基于单片机的多功能背包的设计_郭佳润.pdf

2023 年 1 月总第 348 期基于单片机的多功能背包的设计基金项目 黑龙江省大学生创新训练项目（202210225063）收稿日期：20220312；修回日期：20220429作者简介：郭佳润（2001），女，山西晋城人，在读本科，主要从事工业工程研究，E-mail：。通信作者：胡志栋（1977），男，河北沧州人，博士，讲师，主要从事机械工程、液压传动、有限元分析和工业工程研究，E-mail：hu-。郭佳润1，宫雨梦1，刘易坤2，陈洪坤1，曲昊宇1，胡志栋1摘要：本文通过采用STC89C52 单片机作为主控芯片，利用 SERF GS1100 GPS 接收模块对书包的 UTC 时间与经纬度进行分析，得到背包当前所处的经纬度与海拔高度；利用 ADXL345 加速度计对背包的运动状态进行分析，得到背包的运动距离。系统设计完成后，背包利用 LCD1602 液晶显示器显示经纬度、海拔高度等数字信息。实验结果表明，多功能背包可实现定位、监测、导航、计步等功能，定位误差在 10 m 以内，面对户外等复杂环境，背包的稳定性好，续航时间长，功能丰富。关键词：STC89C52；GPS 定位；多功能背包；计步；LCD1602中图分类号：TP368.1文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2023.01.107（1.东北林业大学，黑龙江哈尔滨150040；2.沈阳农业大学，辽宁沈阳110866）文章编号：1674-9146（2023）0110703近年来，因森林等地手机基站覆盖不全面，森林作业者及爱好登山、野营等户外运动的人们常常在野外不慎迷路，手机没有信号，无法和外界进行联系。此问题已引起社会各界的广泛关注，确保人们在此情况下找到正确的道路显得尤为重要。针对这种情况，研究者们展开了相关研究，并取得了不错的成果。程胜等1研究出了 GPS 定位和GSM 通信等技术的防走失系统，陈海浪等2研究出了基于 51 单片机的 GPS 定位系统，潘状状等3研究出了以 STC89C52 单片机为核心的计步系统，刘鹏娟等4研究出了通过 ADXL345 加速度计采集走路信息的计步系统。我国如今基于各种单片机技术研制了有着 GPS定位技术的手表等工具，利用 GPS 不需要手机信号这一特点进行实时定位，并快速显示出来，快速查清使用者所在位置。也有基于各种单片机的实现精准计数，实时监测热量、脂肪消耗量的计步器，其可以实现计步和清零的功能，显示运动的步数和总步数。使用者进行户外活动时，需要尽量减轻自己所携带物品的数量与重量。将两种功能结合，设计一款防迷路的户外背包，在背包上同时增添 GPS 定位装置和计步装置，实时记录和显示此时背包的位置，且计步装置可以显示出迷路者的步数、里程、消耗热量等，可以让使用者同时得知自己的位置、所走的距离与消耗的能量。而这种形式的背包可以在户外有很多应用，在野外有着更大优势。1背包外形设计此款产品除具有基本户外背包的功能外，主要功能的实现由两片单片机组成，显示屏和按键部分置于背包外侧，而电路板部分嵌于背包内夹层并有拉链可供更换拆装电池。左侧为 GPS 定位单片机，方形开关为电源健，旁边圆形按键为切换键，在速度、卫星数、日期和经纬度、时间、海拔高度两部分之间进行自由切换。右侧为计步器单片机，方形按钮为电源开关，旁边的圆形按键为步数清零键，仅可以清空步数，其旁为总清零键，可以清零步数、热量及里程。其旁的按键可以设置步长，步长和步数相乘算出里程，并在屏幕上显示（见图 1）。*技 术 创新Technological Innovation图 1背包正视图-107-SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.1 Jan.2023，Total No.3482背包系统设计2.1系统总体设计该系统由两块单片机以及 SERF GS1100 GPS 接收模块、LCD1602 液晶显示器、ADXL345 加速度计构成。GPS 定位单片机有 GPS 卫星定位功能，使用者在手机没信号的情况下也可以迅速显示出经度、纬度、海拔高度，并附有速度、时间、日期、卫星数等信息，同时备有 3 块电池的拆装装置，可随时更换电池，延长使用时间。为了更准确地测量所走过的距离，增添了计步单片机，其具有计步功能，并根据设置计算出总里程。此外，为了使用者更明确自己的能量消耗和满足其日常健身的需要，计步单片机还增添了消耗的热量。定位单片机以 STC89C52 为中央处理器，并用GPS 信息接收模块采集卫星的信息，对其进行编译，发送给单片机，并在 LCD1602 液晶显示器上显示，使用户清楚自己的位置5。计步单片机同样以 STC89C52 为中央处理器，利用加速度传感器模块测量得到加速度并计算出里程，传输到单片机中，进行处理得到热量，最后在LCD1602 液晶显示器上显示出来6，可以随时知道自己所走的距离与消耗的热量，按键模块可以随时清零步数与里程，以便记录所走的距离得到消耗的热量。2.2GPA2.2.1GPS 信息接收模块此款设计中的 GPS 信息接收模块采用的是SERF GS1100 GPS 接收模块，该模块通过采集卫星的位置、卫星和信息接收模块的距离等信息7，并且利用这些信息列出方程式，从而解出用户当前的位置。该模块与天线一起密封在塑料壳中，具有防水功能，使得整个装置更为稳定安全。此模块具有12 通道并行接收能力，在没有 SA 干扰时，平均误差仅为 10 m。工作电压为 5 V 左右，电流仅为60 mA，将其与 STC89C52 单片机相连，功耗低，整个装置续航能力较强。2.2.2控制芯片模块控制芯片模块采用 STC89C52，它是一个低电压、低功耗、高性能的微型单片机，其数据可以保存 10 年，与 MCS-51 指令系统兼容，内部结构复杂。单芯片上拥有灵巧的 8 位 MCU，功能强大，有 40 个引脚，32 个输入/输出端口。其中所包含的 Flash 存储器可反复擦写，从而降低成本。由于其具有工作简单、性价比高等优点，单片机越来越广泛地应用于各种家用电器、医疗设备、智能设备中。2.2.3液晶显示模块此款背包设计采用 LCD1602 液晶显示器，其采用标准的 16 脚接口，可以显示 162 个字符，显示内容丰富。利用切换键可以在速度、卫星数、日期和经纬度、时间、海拔高度两部分之间进行自由切换。该液晶显示器具有体积小、功耗低、超薄轻巧等特点，因此越来越广泛地嵌于各类产品中。此外，还配置 LED 背光，使显示屏更清晰。软件设计主要根据系统设计原理，明确系统运行逻辑，再利用 KEIL 进行编程。GPS 系统的软件设计包括按键扫描程序、GPS 数据接收程序、UTC时间日期转换程序、LCD1602 显示程序、控制开关程序。程序流程图见图 2。图 2程序流程图2.3计步器系统2.3.1加速度传感器模块此款设计中的加速度传感器模块采用的是ADXL345 加速度计，它是一种小巧、低功耗且高分辨率的三轴 MEMS 加速度计，通过其上的传感器测出使用者移动的加速度，从而计算出距离，并通过 A/D 转换传输给核心中央处理器。其可用电压为3.3 V 或 5 V，完全可由几节电池提供所需要的电压，其小巧轻便、低功耗的特点在户外背包上可以减轻重量，节省空间，有很大的优势。2.3.2控制芯片模块计步器的核心控制部分仍采用 STC89C52 单片机，它是整个系统运行的控制核心，具有存储接收距离等信息功能，负责执行相关开关控制、计数清零的指令，以及与其他模块的信息交流。由于户外计步背包所需，其不仅具有以上的存储、控制等基本功能，还具有低功耗，以及在输入步长体重后，逻辑运算稳定且数据处理较为快速的特点6。单片机上电判断是否为GPRMC 语句串口向液晶显示模块发送UTC 时间、经纬度筛选 UTC 时间、经纬度数据，调整其格式接收并存储到单片机初始化 STC89C52串口、液晶显示NY技术 创 新Technological Innovation-108-2023 年 1 月总第 348 期2.3.3液晶显示模块显示模块依旧采用 LCD1602 液晶显示器，同样利用切换键可以在设置输入步长和体重后，得到步数、总里程、消耗的热量等信息8。LCD1602 可以显示两行数值，清晰地看到输入的数据，以确保正确得到所需信息。2.3.4按键模块按键模块由开关构成，主要具备对步数与总步数清零的功能，按下 1 键为清零步数，实现单段时间计步的功能，而不会对总的里程造成影响。按下2 键可以清零总步数、里程、热量等，在不同的情形下，可以重新记录进行比较，得到所需信息。系统软件设计见图 3。图 3系统软件设计图3系统调试与测试先 按 下 GPS 定 位 单 片 机 的 方 形 开 关 键，LCD1602 液 晶 显 示 屏 亮 起，显 示 初 始 化 页 面“Welcome to use！”，在单片机左侧黄色指示灯亮起的地方与 GPS 信息接收天线相连，若指示灯不闪烁，说明未定位成功，反之成功。静待 30 s 左右，定位成功，其中第一行“N4542”表示当前位置为北纬 45 度 42 分，“E12637”表示当前位置为东经 126 度 37 分，第二行表示当前时间为 21 时7 分 47 秒，海拔高度为 177 m。按下切换键，第一行表示当前风度，第二行表示日期和当前覆盖的卫星数目（见图 4）。按下计步单片机的开关键，LCD1602 液晶显示器屏幕亮起，显示初始化页面，显示出步数、总里程、消耗的热量，按下切换键，进行体重和步长的设置，默认体重为 50 kg，步长为 30 cm，可根据个人情况进行个性化设置。再按下切换键，回到初始页面，走 30 步后，显示出步数为 30 步，消耗的热量为1.925 J，总里程为9.3 m（见图5）。测试结果表明，在森林等户外情况下，手机没信号没电，利用本设备用户必备的背包，可以轻松采集到当前的经纬度、海拔高度、步数、总里程等信息，同时结合地图，迷路的用户可以顺利找到正确的道路，实用性强。并且其还增添了消耗的热量，以便于作业者得知自己的能量消耗情况。4结束语本文成功地将 GPS 定位系统、计步系统与背包相结合，完成了一种防迷路户外背包的设计，该背包既具有定位功能又具有计步功能，在设计完成后，分别对背包的定位功能和计步功能进行了测试，测试结果表明，该防迷路的户外背包能满足预期的使用需求。GPS 系统和计步系统与背包的结合，是一种新的设计思路，相信这种思路会进一步完善并得到更广泛地应用。参考文献：1程胜,蒋纯,李德志,等.基于 GPS和 GSM 的儿童防走失单片机定位系统设计J.科技视界,2018(8):76-77.2陈海浪,谢旺.基于 51 单片机 GPS 定位的设计与实现J.数码世界,2019(9):100-101.3潘状状,张朝龙,许克应,等.基于单片机的计步器设计J.电气应用,2019,38(S1):83-87.4刘鹏娟,杨倩.基于单片机计步器的设计J.电子测试,2020(22):18-19+38.5朱超.基于 STC89C52 的 GPS定位系统设计与研究J.科技展望,2016,26(20):143-144.6张锦博,张不已.基于单片机和 ADXL345 的数据采集与软件实现J.中国高新区,2017(16):43.7KAMRAN K,SHUANG W.Vehicle security system basedon STM 32 micro-controller usingGSM and GPSmoduleJ.International Core Journal ofEngineering,2021,7(4):1-20.8BAGUI S,FANG X G,BAGUI S,et al.An improved stepcountingalgorithmusingclassificationanddoubleautocorrelation J.International Journal of Computers andApplications,2020,