基于單片機(jī)應(yīng)用的智能嬰兒車

周恒 孟祥佳

摘? 要：以單片機(jī)為智能嬰兒車的控制核心，主要由環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能安全服務(wù)系統(tǒng)兩大系統(tǒng)組成。其中環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)功能包括：通過采用溫度、濕度、光照強(qiáng)度、PM傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境數(shù)據(jù)指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控;安全服務(wù)系統(tǒng)功能包括：智能檢測(cè)嬰兒尿床，根據(jù)光照強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰兒車罩的制動(dòng)開關(guān)，智能充電。智能嬰兒車緊跟當(dāng)下技術(shù)潮流，采用最具穩(wěn)定的51系列單片機(jī)作為控制中樞，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，采用單元化控制，將各部分功能通過不同傳感器獨(dú)立化，將技術(shù)與家長(zhǎng)需求完美融合，最大程度方便和減輕家長(zhǎng)帶嬰兒的負(fù)擔(dān)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);智能嬰兒車;環(huán)境檢測(cè);安全服務(wù);物聯(lián)網(wǎng);傳感器;獨(dú)立化

中圖分類號(hào)：TM383? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）03-0035-02

Abstract： With the single-chip microcomputer as the control core of the intelligent stroller， it is mainly composed of two systems： the environmental monitoring system and the intelligent safety service system. The functions of the environmental detection system include： the real-time monitoring of the surrounding environmental data indicators is realized by using temperature， humidity， light intensity and PM sensors; the safety service system functions include： intelligent detection of baby bed-wetting， braking switch of baby carriage cover according to light intensity， and intelligent charging. The intelligent baby carriage closely follows the current technology trend， using the most stable 51 series single-chip microcomputer as the control center， combining the related technology of networking， and using unit control， performing each part of the function through different sensors independent， the perfect integration of technology and the needs of parents， so as to minimize the burden of parents with babies.

Keywords： single chip microcomputer; intelligent stroller; environmental detection; security service; Internet of things; sensor; independence

1 概述

智能嬰兒車主要有兩大系統(tǒng)組成：智能環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)、智能安全服務(wù)系統(tǒng)。其中環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)包括對(duì)溫度、濕度、光照強(qiáng)度、環(huán)境PM2.5的數(shù)據(jù)采集并顯示在屏幕上。對(duì)環(huán)境的檢測(cè)可以讓家長(zhǎng)實(shí)時(shí)的了解到孩子所處的環(huán)境狀況，當(dāng)不適宜時(shí)能夠快速做出改變。安全服務(wù)系統(tǒng)包括：可遮光車罩制動(dòng)升降系統(tǒng)、安全智能充電系統(tǒng)、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、嬰兒尿床報(bào)警系統(tǒng)。這些功能不僅提高了嬰兒的舒適度，也在很大程度上減少了父母的負(fù)擔(dān)。

2 系統(tǒng)功能概述

2.1 智能環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)

本系統(tǒng)由一個(gè)STC89C51單片機(jī)單獨(dú)控制，片內(nèi)各部件通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模式，但CPU對(duì)各種外圍部件的控制是采用特殊功能寄存器SFR的集中控制方式[1]。

幾組傳感器原理：溫濕度傳感器是指能將溫度量和濕度量轉(zhuǎn)換成容易被測(cè)量處理的電信號(hào)的設(shè)備或裝置。低功耗片上溫度傳感器，將與溫度成正比的電流輸入到振蕩器，產(chǎn)生與溫度成正比的頻率，再利用計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)頻率到數(shù)字的轉(zhuǎn)換[2]。濕敏元件是最簡(jiǎn)單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類[3]。PM2.5傳感器光學(xué)方法分為紅外法和激光法兩種方法，本次我們使用的為紅外法，紅外法由于光線強(qiáng)度不夠，只能用濁度法測(cè)量。

最后將上述傳感器所測(cè)量的值顯示出來，顯示屏連接在單片機(jī)輸出端口，接收來至各個(gè)傳感器所收集到的數(shù)據(jù)。

2.2 智能安全服務(wù)系統(tǒng)

2.2.1 制動(dòng)升降裝置

該裝置用于可遮光車罩制動(dòng)升降系統(tǒng)，裝置的核心是采用12V-5A步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)車罩的升降。而本裝置的創(chuàng)新之處在于車罩的升降是由感光元件進(jìn)行控制，及感光元件控制步進(jìn)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。感光元件中受光可增加電荷量，這些電荷量在外加電場(chǎng)的作用下， 自由電子受正電荷的吸引奔向電源的正極， 空穴則奔向電源的負(fù)極， 由此形成電流， 從而促使電路中的電流增大[4]。利用智能環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)中的光照感應(yīng)元件，連接出第二引腳接入本系統(tǒng)控制中樞。設(shè)定某一光照值Lx1，當(dāng)光照感應(yīng)元件超出設(shè)定值Lx1時(shí)，控制中樞發(fā)出高電平信號(hào)，步進(jìn)機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)車罩下降;此時(shí)若光照值小于設(shè)定值Lx2，控制中樞發(fā)出低電平信號(hào)，步進(jìn)機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)車罩上升。若在光照值沒有達(dá)到設(shè)定值時(shí)，人為想降下或是升起，也可按取消按鍵，進(jìn)行人工操作。

步進(jìn)電機(jī)由光照感應(yīng)器控制，由直流電提供動(dòng)力。步進(jìn)電機(jī)的速度控制是通過單片機(jī)發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)， 對(duì)于軟脈沖分配方式， 可以采用調(diào)整兩個(gè)控制字之間的時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)調(diào)速， 對(duì)于硬脈沖分配方式， 可以控制步進(jìn)脈沖的頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速[5]。通常步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生矢量磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的電信號(hào)順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。利用這一原理我們就能根據(jù)高低電平來控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。

2.2.2 智能電源

采用硅系列太陽(yáng)能電池中，單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟[6]，太陽(yáng)能供電裝置安置在嬰兒車前方下部，在外出時(shí)將其拉出，可以在行駛中制動(dòng)充電，免去了充電器插電源的繁瑣性。為了在陰雨天也能夠供電，我們?cè)趮雰很嚨牡撞堪惭b了儲(chǔ)蓄電池，將電能儲(chǔ)蓄在電池中以便在沒有太陽(yáng)天的使用。更可以在直接用家庭220V電源為蓄電池直接充電。

2.2.3 智能充電裝置

該裝置在車的后方顯示屏旁邊，接有3個(gè)USB接口，在父母推嬰兒上街時(shí)，如果父母手機(jī)沒電，可以臨時(shí)為手機(jī)充電。更可以為諸多智能用品臨時(shí)提供電源，保證出行電量安全。無外接充電時(shí)電路處于斷開狀態(tài)，當(dāng)有充電裝置插入，連通電路使之電路通電。該電路設(shè)計(jì)主要參考安全插座的設(shè)計(jì)理念;電流支路檢測(cè)是用于插座空閑時(shí)，提供一個(gè)微弱電流檢測(cè)待接負(fù)載，是否正確連接用戶供電的同一相零回路，若有漏電或人體電阻存在，使其發(fā)出控制電壓，使下級(jí)電路不工作[7]。

2.2.4 嬰兒尿床報(bào)警系統(tǒng)

該裝置一直飽受各界爭(zhēng)議，擔(dān)心當(dāng)嬰兒尿濕時(shí)會(huì)漏電對(duì)嬰兒造成傷害。在此完全不用擔(dān)心此類事情發(fā)生，因?yàn)樵谠撗b置中采用低電位控制電阻式濕度傳感器，將濕度傳感器作為模擬數(shù)字電路，在干燥環(huán)境下電路中電阻很大，電流幾乎忽略。當(dāng)有水滴或是濕度很大時(shí)，濕度感應(yīng)器電阻變小，電路導(dǎo)通，導(dǎo)通后模擬電路會(huì)發(fā)出高電位到控制中樞，控制中樞接受高電位后，再向蜂鳴器發(fā)出模擬信號(hào)，蜂鳴器接受控制信號(hào)，然后發(fā)出聲音來提醒家長(zhǎng)嬰兒尿床。

我們采用壓電式蜂鳴器，壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。當(dāng)接通電源后（1.5～15V直流工作電壓），多諧振蕩器起振，輸出1.5～2.5kHz的音頻信號(hào)，阻抗匹配器推動(dòng)壓電蜂鳴片發(fā)聲。壓電蜂鳴片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成。在陶瓷片的兩面鍍上銀電極，經(jīng)極化和老化處理后，再與黃銅片或不銹鋼片粘在一起。當(dāng)發(fā)聲時(shí)我們給它的電壓值控制在1.5V-3V之間，可見這一電壓對(duì)人體絕對(duì)是安全的[8]。

3 功能測(cè)試及結(jié)果分析

結(jié)合各模塊功能與原理分析，各個(gè)模塊間功能的相互配合程度，以及各個(gè)模塊是否完全遵從核心程序的調(diào)用。整套系統(tǒng)由C51單片機(jī)進(jìn)行控制，各感應(yīng)模組分工合作，經(jīng)過對(duì)智能嬰兒車測(cè)試可以實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）能夠?qū)χ悄軏雰很囍車?02m的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控并將數(shù)據(jù)顯示在嬰兒車所載的顯示屏上。讓家長(zhǎng)實(shí)時(shí)了解周圍環(huán)境狀況。

（2）當(dāng)光照強(qiáng)度大于某值時(shí)，車罩制動(dòng)放下，當(dāng)光照強(qiáng)度小于某值時(shí)車罩制動(dòng)升起。

（3）太陽(yáng)能板為蓄電池充電供其整車系統(tǒng)用電，并在出門時(shí)為父母提供應(yīng)急移動(dòng)電源。

（4）智能監(jiān)控嬰兒是否尿床，當(dāng)嬰兒尿床時(shí)提醒父母為其更換尿布。

4 結(jié)束語(yǔ)

在本次制作過程中，我們共實(shí)現(xiàn)了智能環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)、智能安全服務(wù)系統(tǒng)兩大功能系統(tǒng)，在兩大功能系統(tǒng)的基礎(chǔ)上我們繼續(xù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)常見環(huán)境指標(biāo)（溫度、濕度、PM2.5、光照強(qiáng)度）的檢測(cè)功能，和安全服務(wù)系統(tǒng)包括：可遮光車罩制動(dòng)升降功能、智能充電功能、嬰兒尿床報(bào)警功能。這些功能的實(shí)現(xiàn)極大方便了家長(zhǎng)帶嬰兒的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也提高了嬰兒的舒適度和安全度。

在本課題的制作過程中不僅對(duì)技術(shù)方面有了更深一層的了解，也在制作過程中鍛煉了我們專業(yè)研究能力和團(tuán)隊(duì)合作的能力。過程總會(huì)充滿各種不可預(yù)測(cè)的困難，我們只有不怕艱辛，勇于創(chuàng)新、敢于探索才能在困難中取勝。這種不怕吃苦的精神是在我們平時(shí)無法體會(huì)得到的，只有在實(shí)際的過程中我們才能逐步培養(yǎng)這種精神，并將其內(nèi)化于心外化于行。整個(gè)制作過程也是對(duì)我們將來工作的一個(gè)良好鋪墊，培養(yǎng)了我們“尋找問題、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題”的良好工作素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張毅剛.單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015：13-14.

[2]張祎，何洪楷，趙野，等.一種工藝誤差校準(zhǔn)的低功耗溫度傳感器[J].微電子學(xué)，2019，49（03）：360-365.

[3]華仔.濕度傳感器工作原理[Z].華強(qiáng)電子網(wǎng)，2017.

[4]馬愛霞，梁妍.光敏電阻及其應(yīng)用[J].科技資訊，2017，15（14）：33+35.

[5]常毅.基于單片機(jī)的步進(jìn)機(jī)控制研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33（09）：16-18+64.

[6]曾群，白占旗，劉武燦，等.電子化學(xué)品在光伏電池產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展[J].低溫與特氣，2019，37（05）：1-6.

[7]陳俊，李祥.人體智能安全插座設(shè)計(jì)[J].電源學(xué)報(bào)，2012（01）：80-83.

[8]劉光林，吳志明，沈禮勝.蜂鳴器控制電路及蜂鳴器[P].中國(guó)：CN207690234U，2018.