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1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y本 科 毕 业 论 文基于三轴加速度传感器的跌倒探测仪学 生 姓 名： 柏 桂 桦 专 业 班 级： J机电0903 学 号： 3091102080 指 导 教 师： 王 权 指导教师职称： 副教授 摘 要在整个社会步入老年化的如今，每年有数十万老年人因意外跌倒造成骨折、脑溢血、心脏病突发等。许多人因此失去了生命，本工程的意义在于设计一种仪器能够检测到人的意外跌倒，并将信息传送给系统中心，如医院，减少因意外跌倒引起的损失。本文研制了一种人体跌倒探测装置，该装置使用MC9S08QG8微处理器作为控制和算法处理核心，通过连续监测的M
2、MA7260QT三轴加速度传感器的输出，从而对被测人体的身体姿态和运动进行计算和分析。当检测到被测人体出现异常跌倒情况时，能够通过无线通信的方式，告知应急处理效劳中心，并报揭发生跌倒的位置，以便于对这些可能产生严重后果的个体进行救助，并及时处理。测试说明，本装置能够检测到多种可能会产生严重后果的人体跌倒方式，并及时将这一情况有效的进行发布。所以本装置适用于自我保护能力比拟差的老年人和儿童。跌倒探测仪由加速度传感器、数据处理模块、电源和通信模块构成。其中传感器测量对象的加速度矢量；处理器模块负责采集加速度传感器的数据，分析判断对象的身体姿态并控制报警及报警信息的发布；电源模块负责为整个系统提供电
3、力供应；通信模块负责将报警信息通过一定的协议进行发布。关键词:跌倒；探测仪；加速度传感器；信号传输；信号AbstractWith the whole society into aging now, many people lost their lives each year because of falling accident. The purpose of this paper is to design a kind of instrument that can detect people from falling accident. The signal will be sent to
4、the system center to reduce the loss.This paper presents a body fall detection devices. This device uses MC9S08QG8 microprocessor as the core of control and algorithm. The signal can be monitored with tri-axial accelerometer to calculate and analyze of body posture and movement. The abnormal fall ca
5、n be read by ways of wireless communication to inform the emergency treatment service center and to report the fall position. This system is to aid and help the people who are seriously injured. This device can detect various severe consequences which are caused by human fall. This situation can be
6、handled effectively and in time. Fall detectors consist of acceleration sensor, data processing modules, and power and telecommunication module. Sensors measure acceleration. CPU module is responsible for collecting dates of accelerometer to analyze body posture and send alarm messages. Telecommunic
7、ation module will alarm information. So this device may be widely applied to the elderly and children protection.Key words: fall detectors；acceleration sensor；signal transmission；signal feedback目 录第一章 绪 论11.1 跌倒探测仪的意义11.2 本课题的研究理论方法21.3 本文的内容2第二章人体建模42.1 人体跌倒检测的根本特征42.2 人体运动模型的建立4第三章三轴加速度传感器63.1 热对流
8、式加速度传感器63.1.1 引言63.1.2 工作原理63.1.3 优点73.1.4 消费电子产品的特点83.2 静电悬浮式三轴加速度传感器93.2.1 引言93.2.2 结构设计9静电悬浮原理103.2.4 电容位移检测原理103.2.5 加速度测量原理103.2.6 参数设计113.2.7 设计结果与讨论113.2.8 误差来源及改良措施123.3 压电式加速度传感器133.3.1 压电式加速度计的结构133.3.2 压电式加速度计的灵敏度143.3.3 压电加速度计的前置放大器143.3.4 压电式速度传感器153.4 压阻式三轴加速度传感器153.4.1 工作原理153.5 MMA72
9、60Q三轴向高灵敏度加速度传感器163.5.1 引言163.5.2 典型应用173.5.3 实现最正确效果的开发工具173.5.4 MMA7260Q的特性173.5.5 MMA7260Q的优点18第四章 信号传输194.1 引言194.2 系统方案设计194.3 系统结构设计194.4 硬件设计204.4.1 加速度采集电路204.4.2 MCU外围电路204.4.3 液晶显示224.4.4 通信模块224.4.5 端口分配234.4.6 事务处理及状态机244.4.7 系统设置254.4.8 按键功能254.4.9 计步器264.4.10 跌倒检测274.4.11 报警处理274.4.12
10、通信控制28第五章 加速度传感器的电子笔数据采集系统的设计与实现305.1 引言305.2系统总体框架图305.3USB数据采集系统31 5.4 LabVIEW 上位机系统34第六章 总结和展望30参考文献38致 谢42附录A附录B附录C附录D第一章 绪 论1.1 跌倒探测仪的意义老年人和儿童的自理能力和自我保护能力比拟差，由于扭伤、绊倒或自身疾病比方心脑血管疾病等等因素，常常会造成这局部人群中个体的意外跌倒，老年人的跌倒现象非常普遍，每年约30%的老年人跌倒一次或屡次，而跌倒的危险随着年龄增加而增高，80岁以上的老年人跌倒的年发生率高达50%80%。与社会上一般老年人比拟，那些生活在长期护理
11、状态下的老年人更易跌倒，在美国老年护理院，平均每年有一半以上能行走的老年人发生跌倒。跌倒既能直接损害老年人的机体，又能间接阻碍老年人的活动，降低生活质量。如图1.1图 1-1 老年人跌倒图 跌倒是65岁以上老年人第6位的死亡原因。有资料说明，在美国每年将近1万人因跌倒而导致死亡。在我国，上海中山医院调查了738例老年患者意外死亡的原因，因跌倒而引起的占48.2%。10%-15%的跌倒可导致严重损伤，约5%引起骨折主要是股骨外科颈与挠骨远端，1/4为较严重的髋部骨折股骨颈及粗隆间，且多发生于身体旋转时的跌倒。北京积水潭医院13339例骨折资料说明，生活伤其中以跌倒多见占51.9%。另据调查，因跌
12、倒造成骨折的65-70岁的男性占18%，女性占27%，75岁以上男性占30%，妇女占40%。日本有研究报道，股骨颈骨折几乎全部是跌倒所致。另外，跌倒会造成脑部损伤、软组织损伤等伤害。跌倒还可使一些老年人丧失自信心，1/4跌倒者因害怕再次跌倒而限制自己的日常生活活动，最终可能引起卧床不起。有一些人因衰弱、损伤或急性病跌倒后不能站立起来，假设不提供救护，他们可能会发生脱水、低血压，甚至死亡。老年人跌倒损伤可造成很大的医药护理花费，我国因老年人口比例高，基数大，这一花费可能更为巨大。因此，意外摔倒如果得不到及时的救助，这种跌倒经常会导致比拟严重的后果。有资料显示，很多严重的后果并不是由于跌倒直接造成
13、的，而是由于跌倒后，未得到及时的处理和救护，导致患者心理负担加重，合并饥饿和寒冷等外界因素共同造成的。对儿童来说，意外伤害中最主要的因素就是跌倒，约占总意外伤害的43%。当出现跌倒情况时，如果能够及时的通知其家人或所在地点的救助人员，将会大大减轻由于跌倒损伤对这些个体造成的伤害。可见跌倒探测仪的意义非常重要。1.2 本课题的研究理论方法本工程可以在人体跌落状态发生时进行识别与分析。跌倒探测仪适用于自理能力和自我保护能力比拟差的老年人和儿童，它通过测量佩戴该仪器的个体在运动过程中的三个正交方向上的加速度来感知其身体姿态的变化，并可按照需要进行报警和发布。跌倒探测仪由加速度传感器、数据处理模块、电
14、源和通信模块构成。其中传感器测量对象的加速度矢量；处理器模块负责采集加速度传感器的数据，分析判断对象的身体姿态并控制报警及报警信息的发布；电源模块负责为整个系统提供电力供应；通信模块负责将报警信息通过一定的协议进行发布。图 1-2 跌倒仪系统设置图1.3 本文的内容本文首先从人体的运动分析入手，即人体运动模型的建立。对人体的跌倒进行了运动的分析。第三章对目前一些主流三轴加速度传感器热对流式加速度传感器，静电悬浮式三轴加速度传感器，压电式加速度传感器，压阻式三轴加速度传感器，MMA7260Q三轴向高灵敏度加速度传感器进行了简单的介绍。第四章从三块设计即系统方案设计，系统结构设计，硬件设计入手。对
15、信号传输进行了详细的设计。其中硬件设计较为复杂，包括了加速度采集电路、MCU外围电路、液晶显示、通信模块、端口分配、事务处理及状态机、系统设置、按键功能、计步器、跌倒检测、报警处理、通信控制。最后对探测仪做了一些总结和展望。第二章 人体建模2.1 人体跌倒检测的根本特征为了判断出一个人的跌倒位置，根据实验我发现有三个特征可以有效地捕捉人体跌倒。第一，如图a一个跌倒事件通常发生在0.4S到0.8S的时间范围内。第二，如图b在人体跌倒过程中，跌倒者重心的变化是明显而快速的。第三，如图c检查人体跌倒事件通常可以用垂直投影直方图，因为在人体跌倒的短暂时间内，跌倒者的垂直投影直方图变化是非常明显的。 a跌倒的持续时间图
