幕的像素矩阵划分为X轴方向8个页地址，Y轴方向128个列地址，而每一单元均通过存储寄存器上的对应定位的0/1来映射，实现亮暗数据的切换。本次OLED12864使用IIC通信协议进行数据显示驱动。液晶屏管脚SCL为液晶屏的时钟信号线，SDA是液晶屏的数据信号线，此两根信号线与单片机管脚连接，单片机运行完数据逻辑处理后实现显示数据借助SCL和SDA传输到OLED12864液晶的个每一个寄存器上，进而完成数据的直观显示，设计过程中务必遵循OLED12864的数据时序图，按照所制定的逻辑规则进行程序编译。[16]OLED12864液晶屏为4个管脚的器件，2脚为VCC电源脚，与3.3V电源线相连实现供电。1脚为GND接地脚，连接到地线上，3脚为CE为时钟信号线，与单片机管脚PB6直连，4脚为CSN是液晶数据线与单片机的PB7连接实现实时通信，液晶显示模块的原理图如图3-5所示。图3-5液晶显示模块原理图系统软件设计基于系统的设计开发完成硬件底层的设计和连接后，下一步就是应用层的功能软件设计，需要一个合适便捷的工具来进行代码编译和运行调试等设计步骤，实现系统主程序和各子功能调用程序的模块划分和编写，汇编语言是最早产生的一种软件编程语言，随着时代的发展和技术的改良，C语言出现完全替代掉繁琐的汇编语言，现主流设计均采用C语言进行设计，针对C语言的编译工具也根据不同平台开发了例如keiluvison、IDE、MDK等代码工具，甚至树莓派的py语言也是在C语言的基础上发展而来。本次系统开发的编程平台选择了拥有广泛群众基础的keiluvision5，软件的界面和操作便利性得到了很大的提升和改进。在兼容性方面也很强大，可包容51全系列的单片机控制器产品、功耗极低的MSP430系列产品以及嵌入式平台的STM32系列单片机处理器，软件首先要建立一个工程文件，随后分支建立第二级、第三级等子功能模块调用函数的.C文件和.H文件，在主程序中实现库函数和功能模块函数之间的循环调用。模块化的编译方式在查找问题时也显得轻松，将范围缩小至一个函数中，待每个函数都可执行下去且无出现任何bug和错误信息，则表明程序函数的编译完成，可生成HEX文件下载至控制器内，完成系统的软硬件结合。4.1系统主程序设计主程序流程为系统上电后首先完成系统参数各配置项的初始化，系统开启后完成系统配置初始化，清楚标志位和显示缓存区，系统调用姿态传感器采集程序，完成实时的姿态数据的采集和识别，完成当前老人活动信息的读取，随后为了将数据直观显示出来，需调用无线通信程序完成采集端和手机APP端的互联，完成无线网络交互后即可实现将读取到的当前老人步数和姿态信息在手机APP上显示，实现远程监控老人活动参数的功能。下一步就是主控模块要对传感器数据进行解析，与系统预设的步数标准进行比较，若完成一步则步数计数器加一最终完成活动计步的功能，整个系统的主程序的具体流程图如图4-1所示。图4-1主程序流程图4.2传感器采集程序本次基于老人活动系统的基础工作便是对待测试者中的姿态传感器参数数据进行采集，首先完成各传感器的管脚连接定义，通过不同的管脚名称可以分辨出不同的传感器数据。当系统初始化时，传感器配置内的数据缓存均被消除，当传感器IO输入电平为高时，传感器不进行采集操作，当返回一个低电平信号后，传感器对当前数据进行采集。完成一组数据的接收和写入后，传感器采集程序返回，等待下一次调用。传感器程序流程图如图4-2所示。图4-2传感器采集程序流程图4.3蓝牙无线通信程序蓝牙接收模块通过串口与单片机通信，不需要对蓝牙模块进行底层设置，只需要启动单片机串口即可实现数据的收发，单片机通过串口TXD信号向蓝牙模块发送数据，蓝牙模块将数据发给手机，手机发出的数据到达蓝牙模块，蓝牙模块将数据通过RXD引脚发给单片机。[18]蓝牙接收程序包括两部分：串口1初始化中断接收程序和数据分析程序。在串口1初始化程序段中，设置串口1的数据位为8位，通信波特率为9600bps，使用独立的波特率发生器为串口1提供通信的时基信号，定时器1专门用于为串口提供波特率时钟基准。采用中断方式接收串口1的数据，蓝牙模块每发送来一个数据就会触发一次串口1的中断，程序将收到的数据存入缓存数组，在接收到的数据中搜索指令关键字执行相关指令。[19]蓝牙程序如图4-3所示。图4-3蓝牙程序流程图5.系统调试5.1实物连接测试在以上软硬件的设计完成后，需要安排实际的电路设备的功能调试，根据硬件原理图所导出的电子物料清单进行逐一购买，购物的物料需查看各规格书中对管脚定义的说明后方可进行下一步的焊接操作，避免管脚弄错导致的器件损毁更有甚至会产生更多不良的后果。软件的程序编译需理清楚每一层的逻辑单元，在keil软件上完成逻辑编译和调试，运行无出现任何错误时才可安排下载至单片机，可先使用仿真软件对设计进行初步验证，避免到真正器件电路上才发现异常，有可能使得造成经济损失，影响设计过程的自信心，因此系统调试是必不可少的步骤，此举可在设计过程中对实物的功能进行验证。实物连接图如下图5-1所示。图5-1实物连接图5.2实物上电调试完成硬件连接，对硬件进行测试之后，将整个系统连接上电源，单片机驱动液晶模块实时显示当前环境的传感器信息。可以观察到液晶的第一行显示“bushu=0000B”为当前的运动步数有0步、液晶的第二行显示“177C183C180C”为当前姿态传感器的数值，可判断出当前处于停止或蹲坐状态为状态0的指代，液晶显示界面图如下图5-2所示。图5-2实物上电显示图使用手机当完成蓝牙连接后手机APP可同步显示当前老人的活动状态，当前老人的状态为蹲坐，累计步数为0步，如图5-3所示:图5-3手机APP显示界面图5.3实物调试结果由于系统在数据显示部分采用本地控制端和移动端手机APP同步显示的方式，显示的数据内容主要为老人活动的状态和步数数值，整体来看内容相对简单且清晰，因此本部分的关键功能调试主要就是本地控制端与手机APP的时间准确性比对，和产生姿态变化是否有数据体现，针对本地端和移动端数据的同步准确性确认，同时也对系统的软件工程化开发进行可靠性测试。结论为了解决传统老人运动中缺乏人体参数检测的问题，本次设计的一个可实时监测老人活动的单片机系统。该系统的主控选用STM32来实现采用各传感器采集步数，并实现驱动蓝牙无线通讯模块将整个信息传输至手机app端，实现本地及远程端的数据同步显示。从调试的结果来看本次系统功能联合测试的准确率可达到90%，属于精度较高的程度，但即便是存在千分之一的不良也会给消费者带来困扰，如若是特殊应用场合则可能带来无法估量的结果，因此实物系统必须确保可靠性和稳定性才符合一个可量产使用的产品，真正投入到市场消费端，在未来的优化和其他设计中要以此为目标，实现零缺陷。参考文献[1]丁未，设计以智能手表为中心的无线物联网、《中国仪器仪表》2015（5）[2]闫好霖、GPS定位后台服务系统设计与实现，电子通信工程郑州大学2013（学位年度）[3]韩娜王博文基于移动设备的智能手表设计与实现；《电脑开发与应用》2015（1）[4]何立民.MCS-51单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京:北京航天航空大学[5]楼然苗,李光飞.51系列单片机设计实例.北京:北京航天航空大学出版社,2004:2