【正文】 t 判斷嬰兒的活動情況，當(dāng)檢測到嬰兒活動時自動開啟搖籃。搖籃系統(tǒng)采用飛思卡爾 mc9s08qg8單片機(jī)作為控制器。但是，這種啟動方式在技術(shù)上難度較大，需要在搖籃內(nèi)置很多感應(yīng)探測裝置， 通過比較各個裝置采集的信號判斷嬰兒的活動情況。加速度傳感器測量運(yùn)動和動作有很多算法，過于復(fù)雜，而且搖籃的內(nèi)置感應(yīng)裝置如果數(shù)量少，不足以準(zhǔn)確判斷運(yùn)動情況，數(shù)量多則會增加設(shè)計(jì)和制造的難度，而且必然會增加很多成本。 比較以上兩種方案而言，方案一的聲音信號驅(qū)動更可行。在基于方案一的基礎(chǔ)上，綜合多功能的考慮，提出設(shè)計(jì)方案三。 方案三：在市場上現(xiàn)有的搖籃功能（方案一）的基礎(chǔ)上增加溫度傳感和濕度傳感器件，就可以在嬰兒尿床時及時提醒父母，以盡量減少嬰兒的不舒適感，當(dāng)嬰兒發(fā)燒時也可以及時發(fā)出警報，方便看護(hù)者隨時掌握嬰兒的身體 狀況，從而降低嬰兒“搖籃死亡”的幾率。 除了技術(shù)上的問題以外，方案一和二的智能搖籃都只具有在嬰兒哭鬧時自動搖擺并播放音樂的功能，因此只能起到單一的催眠功能，而不能應(yīng)對一些突發(fā)情況，比如嬰兒尿床和發(fā)燒等，這樣，如果看護(hù)者不在旁邊，搖籃并不能對嬰兒起到很好的照顧作用。這次設(shè)計(jì)的多功能搖籃希望有更高的智能性，給使用者帶來更大的方便。所以，設(shè)計(jì)選用方案三。 設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。 控制模塊由 AT89S52 單片機(jī)作為控制核心，硬件電 溫度檢測 路分為聲音檢測、溫度檢測、濕度檢測、電機(jī)驅(qū)動、人機(jī)交互和報警等模 塊。人機(jī)交互界面由定時按鍵和 LCD 顯示界面組成，可以顯示定時時間和嬰兒體溫、尿床狀態(tài)。通過軟件控制蜂鳴器實(shí)現(xiàn)音樂播放和報警。軟件部分應(yīng)用單片機(jī) C 語言實(shí)現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的全部控制功能，包括定時設(shè)置、電機(jī)驅(qū)動、狀態(tài)顯示、報警和音樂播放等。 圖 1 系統(tǒng)總框圖 其中，溫度檢測選用芯片 18b20，因?yàn)樗w積小，僅有一根數(shù)據(jù)線，系統(tǒng)簡單，可以將它放入嬰兒搖床里，當(dāng)檢測到嬰兒的體溫高于或低于預(yù)先設(shè)定的范圍時，單片機(jī)就會發(fā)出報警信號。嬰兒哭聲的檢測電路模塊由聲音采集和聲音檢測兩部分組成。由話筒采集到的聲音，要通過一個聲音檢測的濾波電路，此濾波電路會濾去嬰兒哭聲頻率段以外的電信號，從而保證采集到的是嬰兒的哭聲， 只有哭聲信號才能通過比較電路啟動搖籃。 圖 2 所示是報警系統(tǒng)的原理框圖。聲音傳感器、濕度傳感器及溫度傳感器先將收集到的聲音、濕度、溫度信號分別轉(zhuǎn)化成電信號，轉(zhuǎn)化后的電信號送入比較器比較，確定信號是否超出額定范圍，進(jìn)而確定是否發(fā)送相應(yīng)的聲音、濕度、溫度警告信號。一旦單片機(jī)的濕度、溫度檢測控制引腳 INT0 和 INT1 收到外部中斷信號，就會中斷當(dāng)前的狀態(tài)，從而進(jìn)入中斷處理程序，發(fā)出相應(yīng)的溫度、濕度報警信號。 顯示界面 單片機(jī) 揚(yáng)聲器 比 較 電 路 定時按鍵 驅(qū)動電機(jī) 濕度檢測 聲音處理 話筒 圖 2 報警原理框圖 當(dāng)嬰兒哭鬧沒有入睡時，需 讓系統(tǒng)自動搖動搖籃，并且蜂鳴器播放搖籃曲。這個功能需要由聲音傳感器、定時器、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。其實(shí)現(xiàn)原理圖如圖 3 所示。 圖 3 搖籃自動搖動控制系統(tǒng) 聲音傳感器收集到的有效哭聲信號經(jīng)由比較電路后傳給定時器，單片機(jī)利用定時器做 5ms 定時 ，以 5ms 為驅(qū)動周期驅(qū)動電機(jī)，從而帶動搖籃擺動。電機(jī)的驅(qū)動程序通過 C語言 編程由軟件 實(shí)現(xiàn) 。首先， 要定義好定時器的初值 。無論 使用多大的晶振，使用 51單片機(jī)， 一般都是 12 分頻出來，也就可以得出一個機(jī)器周期 。定時器初值的計(jì)算方法如下： 機(jī)器周期 =12/n(n 指晶振頻率 ) （ 1） 假設(shè)要定時的時間為 M， 那么定時的初值為： M/機(jī)器周期 =初值 （ 2） TH0=(65536初值 )%256 （ 3） 濕度傳感器 聲音傳感器 比較電路 比較電路 單片機(jī) 報警信號 定 時 器 聲 音 傳 感 器 驅(qū) 動 電 機(jī) 播 放 音 樂 溫度傳感器 比較電路 TL0=(65536初值 ) /256 （ 4） 將（ 65536初值）所得的值化成 16 進(jìn)制，其高位就是 TH0 的值，低位為 TL0 的值 。 在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)使 用 的是 12M 晶振 ， 做 5ms 定時計(jì)算如下： 機(jī)器周期 =12/12**10^6=1us(微秒 ) 定時初值 =(5*10^3)/(1*10^6)=1000 所以： TH0=（ 655361000） %256 TL0=（ 655361000） /256 將 655361000=64536 化為 16 進(jìn)制為： 0xFC， 0X18。 TH0=0xFC； TL0=0X18。 嬰兒搖籃控制模塊的主要技術(shù)指標(biāo)如下： ⑴ 檢測到嬰兒哭聲或者相同頻率的聲音信號時，電機(jī)啟動，搖籃開始擺動，并且蜂鳴器會同時播放樂曲； ⑵ 通過定時按鍵可以設(shè)置擺動定時時間，并可以在 LCD 上顯現(xiàn)出； ⑶ 當(dāng)濕度傳感器上的水量大于 1毫升時蜂鳴器發(fā)出報警， LCD顯示“ WET”尿床報警字樣； ⑷ 當(dāng)溫度傳感器感應(yīng)到的溫度高于 37176。 C或低于 36176。 C時， LCD 上自動顯示當(dāng)前嬰兒體溫，同時蜂鳴器發(fā)出報警音。 要求溫度、濕度、聲音傳感器反應(yīng)靈敏、工作可靠、控制精度高。搖動系統(tǒng)采用 減速電機(jī)，低壓驅(qū)動，保障嬰兒的安全。搖晃機(jī)構(gòu)工作時噪音較小，保障嬰兒睡眠。報警電路采用蜂鳴器及顯示界面同時報警，以便于及時將嬰兒的狀態(tài)傳達(dá)給父母。 大學(xué)生部落 3 搖籃控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 多功能嬰兒搖籃控制模塊的硬件系統(tǒng)包括搖籃驅(qū)動模塊、哭聲檢測電路、濕度檢測電路、溫度檢測電流、人機(jī)交互模塊、報警電路及主控 MCU 組成。控制模塊的硬件系統(tǒng)總體電路原路圖如圖 4 所示。 圖 4 控制模塊原理圖 搖籃驅(qū)動模塊 搖籃擺動原理結(jié)構(gòu)與模型： ① 電磁式： 結(jié)構(gòu)件：它是由一個下座連支架、一個搖籃、一個平衡塊與平衡桿組成，下座的支架有一個軸承通過軸與搖籃相連接，并且可以自由轉(zhuǎn)動，平衡塊是可以調(diào)節(jié)重量，使搖籃的重心處于轉(zhuǎn)軸上。 磁動力：在搖籃底部有一個磁性條，在下座中央有一個電磁鐵。 ② 電動式： 結(jié)構(gòu)件與電磁式相同。動力部分是用一個汽車用雨水劃水器安裝在軸承處，每當(dāng)劃水器將滑臂劃動一下，就會帶動搖籃晃動一下。如果調(diào)節(jié)劃水器劃動頻率，即可使搖籃 晃動頻率改變。 圖 5 搖籃驅(qū)動模型 本次設(shè)計(jì)的 搖籃 驅(qū)動原理圖如圖 5 所示，搖 籃 的擺動由電機(jī) 驅(qū)動 ，每當(dāng) CPU 啟動 擺動 系統(tǒng)時，只需控制電機(jī)前轉(zhuǎn)后轉(zhuǎn) 的 周期 ， 即可 帶動搖籃擺動 。 搖籃 驅(qū)動的控制由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，采用三極管 8550構(gòu)成電流放大電路，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。當(dāng)單片機(jī)的 P3^6引腳輸出電平時，三極管導(dǎo)通，電機(jī)啟動。 單片機(jī)利用定時器 做 5ms定時 ，以 5ms 為驅(qū)動周期驅(qū)動電機(jī)，從而帶動搖籃擺動。 為了方便緩沖，用一根橡皮筋將電機(jī)與搖籃底部相連 ，就可以解決電機(jī)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)動方向的問題，避免搖籃在轉(zhuǎn)向瞬間突然劇烈擺動。 嬰兒哭聲檢測電路 聲音檢測是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個關(guān)鍵部分，要求具有較好的靈敏度和抗干 擾能力。駐極體傳聲器是一種微型聲電轉(zhuǎn)換器，這種傳聲器具有靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍寬和體積小等優(yōu)點(diǎn)。在本系統(tǒng)中選用駐極體話筒作為聲音檢測部分的聲音傳感器，用其將聲音信號變換成電信號。所選前置放大電路如下，再通過電壓比較器連接到單片機(jī)的 I/O 口。 圖 6 聲音信號放大及濾波電路 本模塊的一個關(guān)鍵是限制信號的頻率，將嬰兒哭聲與其他聲音區(qū)分，以防止一些其 他聲音的干擾，造成搖籃誤啟動。哭聲的頻率范圍是從 赫茲到 赫茲。聲頻濾波電路將對一定嬰兒哭聲頻帶的聲音信號進(jìn)行濾波，如果輸入對應(yīng)于該頻帶的聲音信號 ，那么比較器將把中斷信號輸出到單片機(jī)的聲音檢測引腳。聲音檢測部分的電路如下圖所示： 圖 6 聲音檢測電路 駐極體微型傳聲器 駐極體微型傳聲器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、電聲性能好，廣泛用于盒式錄音機(jī)、話筒、手機(jī)、 MP3 及聲控等電路中 。在本系統(tǒng)中選用駐極體話筒作為聲音檢測部分的聲音傳感器，用其將聲音信號變換成電信號。 圖 7 駐極體微型傳聲器 傳聲器 主 要由聲電轉(zhuǎn)換和 阻抗 變換 兩部分組成。聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件是傳聲器振動膜 ,它是一片極薄的塑料膜片，在其中一面蒸發(fā)上一層純金薄膜 ,然后再經(jīng)過高壓電場駐極后，兩面分別駐有異性電荷 ,膜片的蒸金面向外，與金屬外殼相連通。膜片的另一面與金屬極板之間用薄的絕緣襯圈隔離開 ,這樣，蒸金膜與金屬極板之間就形成一個 電容 。當(dāng)駐極體膜片遇到聲波振動時，引起電容兩端的電場發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了隨聲波變化而變化的交變 電壓 。駐極體膜片與金屬極板之間的電容量比較小，一般為 幾十 pF。因而它的輸出阻抗值很高，約幾十兆歐以上。這樣高的阻抗是不能直接與音頻放大器相匹配的。所以在傳聲器內(nèi)接入一只結(jié)型場效應(yīng)晶體三極管來進(jìn)行阻抗變換 ,場效應(yīng)管的特點(diǎn)是 輸入阻抗 極高、 噪聲 系數(shù)低。普通場效應(yīng)管有源極 (S)、柵極 (G)和漏極 (D)三個極。這里使用的是在內(nèi)部源極和柵極間再復(fù)合一只 二極管 的專用場效應(yīng)管。接二極管的目的是在場效應(yīng)管受強(qiáng)信號沖擊時起保護(hù)作用。場效應(yīng)管的柵極接金屬極板。這樣，駐極體話筒的輸出線便有三根。即源極 S，一般用藍(lán)色塑線，漏極 D，一般用紅色塑料線和連接金屬外殼的編織屏蔽線。 四路運(yùn)算放大器 LM324 LM324 為四運(yùn)放集成電路，采用 14 腳雙列直插塑料封裝，內(nèi)部有四個運(yùn)算放大器，有相位補(bǔ)償電路。電路功耗很小， LM324 工作電壓范圍寬，可用正電源 3～ 30V，或正負(fù)雙電源177。 1． 5V～177。 15V 工作。它的輸入電壓可低到地電位，而輸出電壓范圍為 O～ Vcc。 LM324 系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到 3。 0 伏或者高到 32 伏的電源下，靜態(tài)電流為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分之一。共模 輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。 LM324 的特點(diǎn)： ① 短跑保護(hù)輸出； ② 真差動輸入級； ③ 可單電源工作： 3V32V； ④ 低偏置電流：最大 100nA； ⑤ 每封裝含四個運(yùn)算放大器； ⑥ 具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ埽? ⑦ 共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源； ⑧ 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列； ⑨ 輸入端具有靜電保護(hù)功能。 該芯片的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互單獨(dú)。每一組運(yùn)算放大器可用如圖所示的符號來表示，它有 5 個引出腳， 其中 “+”、 “”為兩個信號輸入端， “V+”、 “V”為正、負(fù)電源端， “Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi （ ）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相反； Vi+（ +）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相同。 LM324 引腳排列見圖 8。 LM12 LM224 和 LM324 引腳功能及內(nèi)部電路完全一致。 LM124 是軍品 ,LM224為工業(yè)品 ,而 LM324 為民品。由于 LM324 四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等特點(diǎn)，因此他被非常廣泛的應(yīng)用在各種電路中。 大學(xué)生部落 圖 8 LM324 引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu) 濕度檢測電路 濕度檢測電路主要用于嬰兒尿床的檢測。本文設(shè)想了兩種方案： ⑴ 用 集成濕度傳感器 IH3