【《基于STM32单片机的智能防走失手环设计》6100字（论文）】

基于STM32单片机的智能防走失手环设计目录摘要 41.绪论 51.1研究背景及意义 51.2研究现状 51.3本文的主要研究内容 52.智能防走失手环的总体框架 62.1总体框架构图 62.2无线模块设计 62.3STM32单片机模块 62.3.1STM32单片机的介绍 72.3.2本文选用的STM32F103C单片机 72.4GPS定位系统 82.4.1GPS技术的发展概述 82.4.2GPS定位系统原理 82.5本章小结 93.防走失手环的硬件设计 93.1STM32F103C单片机 93.2GPS模块 103.3NRF24L01无线模块 113.4稳压芯片 133.5SIM900A模块 133.6报警模块 144.软件设计 144.1软件设计的总体方案 144.2超距报警模块设计 154.3显示模块设计 154.4程序测试 165仿真与硬件调试 175.1仿真环节 175.2实物调试 19总结 22参考文献 23附录： 25

摘要摘要：时代在迅速的发展，虽然老人和小孩的走失率在慢慢的下降，但是依旧会存在不少儿童走失的事件。本文在这种社会情况的背景下，主要研究了一款可以提供实时定位以及超距报警的手环设备。该设备主要基于STM32单片机作为核心器件，通过GSM模块来进行数据的收发，实现手环和手机之间的无线连接。手环小巧便携，连上手机后通过给使用者佩戴在手腕上，便可以实现精确的查看佩戴者的实时位置。我们可以通过设置一定的参数，令手环在距离手机主体一定距离后自动报警。实现了相对的智能化，为我们的使用提供尽可能的便捷。关键词：GPS定位；无线连接；防走失；位置监控1.绪论1.1研究背景及意义据最新媒体报道，在中国每一年将近有20万名儿童下落不明。虽然现在人们的思想觉悟有了很大的提高，信息通讯也变得异常简单方便。儿童和老年人的走失数量有了明显的下降。和以前相比虽然儿童的走失率有所下降，但是依旧会存在拐卖儿童和老年人走失的情况发生。针对于这个问题，本次设计探究了一种智能防走失系统，该系统具有可以实现实时定位、超距报警、无线连接的特点。在特定的场合能发挥出非一般的作用。1.2研究现状我国从20世纪80年代开始就已经对GPS技术开始了相应的研究与创新，而且到目前为止已经取得了一些不错的成果。吉林大学科研部门设计了一款基于GPS-GSM定位模式的车辆监控系统，应用在飞机、轮船、地面车辆上的GPS定位导航技术等等。但是目前有不少相关产品还存在一些不足之处，比如说有的设备体积较大不利于随身携带、功耗较高、成本太高等问题。虽然GPS具有定位距离远，定位精确度高等特点，但是运用到佩戴手环上就显得不太合适，所以本文介绍的手环则主要采用蓝牙连接的方式，虽然链接距离比较近，但是用性比较高。该手环主要适用于较小的儿童和不能自己行走的老年人身上。1.3本文的主要研究内容基于STM32单片机，通过在手环上安装NRF24L01无线模块，将手环的从机与我们的手机（主机）连接起来，将防丢失手环佩戴在老年人或者小孩的手腕上，在主体手机和手环之间通过无线信号进行连接，再通过系统处理后在显示屏上显现出使用者的位置，当两者之间的距离较远或者已经超出了设定的位置数值时，手机上显示报警并伴随有位置信息。其中手机上显示的是手环佩戴者的经纬度位置信息。基本要求如下：（1）能够实现对手环佩戴人员的定位并将定位信息发送到显示屏；（2）能够实现定位功能，并将定位信息发送到显示屏；（3）能够在计算手环距离显示器距离并设置阈值在产出阈值时进行报警和灯光提示等功能。2.智能防走失手环的总体框架2.1总体框架构图本次设计主要用到了单片机模块、无线连接模块、GPS定位模块、显示模块、电源模块等。设计框图如下图2-1所示。图2-1设计框图2.2无线模块设计要想完成该手环的基本要求一共需要设计出两个主体，其中一个负责信息的采集与处理，另一个负责信息的接收与显示，两个主体之间就是通过NRF24L01无线模块进行连接。连接之后可以在一定的距离内实现信息的无线传输，给手环的佩戴者提供更方便的使用空间。2.3STM32单片机模块Stm32单片机是意法半导体集团在开发的一个系统的微型控制器单片机是专门为了要求高性能，低成本，低功耗的嵌入式应用而设计的。按照内核的构架不同而分为不同的产品。主要分为有主流产品，超低功耗产品，和高性能产品等等。2.3.1STM32单片机的介绍在STM32F105和STM32F107互联型系列微控制器之前，半导体公司已经推出STM32基本型系列还有增强型系列等。该单片机为嵌入式单片机，与其他较为优良的单片机相比较而言，我们选择的这款STM32单片机在价格上面比他们便宜较多。但是在性能上面又比同价位的单片机更具有较大的操作性。其多个引脚为我们提供了更多的可能性与操作性。而且开发人员可以通过选择产品来重新优化功能，以及存储器、性能和不同的引脚数量。用非常微量的硬件改变，来支持我的不同用户的不同个性化需要。STM32单片机图片如图2-2。图2-2STM32单片机目前，市场上流通的有基本型和增强型两种型号，其中基本型包括STM32F101等一系列产品。增强型包括STM32103等一系列型号。2.3.2本文选用的STM32F103C单片机本文设计的智能防走失手环采用了STM32里面的一款STM32F103C单片机，STM32F属于中低端的32位ARM微控制器，内核采用的是Cortex-M3。其中该单片机的芯片按照内部Flash的大小可分为小容量，中容量和大容量的三个种类。如图2-3为该单片机的外观图片。图2-3STM32F103C单片机图片内核：ARM32位的Cortex-M3，最高72MHz工作频率。功耗：具有低功耗的特点，可后背寄存器供电。存储器：最大64K字节的SRAM。电源管理：2.0-3.6V供电。上电/断电复位（POR/PDR）、可编程电压监测器(PVD)调试模式：串行单线调试（SWD）和JTAG接口。两个看门狗定时器。计算单元：CRC计算单元。2.4GPS定位系统2.4.1GPS技术的发展概述GPS（GlobalPositioningSystem）定位系统是美国的定位系统。始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98％的24颗GPS卫星星座已布设完成。目前我国在GPS领域方面的技术应用也是较为先进的，不仅有了自己的全球卫星，早在几年前就拥有了我们国家自己的太空基站，我国的GPS领域已经涉及到生活中的方方面面，比如目前应用较多的汽车导航系统便是基于GPS技术的一项有用的技术领域。2.4.2GPS定位系统原理GPS定位的原理是利用了外机设备的接收装置和天上的卫星之间的远近，通过设备里面的自带程序进行运算求解来确定出用户的位置，并且通过坐标的方式将信息反馈出来。但是如果想要得到更为精确的位置数据，就需要至少四颗同步卫星来参与其中。四颗同步卫星一起构建出数据模型。其详细的计算公式如下：xxxx其中，d1公式中的c为光速的计算单位。（V∆通过上述公式的计算，便可以得到用户的坐标（x,y,z）。GPS接收机和各个卫星之间的位置关系如图2-4所示（引自“GPS”搜狗百科图册）。图中最左边的卫星1对应着坐标x1,y1,z1。以此类推。图2-4定位原理图2.5本章小结本章主要介绍了GPS的一些简单原理和应用。简单的列出了如何实现通过卫星和接收机之间的联系计算出使用者的坐标位置，为手环的定位功能正常实现打下基础。3.防走失手环的硬件设计3.1STM32F103C单片机STM32F103C单片机属于STM32系列里面的高性能产品，F代表了芯片的子系列，103代表了增强型系列。如图3-1所示。图3-1单片机最小系统最小外围系统电路的设计如下时钟电路结合一下手环的总体功耗以及各个模块的通信功能，最后挑选好了一个八千兆HZ的晶体振荡器和22pf的小电容串联的晶体振荡器。如图3-2所示。图3-2时钟电路3.2GPS模块定位模块采用市场是普通的GPS芯片，HT1612Z3M3L是一款性能高的定位模块，其性能可以支持用户将其使用在汽车的定位与导航中，是一款比较完整的能够接受定位的完整装置。虽然体积轻巧但是却可以满足专业定位的苛刻要求。其参数如下图3-3（1）（2）。（1）（2）图3-3GPS定位模块电路图各引脚的定义如下表3-1所示。表3-1GPS引脚定义名称描述VCC系统主电源TXUART/TTL接口(3.3V默认)GNX接地当TIMEPULSE（时间脉冲）不通电时，显示为秒脉冲输入。当RESET-N（复位）通电时，模块复位输入，底电平有效。3.3NRF24L01无线模块NRF24L01无线模块是设置出来的一个新型收发器件，由NORDIC公司研发与生产。采用FSK调试，内部集成了由NORDIC公司自己的EnhancedShordBurst协议。内置多种功能模块，其中有一个为该公司提供的通信模块的GERBER文件，可以直接加工生产，使用起来较为方便简单。该芯片的一个特点是传输距离较远，但是在另一些方面，比如按照传输的数据流量来看就没有其他的一些使用的更方便。本次根据设计的需要优先采用了NRF的这款芯片。其外观图片如图3-4所示。（图片来自搜狗百科图册）图3-4NRF无线模块芯片图片一般NRF24L01有二十个引脚，本次研究并不能用到那么多，下面只着重介绍使用到的几个引脚的作用，其作用如下所示。CE:可以发射或者接收，当有数字输入时RX或者TX模式选择。IRQ:为中断标志位，当有信号输入时，可屏蔽中断脚。MOSI，CSN，SCK，MISO：VCC:电源。这一系列的为引脚端，使用可以让微处理器通过此引脚来配置该芯片。GND:接地。引脚功能大致为以上所介绍，下面图3-5给出了NRF24L01模块的四种工作模式。工作模式如下表3-1所示。表3-2NRF24L01四种工作模式模式PWR-UPPRM-RMCMFIFO寄存器状态接收模式1 1 1 -发射模式1 0 1 数据在TXFIFO寄存器中发射模式1 0 1至0 停留在发射模式直至发送待机模式21 0 1 TXFIFO为空待机模式11 - 0 无数据传输电路图如下图3-5所示。图3-5无线模块电路示意图3.4稳压芯片稳压芯片是一个电路板里必不可少的一部分，本手环采用的稳压芯片是由奥地利微电子公司的ASM1117芯片。该芯片是一款低压差三端稳压器，用于交换式电源3.3V至5V线性稳压器。具体参数特征如下：=1\*GB3①根据芯片模块的具体型号呢，对应相应的资料信息，可以直接查看到该型号的可调电压，可调电压基本上分为1.5伏，1.8伏，2.5伏，2.85伏，3.3伏和5.0伏等等；=2\*GB3②线性调节最多百分之零点二；=3\*GB3③负载调节封顶百分之零点四；稳压芯片电路图如图3-6所示。图3-6稳压芯片电路示意图3.5SIM900A模块本手环的数据传输项目最终由SIM900A来负责，该模块具有双频的特点，其中包括GSM模块和GPRS模块。性能稳定，功耗量小，其主要的性能指标完全能够符合我手环的信息传输要求。其主要特征如下：包括双频900和180MHZ；通过AT命令控制；下行速度较快；支持SIM卡接口；本次的主机和从机之间的联系主要就是通过该模块来进行的。4.软件设计4.1软件设计的总体方案由于该防走失手环具有多个模块进行相互协调工作，所以各个模块之间通过一定的程序联系起来。当手环的主机和从机都打开之后，在设计的实物板上通过按动按键来模拟在手机上查看手环的位置信息，当按钮被按动之后，传输一个信号到单片机内，通过单片机来发布命令使GPS定位模块开始工作。当GPS模块收集到信号后开始自己处理收集到的信号，然后再将信号传输到单片机内，单片机通过信号转换将传输回来的信号输送到显示屏中，以我们能轻易看懂的信息显示出来。当手环和主机的距离在设置距离之内时的流程图如图4-1所示。图4-1流程图4.2超距报警模块设计在正常情况下，如果只是想要寻找手环佩戴者的使用位置，当我们按动按钮后，在我们的主机上便会显示手环的大致位置，并且手环上有相应的报警模块，帮助我们寻找手环的具体位置。当手环的佩戴者超出了我们预先设置的距离后，系统的流程图如下图4-2所示。图4-2超距流程图4.3显示模块设计找到合适的显示器，首先将LCD显示模块实现LCD1602的初始化操作，将进一步的对引脚EN的操作使LCD1602能够工作。在仿真中通过输入相应的代码，实现显示屏的正常工作。产品设计流程图如下图4-3所示。图4-3显示流程4.4程序测试将设计好的代码输入到KeilUVision4中，开始跑程序，在跑程序的过程中发现问题就及时的更改掉。程序的测试图如下4-4所示。图4-4程序测试图5仿真与硬件调试5.1仿真环节在仿真调试环节，由于许多部分的功能并不能在仿真软件上实现，现在就采用替换的方法，将一些不能进行仿真的功能用其他的一些功能进行替换。比如GPS定位的过程在仿真软件上就没有相对应的功能，因此本文中的仿真大部分采用代替的原则。首先，根据对手环功能的基本要求设计出一套仿真图，再将相应的代码传入至单片机内。仿真图如下5-1所示。图5-1仿真图在仿真测试中，由于仿真模块中没有GPS的元器件，两个主体之间的距离改变没有办法在仿真中实现，所以本文中用两个按钮来代替实物中的这一功能，当按动距离增加按钮时，代表手环和主机之间的距离增加了十米，在显示屏上有相对应的显示，当按动距离减少按钮时，代表手环和主机之间的距离减少了十米，在显示屏上有相对应的显示。具体操作如图5-2所示。图5-2通过仿真实现距离调控5.2实物调试在本次设计中，手环距离主体的距离远近在仿真中用一个滑动变阻器来表示，通过改变滑动变阻器的阻值大小来模拟实际中的距离远近，当阻值变大时表示手环距离较远，当阻值变小时，表示手环的距离较近。阻值大小的控制可以通过直接给定参数或者直接拖动滑杆来实现，实际操作如下图5-3所示。图5-3距离按钮调控实际图当主机通过按钮设置好数值后，从机便与主机链接并开始工作，一旦定位手环和手机之间的距离超出了预定值，手机上便会产生报警提示，包括蜂鸣器报警和LED灯闪烁报警。在这个设计中，两个主体之间的距离设定值可以在显示屏上显示出来。具体如图5-4所示。在该图中的距离设定值为30米，手环和手机之间的距离为14.67米。图5-4距离显示在手环上可以通过按动开关实现将手环的位置信息发送给主机，当按动开关后主机显示屏显示手环的经纬度信息，具体图示如图5-5和图5-6所示。图5-5发送定位信息开关图5-6显示屏显示手环位置最终的实物设计图片如下图5-7和图5-8所示。图5-7主机接收装置图5-8定位手环装置总结由于本次研究的手环是用来防止小孩和老人丢失的，所以在研究的过程中查阅了一定量的资料，在众多的资料中我首先学到的是一些关于电器方面的知识，其次，也是最让我为之动容的是在搜集资料的过程中了解到的我国每年走失的儿童居然有数十万之多，尽管在现在这个被我们称之为文明时期的现代，儿童的走失量居然还能有这么大。在越来越深入的研究之后发现我国目前关于防走失的设备还是挺多的，而且我相信后面肯定会越来越亲民化，越来越先进化。每一位孩子都是一个家庭的希望结晶，由衷的希望以后关于儿童走失的事件会越来越少。那么，对于本次研究我主要完成了以下内容：=1\*GB3①查阅资料了解关于定位手环设计所需要的知识和设备，了解到GPS定位的相关细节与方法；=2\*GB3②设计相关的电路图和程序，着手购买元器件准备实物的设计；=3\*GB3③找之前学过的课本，查阅连接元器件的知识；=4\*GB3④进行最后的程序调试环节。参考文献[1]何生毫，周川湖，刘宇昊，等.基于STM32的无线定位追踪系统[J].计量与测试技术，2018（30）：15-78.[2]何诚刚.安卓移动设备外部通信接口板的设计[J].电子设计工程，2017（1）：114-118.[3]童冠瑛,沈建萍,肖琴锋,盛晗.防走失马甲在老年认知功