一种智能老人摔倒检测装置.docxVIP

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第二章方案设计

2.1系统框图

为了在整个系统中实现对于老人摔倒状态的传感器监测，本次将利用MPU6050（JY61P）陀螺仪模块对对应的数据进行采集，利用微控制器进行相应的运算处理，通过一块OLED显示屏进行数据的显示，并将目标人物位于x、y、z轴上的加速度以及在x、y轴的角度通过蓝牙进行数据交互，利用算法设计，使得对应计算出的合成加速度AHA以及x、y轴的角度数据实时地显示在显示屏模块上。基于从部分到整体的思路布局，本次设计的构建系统核心模块是工作的主体内容，其次逐步通过各部分模块设计搭建出整个设计系统。系统主要的集成模块包括单片机最小运算系统、陀螺仪模块、蓝牙模块、OLED彩色显示屏模块、报警模块等。这种设计思想依次涵盖了部分到整体，能够系统构建的核心环节展现地更加清楚，同时也节省了整体设计所花费的时间。硬件的总体设计框图如图2.1所示。

主控

主控STM32

陀螺仪模块

报警模块

OLED模块

蓝牙模块

图2.1硬件的总体设计框图

2.2单片机方案选型

当选择一个系统的主控芯片时，主要从该系统所需的串口、I/O口、ADC等外设资源的数量上来考虑，还需要综合评估系统所需的采样频率、价格等多种因素。在本系统内，需要通过ADC采样传感器的输出信号，并转换成数字量之后，用以判断当前空气质量。借助OLED、蓝牙等外设实时输出，并在超过检测阈值的时候报警提示。通过需求分析，本系统内需要若干ADC采样引脚功能，一个串口、若干I/O控制端口等。由于本系统用于对室内空气环境检测，因此系统的采样频率只要达到10Hz以上即可，所以对单片机的主频要求不是太高，够用即可。根据上述需求，接下来对元件选型。

ESP32是上海乐鑫公司的旗舰产品，作为一款ARM架构的32位单片机，其内部有2个CPU核，并集成了WIFI、蓝牙等功能，非常适合用于物联网、智能家居等领域。相比于同类产品，其主频可以达到84MHz及以上，体积小，价格低等优势使其成为了国产单片机的一个明星产品。在列举其缺点，相比于同类产品的12位ADC采样深度，该款单片机只有8位，因此对ADC要求较高的场景并不太适用。由于体积非常小，因此I/O外设也相对不充裕。没有专用的编程IDE也是其需要解决的问题之一。

作为国产单片机的另外一家巨头，国芯科技公司号称是全球最大的8051单片机生产设计公司之一，并且其开发了基于8051内核的32位单片机，在2022年开创了32位8051单片机的元年。传统的8051单片机没有ADC等外设资源，仅有一路串口、若干I/O口等，因此不能满足现如今的开发需求。经过最近几十年的发展，现在的8051单片机的主频得到了较高的提升，外设资源也非常丰富，因此被广泛运用于各领域之中。其较低的价格也是其能快速占领市场的一个优势之一。

TI的STM32单片机是美国最高一批的32位单片机，现如今在各行各领域之中都被广泛使用。由于其较高的稳定性、丰富的外设、强大的内核和功能、以及方便便捷的IDE环境使得这款单片机被工程师所广泛喜爱和使用。该芯片具有ADC、USART、PWM、USB、TIMER、CAN、DAC、Lin总线等资源。并且支持在线仿真，方便工程师查看实时单片机运行状态。丰富的资料也十分利于初学者学习。72MHz的CPU主频，使得其拥有较高的运算处理能力。

综上所述，考虑到本系统运用在民用领域，需要采样频率为10Hz以上，较好的抗干扰性即可。最终选择了STM32F103系列MCU用于本次开发。

2.4陀螺仪模块

陀螺仪的原理为，当自身高速旋转时，一个物体的自身旋转轴的指针指示的方向使得在没有外力因素影响的情况下，能够保持相对固定而不产生改变的方向。参考轴整个科学道理，人们利用它的转动将轴方向控制并保持，同时，能够自动读取轴指示运动方向的方法也有很多可供选择，也能够实现将读取到的信号自动上传至控制系统。陀螺仪模块作为监测单元中一个十分重要的组成部分，其在老人分别处于正常状态、弯腰、下蹲以及不慎摔倒的意外状态下能够测量x、y、z轴各自的加速度以及在x、y轴的角度。另外，为了防止误触的情况，精度越高的传感器表现情况越好，目前在市面上经常被使用的ADXL345仅仅能测量出0.25°的变化，数据的精确性与有效性是做出决策的依据，考虑器件的抗干扰能力与测量精度也是最终决策的重要参考成分。通过对相关的传感器型号、精度与价格的综合考虑，在各类文献与商品的指导筛选中，最后敲定了MPU6050（JY61P）这款传感器作为本次的核心元件，其作为一款姿态测量陀螺仪模块，能够将三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴倾角传感器集成于一体，通过对三轴加速度与角度的数据传递，能够提供较为精确而理想的数据作为对应参考，具体的性能与指标数据见表2-1中的参数信息，原理图如图2.2所示。

表2-1