..摘要目前,隨著當今社會老齡化進程的逐步加劇,我們在新聞中經常能看到老人跌倒了,無人扶,進而導致老人的死亡。對于這種悲劇,我們也很無奈,因為怕扶了老人,可能會被訛,老年人跌倒造成的致病、住院率和死亡率急速提高,帶來了嚴重的社會經濟負擔。因此,在不影響老年人正常活動的前提下,通過科學的手段監測老年人的活動,在檢測到跌倒后迅速報警求助,可以有效地減少老年人跌倒帶來的健康傷害和醫療開支。在分析比較國內外跌倒檢測相關技術研究后,本文提出了一種基于ADXL345傾角傳感器的跌倒檢測與報警系統。通過ADXL345傾角傳感器實時采集老人在日常活動中產生的傾角數據,然后將數據送到單片機STC89C52進行處理,并判斷老年人的運動狀態,另外運用DS18B20實時檢測人體溫度。當系統檢測到跌倒發生時,發出報警聲音提醒老人和周圍的人,并且能夠將報警短信發送到相關人員手機上。關鍵詞：老人防跌倒；ADXL345；STC89C52；GSM；DS18B20目錄TOC\o"1-3"\h\u18967第一章緒論3274281.1課題背景及其意義3285281.2

國內外的研究狀況

377141.3本文的主要研究內容及論文結構安排418812第二章方案的設計與論證588422.1控制方案的確定5168312.2控制方式的選擇5291712.2.1單片機芯片的選擇5207452.2.2聲音報警電路方案的選擇5228172.2.3傾角傳感器的選擇6131832.2.4無線遙控模塊的選擇6257002.2.5溫度采集模塊的選擇72533第三章硬件電路的設計9185003.1系統的功能分析及體系結構設計9148953.1.1系統功能分析9287443.1.2系統總體結構9127073.2模塊電路的設計927915STC89C52單片機核心系統電路設計9320263.2.25V電源電路設計1310343.2.3LED信號指示燈電路設計1441183.2.4GSM_SIM800A模塊電路設計14304103.2.5按鍵電路設計1866083.2.6蜂鳴器報警電路〔低電平有效設計1810993.2.7ADXL345傾角傳感器模塊電路設計19326153.2.8DS18B20溫度傳感器模塊電路設計2132475第四章系統軟件設計2432864.1編程語言選擇24250364.2單片機程序開發環境24149484.3KeiluVision4軟件開發流程25280624.4STC-ISP-15xx-v6.85p程序燒錄軟件介紹2647654.5PL2303串口程序燒寫模塊介紹27180634.6程序流程圖2825883第五章系統焊接與調試30124775.1電路焊接3052975.2系統調試3177375.2.1系統程序調試319365.2.2硬件測試3299095.3實物測試3230515致謝3432187參考文獻35緒論1.1課題背景及其意義21世紀被稱為"銀發世紀",人口老齡化是當今社會面臨的重大挑戰之一。通常認為65歲以上的比率超過總人口的7%,就稱為"老齡化社會",而超過14%就稱為"老齡社會"。目前,世界上所有發達國家都已經進入老齡社會,許多發展中國家正在或即將進入老齡社會。截至20XX底,我國65歲以上人口10956萬人,占全國總人口的8.3%。中國作為世界上人口最多的發展中國家,人口老齡化的趨勢加速發展,預計到2030年中國將進入深度老齡化,并超過日本成為全國人口老齡化程度最高的國家。隨著全球人口老齡化的到來,跌倒已經成為老年人致殘和致死的重要原因之一。據世界衛生報告,"20XX全球有39.1萬人死于跌倒,其中60歲以上的占50%以上,70歲以上的占40%。許多發達國家對居住在社區的65歲及以上的老年人研究發現,其中28%~35%在一年中發生過跌倒,80歲以上的則達到了50%。大約40%~70%的跌倒會造成傷害。"對于住在醫院里的老年人,跌倒的發生率則會更高。跌倒會嚴重影響老年人的健康水平和生活質量,也會到來沉重的經濟負擔。因此,采取適當的措施為老年人提供救助十分重要。隨著計算機、通信等技術的發展,電子設備的智能化、小型化,我們希望設計出一種針對老年人跌倒的檢測器,在檢測到老年人跌倒后能夠及時發出求救信號通知其家人或醫護人員,使老年人能夠得到及時的救助,從而降低傷害,提高老年人的生活質量。1.2

國內外的研究狀況

目前,國內外對跌到檢測系統的研究很多,主要方法可分為以下幾種：

〔1基于視頻的跌倒檢測系統

此種方法要求在用戶可能活動的地方安裝攝像頭,來捕捉人體運動的畫面,經過圖像處理判斷用戶是否存在跌倒的圖像特征。該方法不需要用戶穿戴任何裝備,不影響日常生活,但是監測的范圍有限。

例如加拿大的Caroline

Rougier通過攝像頭采集老年人跌倒時的畫面,將運動過程和人體的形態相結合,判斷老人是否跌倒。

〔2基于地板震動的跌倒檢測系統

此種方法是根據人體跌倒在木地板上的聲音或人體跌倒時與地板的沖擊來判斷使用者是否跌倒。但該方法只適用于室內,且不同質地的地板得到的震動信息也不同,應用范圍較小。

例如弗吉尼亞大學的MARC研究中心通過檢測不同物體落地時地板的震動方式來檢測人體跌倒。

〔3基于可穿戴技術的跌倒檢測系統

此種方法將傳感器嵌入到可穿戴的設備,可以實時監測人體的活動,并在檢測到跌倒時進行及時的報警。該方法不受地點的限制,使用范圍廣,且設備便于攜帶。

基于可穿戴跌到檢測系統,目前國內外的研究很多,基本上都是通過各種傳感器采集人體的活動數據,并通過一定的算法判斷老人是否跌倒。這是目前主流檢測方法。1.3本文的主要研究內容及論文結構安排.主要介紹本設計的課題背景及國內外研究狀況；.主要說明系統方案的選擇；第3章.主要介紹硬件電路的組成及使用方法；第4章.主要介紹軟件設計；第5章.主要介紹硬件調試。第二章方案的設計與論證2.1控制方案的確定本設計由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+DS18B20溫度傳感器電路+LED燈電路+GSM模塊電路+電源電路組成。2.2控制方式的選擇2.2.1單片機芯片的選擇方案一采用可編程邏輯器件CPLD作為控制器,CPLD可以實現各種復雜的功能、規模大、密度高、體積小、穩定性高、I/O資源豐富、易于進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式,提高了系統的處理速度,適合作為大規模控制系統的控制核心。但本系統不需要復雜的邏輯功能,對數據的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經濟的角度考慮,最終放棄了此方案。方案二采用ST公司的STC89C52單片機作為主控制器,STC89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系統可編程Flash存儲器。該單片機功耗低、接口豐富,成本低廉,完全能滿足本設計要求。方案三采用單片機芯片控制MSP430單片機是美國XX儀器〔TI推出的一種16位超低功耗的混合信號處理器〔MixedSignalProcessor,主要是針對實際應用需求,把許多模擬電路、數字電路和微處理器集成在一個芯片上,以提供"單片"混合信號處理的解決方案。MSP430F149是一個16位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機,具有可靠性高、功耗低、擴展靈活、體積小、價格低和使用方便等優點,廣泛應用于儀器儀表、專用設備智能化管理及過程控制等領域,有效地提高了控制質量與經濟效益,已成為眾多單片機系列中一顆耀眼的新星。然而其成本太高,故舍棄。故選擇方案二。2.2.2聲音報警電路方案的選擇方案一采用語音集成芯片ISD4004報警,由于ISD4004需要擴充喇叭驅動電路且其本身控制比較繁瑣、電路比較復雜,穩定性差。基于以上考慮,所以放棄了此方案。方案二通過蜂鳴器實現報警電路,具有電路簡單,性能可靠、穩定等優點,最重要的是低成本,故選擇方案二。方案三采用音樂片作為本系統門鈴的音樂模塊,音樂芯片是一種比較簡單的語音電路,它通過內部的振蕩電路,再外接小量分立元件,就能產生各種音樂信號,音樂芯片是語音集成電路的一個重要分支,目前廣泛用于音樂卡、電子玩具、電子鐘、電子門鈴、家用電器等場合。其具有電路簡單,成本低廉等優點。故選擇方案二。2.2.3傾角傳感器的選擇方案一采用陀螺儀來檢測老人的位置信息,陀螺儀是用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置,該模塊精度高,穩定性強,但控制復雜。方案二：采用基于ADI公司的傾角傳感器ADXL345模塊來檢測老人的位置信息,adxl345功能很強大,內置很多寄存器,而且成本低,易于控制。故選擇方案二。2.2.4無線遙控模塊的選擇方案一采用紅外遙控模塊系統進行無線控制,紅外載波頻率：38KHz,其理論遙控范圍為8-10米,遙控范圍內,電路簡單,成本極低。中間有無障礙物等因素會影響到遙控距離,實際遙控距離可能更短,喪失了遙測的有用性。方案二采用315M無線模塊對系統進行無線控制,其廣泛地運用在車輛監控、遙控、遙測等方面,數據模塊具有較寬的工作電壓范圍3～12V,當電壓變化時發射頻率基本不變,和發射模塊配套的接收模塊無需任何調整就能穩定地接收。當發射電壓為3V時,空曠地傳輸距離約20～50米,發射功率較小,當電壓5V時約100～200米,當電壓9V時約300～500米,當發射電壓為12V時,為最佳工作電壓,具有較好的發射效果,發射電流約60毫安,空曠地傳輸距離700～800米,發射功率約500毫瓦。其遙控距離要比紅外遙控遠得多。然而315M無線模塊只能傳輸簡單的數據,且距離較近,故舍棄。方案三使用WIFI模塊進行本系統數據的無線傳輸。Wi-Fi是一種可以將個人電腦、手持設備〔如PDA、手機等終端以無線方式互相連接的技術。Wi-Fi是一個無線網路通信技術的品牌,由Wi-Fi聯盟<Wi-FiAlliance>所持有。目的是改善基于IEEE802.11標準的無線網路產品之間的互通性。Wi-Fi主要是用于替代工作場所一般局域網接入中使用的高速線纜的。這類應用有時也稱作無線局域網〔WLAN。其覆蓋性強,傳輸距離遠。但是其安全性不高,很容易被黑客竄改數據。方案四使用藍牙模塊進行本系統數據的無線傳輸。藍牙可以替代很多應用場景中的便攜式設備的線纜,在能夠應用于一些固定場所,如智能家庭能源管理〔如恒溫器等。其數據傳輸為10米,完全滿足本設計要求,而且其數據傳輸的安全性非常高。由于藍牙模塊傳輸距離較近,故舍棄。方案五使用GSM模塊SIM800A作為信息傳輸的媒介,只需要插上移動卡,即可在全球有移動網絡的地方接收到信號。由于本設計考慮遠距離監控,故選擇方案五。2.2.5溫度采集模塊的選擇方案一采用PT100鉑電阻溫度傳感器,此傳感器屬于電阻式傳感器,它的電阻隨著溫度的變化而變化。這種溫度傳感器有零度電阻值和電阻變化率,它性能比較穩定,測量范圍達到-200℃~850℃,但是使用它要復雜的轉換關系,要清楚的知道電阻和溫度之間的關系。其采集電路主要采用的是電阻分壓網絡,在電阻分壓網絡的設計上,由于定值電阻隨著測量環境溫度變化時,其阻值會有所變化,這就會給系統帶來誤差,使系統采集的溫度值產生偏差,并且其電壓值要進行AD轉換,增加了系統的復雜程度。PT100自身體積較大,溫度變化時,反應速度會優先減慢,如果環境變化溫度較快時,將會有部分的中間溫度會被直接過濾掉,使實時溫度信息不準,實時性較差。方案二采用AD590,AD590是現在溫度測量較為常見的溫度傳感器,測量精度高、溫度范圍寬,但是成本很高,一般的廉價應用上不會使用。AD590是電流型溫度傳感器,在檢測溫度變化時,其兩端的輸出電流會有相應的改變。應用方法,一般是采用在輸出端接一個定值電阻<當然這也要溫漂較低的電阻>,在測量電阻兩端的電壓〔電壓值=AD590輸出電流×定值電阻阻值,這與PT100的測量方式相同,使用AD轉換器,將模擬電壓值轉換為數字量。當然AD590的體積也稍大,也會有高速溫度變化時產生出濾波效果,實時性降低。方案三采用DS18B20,DS18B20是數字式的溫度傳感器,測量的溫度范圍較廣,精度高,成本低,穩定性較好。DS18B20采用單總線通信,減少了I/O的占用數量,減少了外圍電路,通信簡單。DS18B20的集成度高,體積較小。因為其體積小,可以測量到的溫度值變化快,實時性就好。故選擇方案二。硬件電路的設計3.1系統的功能分析及體系結構設計3.1.1系統功能分析本設計由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+DS18B20溫度傳感器電路+LED燈電路+GSM模塊電路+電源電路組成。1、板子豎直放置的時候,蜂鳴器不報警,板子歪倒一定角度,則蜂鳴器鳴叫報警。一段時間約15s未回復正確狀態,GSM發送報警信息給手機：Helpme!!。2、如果溫度超過38度,蜂鳴器報警,持續溫度過高約15s左右,同時短信報警：hasacold3、設計帶有誤報警按鍵,蜂鳴器報警的時候,如果老人認為是誤報警,則按鍵按下,蜂鳴器停止報警,如果持續問題存在還會報警。4、短信處理過程有指示燈顯示。5、GSM模塊是SIM800A,該模塊和SIM900A電路程序完全兼容外觀外形一模一樣。3.1.2系統總體結構本系統具體框圖如下圖所示：系統原理框圖3.2模塊電路的設計STC89C52單片機核心系統電路設計STC89C52RC是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K字節系統可編程Flash存儲器。STC89C52使用經典的MCS-51內核,但是做了很多的改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。在單芯片上,擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash,使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標準功能：8k字節Flash,512字節RAM,32位I/O口線,看門狗定時器,內置4KBEEPROM,MAX810復位電路,3個16位定時器/計數器,4個外部中斷,一個7向量4級中斷結構〔兼容傳統51的5向量2級中斷結構,全雙工串行口。另外STC89C52可降至0Hz靜態邏輯操作,支持2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下,CPU停止工作,允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下,RAM內容被保存,振蕩器被凍結,單片機一切工作停止,直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35MHz,6T/12T可選。一、STC89C52主要特性如下：〔18K字節程序存儲空間；〔2512字節數據存儲空間；〔3內帶4K字節EEPROM存儲空間;〔4可直接使用串口下載。二、STC89C52主要參數如下：〔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,相當于普通8051的0～80MHz,實際工作頻率可達48MHz；〔4用戶應用程序空間為8K字節；〔5片上集成512字節RAM；〔6通用I/O口〔32個,復位后為：P1/P2/P3是準雙向口/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；〔7ISP〔在系統可編程/IAP〔在應用可編程,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,數秒即可完成一片；〔8具有EEPROM功能；〔9共3個16位定時器/計數器。即定時器T0、T1、T2；〔10外部中斷4路,下降沿中斷或低電平觸發電路,PowerDown模式可由外部中斷低電平觸發中斷方式喚醒；〔11通用異步串行口〔UART,還可用定時器軟件實現多個UART；〔12工作溫度范圍：-40～+85℃〔工業級/0～75℃〔商業級；〔13PDIP封裝。三、STC89C52單片機相關引腳說明：〔1VCC：供電電壓。〔2GND：接地。〔3P3.0RXD〔串行輸入口〔4P3.1TXD〔串行輸出口〔5P3.2/INT0〔外部中斷0〔6P3.3/INT1〔外部中斷1〔7P3.4T0〔記時器0外部輸入〔8P3.5T1〔記時器1外部輸入〔9P3.6/WR〔外部數據存儲器寫選通〔10P3.7/RD〔外部數據存儲器讀選通〔11RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時,要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。〔12ALE/PROG：當訪問外部存儲器時,地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在FLASH編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖。在平時,ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號,此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時,將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時,ALE只有在執行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止,置位無效。〔13/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間,每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時,這兩次有效的/PSEN信號將不出現。〔14/EA/VPP：當/EA保持低電平時,則在此期間外部程序存儲器〔0000H-FFFFH,不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時,/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時,此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間,此引腳也用于施加12V編程電源〔VPP。〔15XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。〔16XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。單片機引腳圖如下圖所示：STC89C52單片機引腳圖四、STC89C52單片機最小系統說明：STC89C52單片機最小系統電路由復位電路、時鐘電路和電源電路。擁有這三部分電路后,單片機即可正常工作。單片機最小系統原理圖如下圖所示。單片機最小系統原理圖VCC和GND為單片機的電源引腳,為單片機提供電源：復位電路由按鍵S1、電解電容EC1和電阻R1組成。具有手動按鍵復位和上電自動復位功能。系統上電復位按鍵接口采集到兩個高端信號后進行手動復位,就是非自動的按鍵復位；系統檢測到的電壓由低電平上升到高電平的一段時間后,在這段時間過后,系統通過電阻與接地之間形成一條通路,然后自動把高電平進行拉低,使得單片機從高電位變為低電位,從而就是給單片機自動進行復位即上電復位。時鐘電路由晶振Y1、瓷片電容C1和C2組成。有控制芯片的數字電路正常工作是少不了TIME<時鐘>電路的,我們需要時鐘電路自動發出系統時間,讓控制芯片正常工作。給控制芯片正常工作的時鐘信號,一般把這種工作方式稱為"拍",以至于讓整個控制系統能正常工作,由于要保證控制系統能正常工作,提高他的工作能力,我們經常用11.0592MHZ晶振和30PF的電容進行組合,電容為了幫助晶振起振的,滿足了數字控制器上電以后可以正常工作。JD1為單片機的下載接口。3.2.25V電源電路設計本系統選擇5V直流電源作為系統總電源,為整個系統供電,電路簡單、穩定。DC為電源的DC插座,可以直接接USB電源線,一端插在DC插座上,另外一端可以插在5V電源上,如電腦USB、充電寶、手機充電器等等。LED為紅色LED燈,作為系統是否有點的指示燈,電阻為1K電阻,起到限流作用,保護LED燈,以防電流過大燒壞LED燈。SW為自鎖開關,開關按下后,紅燈亮,此時系統電源5V直流輸出。開關再次按下后,紅燈滅,此時系統電源無5V電源輸出。5V電源電路原理圖3.2.3LED信號指示燈電路設計LED燈即發光二極管,它是半導體二極管的一種,可以把電能轉化成光能。發光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結組成,也具有單向導電性。在電路中,電阻的作用是限流,保護LED燈。只要單片機的控制引腳拉低,則LED燈亮,否則,LED燈不亮。其具體電路原理圖如下圖所示。LED燈指示電路原理圖3.2.4GSM_SIM800A模塊電路設計GSM模塊,是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上,具有獨立的操作系統、GSM射頻處理、基帶處理并提供標準接口的功能模塊。GSM模塊具有發送SMS短信,語音通話,GPRS數據傳輸等基于GSM網絡進行通信的所有基本功能。簡單來講,GSM模塊加上鍵盤、顯示屏和電池,就是一部手機。SIM800A是SIMCOM公司推出的一款高性能工業級GSM/GPRS模塊,該模塊具有極高的性價比,在雙頻的市場中占據極大份額。GSM_SIM800A模塊采用高性能工業級GSM/GPRS模塊：SIM800A,工作頻段:GSM900/1800MHz。硬件設計在官方設計上加以優化,采用高效開關電源供電,SIM卡采用主流的卡座,質量更堅固。GSM_SIM800A模塊在外圍硬件的設計上參考了SIM800A模塊的硬件設計指南,對板子的電源、保護和抗干擾上做足了功夫。電源采用開關電源模塊供電,電源利用效率高。模塊應用領域：遠程監控、遠程智能抄表、智能家居和車載設備等遠程通訊設備。SIM800A是一款兩頻GSM/GPRS模塊,為SMT封裝。其性能穩定,外觀小巧,性價比高,能滿足客戶的多種需求。SIM800A工作頻率為GSM/GPRS900/1800MHz,可以低功耗實現語音、SMS和數據信息的傳輸。SIM800A尺寸為24*24*3mm,能適用于各種緊湊型產品設計需求。一、主要特性〔1兩頻900/1800MHz〔2GPRSmulti-slotclass12/10〔3GPRSmobilestationclassB〔4滿足GSM2/2+標準–Class4<2W900MHz>–Class1<1W1800MHz>〔5尺寸：24*24*3mm〔6重量：3.1g〔7通過AT命令控制〔GSM07.07,07.05andSIMCOM增強AT命令集〔8SIM應用工具包〔9供應電壓范圍：3.4~4.4V〔10低功耗〔11操作溫度范圍：-40℃~85℃〔12數據傳輸GPRSclass12：最大85.6kbps〔下行速率〔13CSD達14.4kbps〔14140USSD〔15非透傳二、在短信應用方面有如下特點〔1點對點MOandMT〔2短信廣播〔3文本和PDU模式三、模塊接口說明〔15V接5V〔2GND接GND〔3R串口接收端,與模塊通信用的〔4T串口發送端,與模塊通信用的四、模塊使用說明〔1開機異常或自動關機如果發生如下現象：a、上電后,看到綠燈開始閃爍,很快又滅了,關機了；b、開機正常后,發送短信進行數據傳輸時突然就關機了；以上現象在保證SIM卡正常時,一般都是供電不足造成的。電源請保證以下幾點：a、電壓為5V,電壓過低,模塊會不工作。b、電流需保證能提供2A的峰值。開機和數據傳輸過程電流較大,輸出電流不夠會造成電壓跌落,而關機。c、電源電流紋波不要過大,電壓波動大,模塊也會關機。模塊接口原理圖如下圖所示。傳感器接口電路原理圖模塊內部具體原理圖如下圖所示。傳感器傳感器電路原理圖模塊實物圖如下圖所示。模塊實物圖3.2.5按鍵電路設計輕觸按鍵是按鍵產品下屬的一款分類產品,它其實相當于是一種電子開關,只要輕輕的按下按鍵就可以是開關接通,松開時是開關就斷開連接,實現原理主要是通過輕觸按鍵內部的金屬彈片受力彈動來實現接通和斷開的。在本系統中,按鍵作為系統的輸入,起到了人機交互的樞紐作用。按鍵的單片機控制引腳默認為高電平,當按鍵按下后,單片機的相關引腳則變成低電平。進而實現對系統的手動輸入。其電路原理圖如下圖所示。按鍵電路原理圖3.2.6蜂鳴器報警電路〔低電平有效設計有源蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器,采用直流電壓供電,廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、機、定時器等電子產品中作發聲器件。本系統所采用的報警模塊為5V有源蜂鳴器模塊,電路中采用三極管9012來驅動,只要單片機控制引腳為低電平,蜂鳴器就會鳴叫報警,反之則不鳴叫,可以通過控制單片機引腳方波輸出形式控制蜂鳴器的鳴叫方式。電阻為限流電阻,保護作用。蜂鳴器報警電路原理圖3.2.7ADXL345傾角傳感器模塊電路設計本設計選擇傾角傳感器ADXL345模塊實時檢測相關的狀態信息。ADXL345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計,分辨率高<13位>,測量范圍達±16g。數字輸出數據為16位二進制補碼格式,可通過SPI<3線或4線>或I2C數字接口訪問。ADXL345非常適合移動設備應用。它可以在傾斜檢測應用中測量靜態重力加速度,還可以測量運動或沖擊導致的動態加速度。其高分辨率<3.9mg/LSB>,能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化。該器件提供多種特殊檢測功能。活動和非活動檢測功能通過比較任意軸上的加速度與用戶設置的閾值來檢測有無運動發生。敲擊檢測功能可以檢測任意方向的單振和雙振動作。自由落體檢測功能可以檢測器件是否正在掉落。這些功能可以獨立映射到兩個中斷輸出引腳中的一個。正在申請專利的集成式存儲器管理系統采用一個32級先進先出<FIFO>緩沖器,可用于存儲數據,從而將主機處理器負荷降至最低,并降低整體系統功耗。低功耗模式支持基于運動的智能電源管理,從而以極低的功耗進行閾值感測和運動加速度測量。ADXL345模塊接口圖如下圖所示。ADXL345模塊接口圖ADXL345模塊內部電路圖如下圖所示。U2即為穩壓芯片,實現5V直流電轉化為3.3V直流電,C1-C4為濾波電容。R2、R3為上拉電阻,讓信號輸入更加穩定。D1為電源指示燈,R1為限流電阻,來保護LED燈D1。圖6ADXL345模塊電路圖ADXL345模塊實物圖如下圖所示。ADXL345模塊實物圖3.2.8DS18B20溫度傳感器模塊電路設計DS18B20是常用的數字溫度傳感器,其輸出的是數字信號,具有體積小,硬件開銷低,抗干擾能力強,精度高的特點。DS18B20數字溫度傳感器接線方便,封裝成后可應用于多種場合,如管道式,螺紋式,磁鐵吸附式,不銹鋼封裝式,型號多種多樣,有LTM8877,LTM8874等等。主要根據應用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫,高爐水循環測溫,鍋爐測溫,機房測溫,農業大棚測溫,潔凈室測溫,彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰,體積小,使用方便,封裝形式多樣,適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。DS18B20技術參數〔1獨特的單線接口方式,DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊。〔2測溫范圍－55℃～+125℃,固有測溫誤差〔注意,不是分辨率,這里之前是錯誤的1℃。〔3支持多點組網功能,多個DS18B20可以并聯在唯一的三線上,最多只能并聯8個,實現多點測溫,如果數量過多,會使供電電源電壓過低,從而造成信號傳輸的不穩定。〔4工作電源:3.0~5.5V/DC〔可以數據線寄生電源〔5在使用中不需要任何外圍元件〔6測量結果以9~12位數字量方式串行傳送DS18B20溫度傳感器可編程的分辨率為9~12位,溫度轉換為12位數字格式最大值為750毫秒,用戶可定義的非易失性溫度報警設置,應用范圍包括恒溫控制、工業系統、消費電子產品溫度計、或任何熱敏感系統。試驗證明DS18B20溫度傳感器滿足本設計要求。DS18B20溫度傳感器封裝一般有2種,使用上都是一樣的。可以根據使用環境隨意選擇。第一種是直接是裸露的芯片,主要用于空氣溫度檢測。第2種是不銹鋼鋼管封裝好的,防水,一般用于水溫燈液體溫度檢測。實物圖如下：DS18B20傳感器實物圖〔裸露DS18B20傳感器實物圖〔防水DS18B20溫度傳感器原理圖如下。10K電阻為上拉電阻,保證DS18B20傳感器數據讀取更穩定。DS18B20溫度傳感器原理圖DS18B20溫度傳感器PCB封裝圖如下：DS18B20溫度傳感器PCB封裝圖系統軟件設計完整的控制系統由硬件系統和軟件系統組成,前一章主要闡述了系統的硬件電路的設計方案,若要充分發揮系統的設計功能,則需要支持硬件平臺的軟件程序,即燒寫到單片機內部的程序。4.1編程語言選擇由于整個程序比較復雜,且計算量較大,用到了較多的浮點數計算,所以程序的編寫采用了C語言。對于大多數51系列的單片機,使用C語言這樣的高級語言與使用匯編語言相比具有如下優點:不需要了解處理器的指令集,也不必了解存儲器結構。寄存器分配和尋址方式由編譯器進行管理,編程時不需要考慮存儲器的地址和數據類型等細節。指定操作的變量選擇組合提高了程序的可讀性。可使用與人的思維更相近的關鍵字和操作函數。與使用匯編語言相比,程序的開發和調試時間大大縮短。C語言的庫文件提供了許多標準的例程。通過C語言可實現模塊化編程技術,從而可將已編制好的程序加到新程序中。C語言可移植性好且非常普及,C語言編譯器幾乎適用于所有的目標系統,己完成的項目可以很容易的轉換到其它的處理器或環境中與匯編語言相比,C語言在功能上、結構性、可讀性、可移植性、可維護性上有明顯的優勢,易學易用。4.2單片機程序開發環境本設計中單片機開發環境是KeiluVision4,KeiluVision4開發軟件是目前51系列單片機系統的主流程序開發軟件,KeiluVision4是STC公司推出最新一代關于51系列單片機處理器的編譯、連接和調試集成環境。可以降低開發周期,從而減少很多成本。KeiluVision4不僅提供了完整的Windows開發環境界面,支持C/C++語言開發,而且其C語言編輯效率很高,能夠使開發者非常容易地使用C語言進行程序編程。其中KeiluVision4有以下特點：〔1KeiluVision4軟件同時支持WINXP和WIN7等多種操作系統,提供了豐富的庫函數和功能強大的開發工具。〔2KeiluVision4可以完成從編輯、編譯、到連接、調試的一套開發流程。〔3KeiluVision4C51在KeilC51的基礎上,增加了很多新的功能。如KeiluVision4更加增強了對內核微控制器的開發支持,并對KeilC51的開發形式和開發界面進行相應的改進。KeiluVision4軟件界面如下圖所示。KeiluVision4開發界面圖4.3KeiluVision4軟件開發流程首先,需要建立"Project"工程,點擊KeiluVision4界面中菜單中"Project",選擇"NewuVisionProject",為新建的工程命名后點擊保存；然后選擇開發單片機芯片的型號,本工程選擇"STC89C52",這樣就完成了"Project"的建立；當工程建立完畢后,點擊"SourceGroup",可以往里面添加.c文件,點擊Add就可以編輯了該文件了,也可以把常用的.c文件拷貝到建立的"Project"目錄下面,最后一個完成的工程軟件就建立完畢了。具體開發流程如圖所示。KeiluVision4軟件開發流程圖4.4STC-ISP-15xx-v6.85p程序燒錄軟件介紹在KeiluVision4開發環境下,STC89C52RC芯片程序燒寫軟件使用的是stc-isp-15xx-v6.85p燒錄軟件,它是一款集成了代碼下載,在線仿真和串口查看于一起軟件備,在51系列智能產品研發過程中得到了廣泛使用,性能高,是目前51系列單片機控制系統研發中不可缺少的一部分。在KeiluVision4開發環境中,需要進行一定的配置才能使用,當把下載器〔即PL2303串口燒寫模塊、設備和PC連接好,首先需要在軟件中選擇單片機型號和串口號,并把波特率設置和程序軟件一致。然后選在項目程序"hex"文件所在的地址,最后就可以點擊程序下載按鈕了。具體下載界面如下圖所示。燒錄軟件對話框4.5PL2303串口程序燒寫模塊介紹本設計通過PL2303串口燒寫模塊實現對單片機程序的燒寫。PL2303串口燒寫模塊使用USB接口,十分方便的解決了筆記本電腦用戶對STC系列單片機的程序燒寫問題,本下載器低價格、高性能,是開發STC系列單片機的首選優秀工具。一、PL2303串口燒寫模塊特點：支持USB1.1或USB2.0通信；全面支持WIN98、WINME、WIN2000、WINXP、VISTA、WIN7等操作系統；采用USB口供電；在對芯片編程時可以使用目標系統本身電源,也可以使用編程器從USB口取電供給目標板,但應保證目標板電流不大于500mA,以免不能正常編程；編程完成不影響目標板的程序運行；支持STC全系列芯片燒錄；編程器提供3.3V與5V的電壓輸出接口；速度比并口編程更快更穩定,更方便筆記本電腦用戶使用；采用進口原裝芯片,能進行高速穩定編程；模塊如下圖所示。PL2303串口燒寫模塊二、PL2303串口燒寫模塊引腳說明+5V5V輸出,如果電路板有外接5V供電,則此引腳可不接。GND接GND。RXD接單片機的RXD引腳。TXD接單片機的RXD引腳。3V33.3V輸出。三、PL2303串口燒寫模塊與單片機的具體接線圖如下圖所示。PL2303串口燒寫模塊與單片機接線圖4.6程序流程圖本系統設計主要采用KeiluVision4軟件編寫與調試程序,程序語言采取易讀性和移植性更高的C語言編寫。系統運行流程圖如下圖所示。系統運行流程圖系統焊接與調試5.1電路焊接手工焊接是常用原始的焊接方法,目前大量工廠焊接的生產基本上不采用原始方法了,但是普通元器件的修理、系統測試中經常使用原始的手工焊接。重要的是如焊接本質上出現問題,則會影響到整個控制系統的,可以這么說,焊接的會導致這個控制系統可不可以用的。手工焊接主要有如下四步組成的：第一步開始焊接：需要把需要焊接的地方打掃干凈,主要去處油跡和灰塵,然后把需要焊接的元器件的兩個角向一定的方向掰一掰,注意不能把元器件的腳相交在一起了,這樣會影響焊接的。接下來讓電烙鐵頭碰到需要焊接的元器件腳下,放上焊錫絲。此處需要注意的是,不能讓烙鐵頭碰到其它元器件的腳了,要不然會把兩個元器件焊接在一起了。第二步給焊接升溫：當在完成第一步以后,接下來就是加熱焊錫絲了,主要是將燒熱的電烙鐵放在器件管腳旁邊,慢慢融化焊錫絲,需要注意電洛鐵的溫度和加熱時間,若時間過長,很有可能焊壞面包板焊盤的,一般建議電洛鐵溫度調整在400℃左右,加熱2秒鐘左右,例外也要根據器件種類作出具體區別的。在焊接過程中,當需要把焊接好的元器件卸下來,則也需要給焊接處進行加熱的,主要操作是首先在焊接處補好焊錫絲,使焊點是圓潤的,然后用電洛鐵在焊接處進行加熱,在加熱的過程中就可以直接把元器件卸下來了,此時一定要主要時間,要不然也會損壞焊盤的第三部清理焊接面：當在完成第二步時,有的時候會觀察到焊接的不完美或者擔心出現虛焊情況,這時候需要進行修改的。主要是兩種情況的,第一種是焊錫不夠,焊接點不圓潤,這時需要給焊接處補焊錫,此時需要注意的是焊錫量不能補多,要不然容易連接到其它期間的引腳的。第二種是焊錫過多,這時候可以用電洛鐵放在焊接處來回的滑動,會把多余的焊錫帶走的,若不行,只能使用吸錫器了。第四部檢查焊點：當完成以上三步了,最后就需要整體觀察了,主要是觀看焊接點是不是圓滿、亮度好、緊固,有沒有與其它管腳相連在一起了。5.2系統調試整體系統上電調試前,大概觀察下焊接的系統還存在問題,例如還有很顯眼的斷裂,正負極接反以及相連、虛焊、等問題,然后用萬用表檢測一下,電源正負極之間是否短路等嚴重的電源問題,最終保證系統焊接沒有問題。在搭建調試平臺后,需要對軟件程序進行調試,若程序調試沒有問題,接下來開始驗證系統功能是否滿足要求,若功能有問題,需要繼續調試程序,反復進行,直到所有功能都滿足為止。5.2.1系統程序調試軟件調試步驟如下：<1>在Keil4軟件中先創建一個工程：單擊菜單欄中的"工程",輸入新建工程名"基于單片機的煤氣報警器設計與實現",并保存；然后器件選擇""目錄下的""。〔2新建用戶源文件：在新建的空白文本中編寫程序源代碼,編碼完成保存文件并文件拓展名"基于單片機的煤氣報警器設計與實現.c",新文件創建完成。〔3程序編譯和調試：單擊編譯按鈕,系統會對文件進行運行,在輸出窗口中可看到提示信息,如果提示信息中有error信息,則須按提示找出錯誤并改正,直到提示沒有錯誤為止,如圖5.3所示。提示信息無錯誤〔4若程序編譯無錯誤后,則通過PL2303串口燒寫模塊燒寫程序,開始驗證系統功能是否滿足要求,若功能有問題,需要繼續調試程序,反復進行,直到所有功能都滿足為止。5.2.2硬件測試最后一步就是硬件整體測試了,主要運用萬用表、直流電源或示波器對焊接好的板子進行整體調試,主要檢查每一個器件是不是都正常工作了,主要分為兩個環節動態調試和靜態調試。一、靜態調試,其中靜態調試主要分為以下四種：〔1肉眼觀察。主要觀看焊接點是否飽滿,以及相連器件之間是否相連或者器件管腳沒有焊接好,出現短路現象。〔2使用萬用表調試。首先查看電源是否短路,然后測量管腳是否連接正確,有沒有接線錯誤。〔3上電檢查。在完成第一步和第二步都沒有問題,接下來就可以上電了,上電以后觀看每個器件是否正常工作,然后在逐一測試功能。〔4綜合檢查測試。這種測試方法只適合單片機開發板開發的系統才能使用這種方法,本文不適宜用這種方法測試。二、動態調試：動態調試主要是靜態調試沒有任何問題,做最后一步檢查,就是每個器件能否正常工作,能否滿足我系統開發的功能,防止器件內部損壞,影響系統性能。5.3實物測試經過測試,系統測試正常,如下圖所示。系統測試圖致謝四年的艱苦跋涉,四個月的精心準備,畢業設計終于到了劃句號的時候,心頭如釋重負,在本論文即將完成之際,謹此向我的指導老師致以衷心的感謝和崇高的敬意！整個畢業設計的過程都是在常老師的悉心指導下完成的,從資料的收集、方案的論證、聯板調試以及畢業論文的撰寫,何老師、