基于AT89S52和LCD1602的电子时钟设计-电路图讲解-电子技术方案

  (1)数字钟实现对年、月、日、时、分、秒、星期显示的计时装置,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表,钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。   (2)诸如定时自动报警、时间程序自动控制、自动起闭路灯、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。利用AT89S52单片机和LCD1602电子显示屏实现电子时钟，可由按键进行调时和12/24小时切换。   功能：   (1)实现年、月、日、星期、时、分、秒的显示; (2)实现调时功能; (3)实现12/24小时制切换; (4)实现整点报时功能。   设计方案：

 器件选择(主要器件)   (1)AT89S52单片机   (2)LCD1602液晶屏  

 AT89S52   1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。1602LCD主要技术参数：显示容量:16&mes;2个字符，芯片工作电压:4.5—5.5V，工作电流:2.0mA(5.0V)，模块最佳工作电压:5.0V，字符尺寸:2.95&mes;4.35(W&mes;H)mm     

 LCD1602引脚图   第1脚：VSS为地电源。 第2脚：VDD接5V正电源。 第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。 第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。 第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。 第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。     

 系统总电路仿真   模块电路设计：   最小系统由复位电路和时钟电路组成，时钟电路提供12MHZ时钟信号，复位电路采用手动按键复位电路，可以在不关闭电源的情况下对单片机进行复位。 

 最小系统   LCD显示屏的D0到D7与单片机P0口相连，由于用P0口作为输出口，所以需要外接上拉电阻。RS接P2.0，EN接P2.1。VEE外接4K滑阻，调节显示屏对比度。

 LCD电路                                        

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  设计了一种基于单片机的老人跌倒检测装置，采用加速度、陀螺仪传感器采集原始信号。在进行数据融合时采用自适应互补滤波算法，从频域角度消除噪声。针对该装置设计了一种计算量小的跌倒检测算法，并且加入了GPS定位装置和GSM短信模块。实验证明该跌倒检测算法计算量小、误判率低，并且能够实现精准定位。  

0引言 研究表明，老年人跌倒发生率高，后果严重，是老年人的首位伤害死因。而且跌倒的发生概率会随着年龄的增长而升高，如果能够及时救助，可有效降低跌倒老人的死亡率。   目前研究开发人体跌倒检测系统方面的技术主要有两种：图像分析法和加速度分析法。基于图像分析法，准确率高，但是检测算法繁琐，成本高，不方便携带。基于加速度分析法，不但成本低，而且不受环境的限制，功耗低，方便携带。  

1系统总体设计 本设计利用六轴陀螺仪加速度计MPU6050进行原始信号的采集，采样频率为100 Hz，在进行姿态解算时，利用互补滤波器进行滤波，通过对三轴加速信号进行预处理，引入合成加速度。为了能够排除干扰，准确检测出跌倒，将姿态角和合成加速作为特征量，引入三级跌倒检测算法。一旦检测出跌倒，立即对老人的位置进行定位，同时闪光灯闪烁。等待30 s后，如果用户没有手动取消报警，则蜂鸣器发出声响，同时向目标手机和120发出报警短信。系统还设置了一键报警功能。用户的家人可以通过向本装置发送短信来获取老人的当前位置信息，防止老人走丢。   

 系统的硬件主要包括惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）、GSM/GPRS模块、GPS定位模块、蓝牙4.0模块、以STM32F103ZET6为核心的控制器、电源模块、按键等。系统的结构框图如图1所示。

 惯性测量单元选用的是InvenSense公司的MPU6050芯片，它能够同时检测三轴加速度和三轴角速度，可以输出数字量，并且传感器的测量范围是可选的。加速传感器的测量范围选择为±8 g，陀螺仪的测量范围选择为±1 000 dps，可以满足系统的要求。其外围电路如图2所示。利用芯片内部的数字运动处理器进行姿态解算，大大降低了开发的使用难度。     

 GPS定位模块选用UBLOX公司的NEO6M模组，该模块体积小、功耗低、搜星能力强，并且可以连接各种有源天线，非常适合应用到便携式设备中。   GSM/GPRS模块选用SIMCOM公司的工业级四频SIM800芯片，可以实现低功耗语音和数据的传输。用户可以通过AT指令进行拨叫号码、接收短信、启动GPRS网络等功能。   蓝牙4.0模块选用HM13系列的蓝牙模块，用蓝牙进行数据传输最有利的一个方面就是功耗低。低功耗蓝牙技术大幅降低了系统的功耗，只需要用硬币大小的电池即可保证系统正常运行几个月，非常适合应用在便携式设备中。   按键的主要功能是提供手动报警和手动取消报警，以降低系统的漏判和误判对用户造成的损失,同时还设置了一键报警的功能。  

2跌倒检测算法2.1特征值预处理 运动过程中加速度传感器测出的X轴、Y轴和Z轴的加速度分别为a2x、a2y和a2z。合成加速度为三轴加速度的平方和再开方。合成加速度的大小可以表征人体运动的激烈程度。  

2.2姿态解算 在进行数据解算时通过对角速度积分获得人体姿态角，短时间内精度高，但是陀螺仪存在漂移误差，经过积分运算后会变成积累误差，最终导致电路饱和。相反利用加速度求解姿态角，其测量误差不会随时间的积累而增加。但是加速度传感器在人体运动时会给测量带来白噪声，短时间内精度较低。   通过上述分析可知，加速度传感器低频段动态响应较好，但是在高频段表现不好。陀螺仪动态响应好，但是存在漂移误差。所以在进行数据融合时采用自适应互补滤波算法，从频域的角度来消除噪声，发挥它们各自的优势，输出稳定可靠的姿态角。互补滤波器的原理框图如图3所示。

 其中x为实际的姿态角，u1和u2为传感器在测量时引入的高频噪声和低频噪声。加速度传感器引入的高频噪声由低通滤波器F1(s)滤除，陀螺仪引入的低频噪声由高通滤波器F2(s)滤除。两个滤波器在频域上具有互补特性，滤波器的传递函数满足F1(s)+F2(s)=1。  

2.3分类过程 通过上一小节的分析，设计了跌倒检测算法，检测参数为合成加速度和姿态角。为了了解跌倒过程中加速度变化规律，将检测装置放于腰间，测试者模仿老人跌倒，并同时记录测试者三轴加速度变化。选取测试过程中具有代表性的一组数据，用Excel进行绘图分析。如图4所示。

 从图4中可以看出，当人体静止时，合成加速度在1g左右。当测试者跌倒时，其加速度先减小，然后增大，最后趋于平稳。整个过程持续了2 s左右。由此可以得到，跌倒是一个短暂的过程，这一过程测试者经历了失重、撞击和静止三种状态。   跌倒过程中合成加速度最大值在2.6g上下，且有7个连续的采样点合成加速度都在2.0g以上。并且通过对人体姿态角采样，在跌倒后至少有一个姿态角的绝对值大于45°。   用同样的方法模拟老人正常走、快步走、坐下起立、跳跃、跑步等日常活动，同时对合成加速度和姿态角进行了采样、绘图、分析，结果如表1。

 通过上述分析，把连续6个采样点的合成加速度大于2.0g作为分类条件，可将跌倒与正常走等非剧烈运动区分开。同时还可以将跌倒与快步走、跑步等周期性剧烈运动区分开。为了减小误判率，可将跌倒后的类静止状态作为分类条件。最后通过判断人体的姿态，进一步减小误判率。                                         

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