基于單片機(jī)的多功能背包的設(shè)計(jì)*

郭佳潤，宮雨夢，劉易坤，陳洪坤，曲昊宇，胡志棟

（1.東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110866）

近年來，因森林等地手機(jī)基站覆蓋不全面，森林作業(yè)者及愛好登山、野營等戶外運(yùn)動的人們常常在野外不慎迷路，手機(jī)沒有信號，無法和外界進(jìn)行聯(lián)系。此問題已引起社會各界的廣泛關(guān)注，確保人們在此情況下找到正確的道路顯得尤為重要。

針對這種情況，研究者們展開了相關(guān)研究，并取得了不錯的成果。程勝等[1]研究出了GPS定位和GSM通信等技術(shù)的防走失系統(tǒng)，陳海浪等[2]研究出了基于51單片機(jī)的GPS定位系統(tǒng)，潘狀狀等[3]研究出了以STC89C52單片機(jī)為核心的計(jì)步系統(tǒng)，劉鵬娟等[4]研究出了通過ADXL345加速度計(jì)采集走路信息的計(jì)步系統(tǒng)。

我國如今基于各種單片機(jī)技術(shù)研制了有著GPS定位技術(shù)的手表等工具，利用GPS不需要手機(jī)信號這一特點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時定位，并快速顯示出來，快速查清使用者所在位置。也有基于各種單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)計(jì)數(shù)，實(shí)時監(jiān)測熱量、脂肪消耗量的計(jì)步器，其可以實(shí)現(xiàn)計(jì)步和清零的功能，顯示運(yùn)動的步數(shù)和總步數(shù)。使用者進(jìn)行戶外活動時，需要盡量減輕自己所攜帶物品的數(shù)量與重量。將兩種功能結(jié)合，設(shè)計(jì)一款防迷路的戶外背包，在背包上同時增添GPS定位裝置和計(jì)步裝置，實(shí)時記錄和顯示此時背包的位置，且計(jì)步裝置可以顯示出迷路者的步數(shù)、里程、消耗熱量等，可以讓使用者同時得知自己的位置、所走的距離與消耗的能量。而這種形式的背包可以在戶外有很多應(yīng)用，在野外有著更大優(yōu)勢。

1 背包外形設(shè)計(jì)

此款產(chǎn)品除具有基本戶外背包的功能外，主要功能的實(shí)現(xiàn)由兩片單片機(jī)組成，顯示屏和按鍵部分置于背包外側(cè)，而電路板部分嵌于背包內(nèi)夾層并有拉鏈可供更換拆裝電池。左側(cè)為GPS定位單片機(jī)，方形開關(guān)為電源健，旁邊圓形按鍵為切換鍵，在速度、衛(wèi)星數(shù)、日期和經(jīng)緯度、時間、海拔高度兩部分之間進(jìn)行自由切換。右側(cè)為計(jì)步器單片機(jī)，方形按鈕為電源開關(guān)，旁邊的圓形按鍵為步數(shù)清零鍵，僅可以清空步數(shù)，其旁為總清零鍵，可以清零步數(shù)、熱量及里程。其旁的按鍵可以設(shè)置步長，步長和步數(shù)相乘算出里程，并在屏幕上顯示（見圖1）。

圖1 背包正視圖

2 背包系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由兩塊單片機(jī)以及SERF GS1100 GPS接收模塊、LCD1602液晶顯示器、ADXL345加速度計(jì)構(gòu)成。

GPS定位單片機(jī)有GPS衛(wèi)星定位功能，使用者在手機(jī)沒信號的情況下也可以迅速顯示出經(jīng)度、緯度、海拔高度，并附有速度、時間、日期、衛(wèi)星數(shù)等信息，同時備有3塊電池的拆裝裝置，可隨時更換電池，延長使用時間。為了更準(zhǔn)確地測量所走過的距離，增添了計(jì)步單片機(jī)，其具有計(jì)步功能，并根據(jù)設(shè)置計(jì)算出總里程。此外，為了使用者更明確自己的能量消耗和滿足其日常健身的需要，計(jì)步單片機(jī)還增添了消耗的熱量。

定位單片機(jī)以STC89C52為中央處理器，并用GPS信息接收模塊采集衛(wèi)星的信息，對其進(jìn)行編譯，發(fā)送給單片機(jī)，并在LCD1602液晶顯示器上顯示，使用戶清楚自己的位置[5]。

計(jì)步單片機(jī)同樣以STC89C52為中央處理器，利用加速度傳感器模塊測量得到加速度并計(jì)算出里程，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，進(jìn)行處理得到熱量，最后在LCD1602液晶顯示器上顯示出來[6]，可以隨時知道自己所走的距離與消耗的熱量，按鍵模塊可以隨時清零步數(shù)與里程，以便記錄所走的距離得到消耗的熱量。

2.2 GPA

2.2.1 GPS信息接收模塊

此款設(shè)計(jì)中的GPS信息接收模塊采用的是SERF GS1100 GPS接收模塊，該模塊通過采集衛(wèi)星的位置、衛(wèi)星和信息接收模塊的距離等信息[7]，并且利用這些信息列出方程式，從而解出用戶當(dāng)前的位置。該模塊與天線一起密封在塑料殼中，具有防水功能，使得整個裝置更為穩(wěn)定安全。此模塊具有12通道并行接收能力，在沒有SA干擾時，平均誤差僅為10 m。工作電壓為5 V左右，電流僅為60 mA，將其與STC89C52單片機(jī)相連，功耗低，整個裝置續(xù)航能力較強(qiáng)。

2.2.2 控制芯片模塊

控制芯片模塊采用STC89C52，它是一個低電壓、低功耗、高性能的微型單片機(jī)，其數(shù)據(jù)可以保存10年，與MCS-51指令系統(tǒng)兼容，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜。單芯片上擁有靈巧的8位MCU，功能強(qiáng)大，有40個引腳，32個輸入/輸出端口。其中所包含的Flash存儲器可反復(fù)擦寫，從而降低成本。由于其具有工作簡單、性價比高等優(yōu)點(diǎn)，單片機(jī)越來越廣泛地應(yīng)用于各種家用電器、醫(yī)療設(shè)備、智能設(shè)備中。

2.2.3 液晶顯示模塊

此款背包設(shè)計(jì)采用LCD1602液晶顯示器，其采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，可以顯示16×2個字符，顯示內(nèi)容豐富。利用切換鍵可以在速度、衛(wèi)星數(shù)、日期和經(jīng)緯度、時間、海拔高度兩部分之間進(jìn)行自由切換。該液晶顯示器具有體積小、功耗低、超薄輕巧等特點(diǎn)，因此越來越廣泛地嵌于各類產(chǎn)品中。此外，還配置LED背光，使顯示屏更清晰。

軟件設(shè)計(jì)主要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，明確系統(tǒng)運(yùn)行邏輯，再利用KEIL進(jìn)行編程。GPS系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括按鍵掃描程序、GPS數(shù)據(jù)接收程序、UTC時間日期轉(zhuǎn)換程序、LCD1602顯示程序、控制開關(guān)程序。程序流程圖見圖2。

圖2 程序流程圖

2.3 計(jì)步器系統(tǒng)

2.3.1 加速度傳感器模塊

此款設(shè)計(jì)中的加速度傳感器模塊采用的是ADXL345加速度計(jì)，它是一種小巧、低功耗且高分辨率的三軸MEMS加速度計(jì)，通過其上的傳感器測出使用者移動的加速度，從而計(jì)算出距離，并通過A/D轉(zhuǎn)換傳輸給核心中央處理器。其可用電壓為3.3 V或5 V，完全可由幾節(jié)電池提供所需要的電壓，其小巧輕便、低功耗的特點(diǎn)在戶外背包上可以減輕重量，節(jié)省空間，有很大的優(yōu)勢。

2.3.2 控制芯片模塊

計(jì)步器的核心控制部分仍采用STC89C52單片機(jī)，它是整個系統(tǒng)運(yùn)行的控制核心，具有存儲接收距離等信息功能，負(fù)責(zé)執(zhí)行相關(guān)開關(guān)控制、計(jì)數(shù)清零的指令，以及與其他模塊的信息交流。由于戶外計(jì)步背包所需，其不僅具有以上的存儲、控制等基本功能，還具有低功耗，以及在輸入步長體重后，邏輯運(yùn)算穩(wěn)定且數(shù)據(jù)處理較為快速的特點(diǎn)[6]。

2.3.3 液晶顯示模塊

顯示模塊依舊采用LCD1602液晶顯示器，同樣利用切換鍵可以在設(shè)置輸入步長和體重后，得到步數(shù)、總里程、消耗的熱量等信息[8]。LCD1602可以顯示兩行數(shù)值，清晰地看到輸入的數(shù)據(jù)，以確保正確得到所需信息。

2.3.4 按鍵模塊

按鍵模塊由開關(guān)構(gòu)成，主要具備對步數(shù)與總步數(shù)清零的功能，按下1鍵為清零步數(shù)，實(shí)現(xiàn)單段時間計(jì)步的功能，而不會對總的里程造成影響。按下2鍵可以清零總步數(shù)、里程、熱量等，在不同的情形下，可以重新記錄進(jìn)行比較，得到所需信息。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)圖

3 系統(tǒng)調(diào)試與測試

先按下GPS定位單片機(jī)的方形開關(guān)鍵，LCD1602液晶顯示屏亮起，顯示初始化頁面“Welcome to use！”，在單片機(jī)左側(cè)黃色指示燈亮起的地方與GPS信息接收天線相連，若指示燈不閃爍，說明未定位成功，反之成功。靜待30 s左右，定位成功，其中第一行“N45°42′”表示當(dāng)前位置為北緯45度42分，“E126°37′”表示當(dāng)前位置為東經(jīng)126度37分，第二行表示當(dāng)前時間為21時7分47秒，海拔高度為177 m。按下切換鍵，第一行表示當(dāng)前風(fēng)度，第二行表示日期和當(dāng)前覆蓋的衛(wèi)星數(shù)目（見圖4）。

圖4 GPS單片機(jī)實(shí)物圖

按下計(jì)步單片機(jī)的開關(guān)鍵，LCD1602液晶顯示器屏幕亮起，顯示初始化頁面，顯示出步數(shù)、總里程、消耗的熱量，按下切換鍵，進(jìn)行體重和步長的設(shè)置，默認(rèn)體重為50 kg，步長為30 cm，可根據(jù)個人情況進(jìn)行個性化設(shè)置。再按下切換鍵，回到初始頁面，走30步后，顯示出步數(shù)為30步，消耗的熱量為1.925 J，總里程為9.3 m（見圖5）。

圖5 計(jì)步器單片機(jī)實(shí)物圖

測試結(jié)果表明，在森林等戶外情況下，手機(jī)沒信號沒電，利用本設(shè)備——用戶必備的背包，可以輕松采集到當(dāng)前的經(jīng)緯度、海拔高度、步數(shù)、總里程等信息，同時結(jié)合地圖，迷路的用戶可以順利找到正確的道路，實(shí)用性強(qiáng)。并且其還增添了消耗的熱量，以便于作業(yè)者得知自己的能量消耗情況。

4 結(jié)束語

本文成功地將GPS定位系統(tǒng)、計(jì)步系統(tǒng)與背包相結(jié)合，完成了一種防迷路戶外背包的設(shè)計(jì)，該背包既具有定位功能又具有計(jì)步功能，在設(shè)計(jì)完成后，分別對背包的定位功能和計(jì)步功能進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明，該防迷路的戶外背包能滿足預(yù)期的使用需求。GPS系統(tǒng)和計(jì)步系統(tǒng)與背包的結(jié)合，是一種新的設(shè)計(jì)思路，相信這種思路會進(jìn)一步完善并得到更廣泛地應(yīng)用。