基于STM32單片機(jī)的智能嬰兒搖籃的設(shè)計(jì)

高　旭，鄒　靜

基于STM32單片機(jī)的智能嬰兒搖籃的設(shè)計(jì)

高旭，鄒靜

（武昌工學(xué)院，湖北 武漢430065）

為了更好地解決孩子與父母之間生物鐘的沖突，減輕父母照顧嬰兒時(shí)所遇到的煩惱，本次設(shè)計(jì)以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心，采用聲音、濕度、溫度傳感器對(duì)嬰兒進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，運(yùn)用傳動(dòng)系統(tǒng)和音樂播放系統(tǒng)來哄哭泣的嬰兒，從而提高嬰兒及父母的睡眠質(zhì)量。本次設(shè)計(jì)能很好地幫助父母照顧嬰兒，非常具有實(shí)用價(jià)值。

STM32F103C8T6；帶通濾波器；嬰兒床

現(xiàn)代家庭大多是獨(dú)生子女家庭，父母對(duì)子女的嬰兒期培育非常重視。然而養(yǎng)育嬰兒是一件非常消耗時(shí)間和精力的事情，常常會(huì)與父母快節(jié)奏的工作生活產(chǎn)生沖突。有些父母因?yàn)橐归g照顧嬰兒，長(zhǎng)時(shí)間不能得到很好的休息，甚至嚴(yán)重影響了健康和正常的工作。然而傳統(tǒng)的嬰兒床并不能滿足父母快節(jié)奏的生活，父母需要在照顧嬰兒方面花大量時(shí)間。另外，嬰童家具產(chǎn)業(yè)，包括嬰兒床、嬰兒餐椅等家具，目前已成為我國(guó)最具發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)之一。

針對(duì)上面所說的問題，本次設(shè)計(jì)主要以STM32F103C8T6為主要的控制芯片，外圍設(shè)計(jì)有聲音采集電路、溫度、濕度傳感器來對(duì)嬰兒當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行時(shí)實(shí)的采集，針對(duì)不同情況單片機(jī)采取不同的措施來幫助父母照顧嬰兒。當(dāng)駐極體話筒采集到嬰兒的哭聲時(shí)，嬰兒床會(huì)播放音樂并搖動(dòng)搖床來哄小孩；對(duì)溫度、濕度傳感器返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可判斷嬰兒是否發(fā)燒，是否尿床，來及時(shí)告知父母！

1　整體設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目主要包含兩個(gè)方面的工作，一方面是電路元件的連接和組裝，另一個(gè)方面則是運(yùn)算程序的編寫。總體框架如圖1所示。

當(dāng)小孩夜間醒來時(shí)，嬰兒會(huì)動(dòng)，從而嬰兒床會(huì)搖動(dòng)。若嬰兒尿床，由濕度傳感器采集到數(shù)據(jù)信息發(fā)送到從機(jī)進(jìn)行處理；而同時(shí)溫度檢測(cè)模塊使用DS18B20溫度傳感器來采集嬰兒被子內(nèi)的溫度，設(shè)定上限溫度38℃、下限溫度30℃，當(dāng)檢測(cè)到溫度等于或高于38℃時(shí)，表明嬰兒發(fā)燒了，當(dāng)檢測(cè)到溫度低于30℃時(shí)，說明嬰兒踢被了，單片機(jī)會(huì)第一時(shí)間接收到以上信息并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。聲音監(jiān)控模塊則采用駐極體話筒來采集嬰兒的哭聲，當(dāng)嬰兒哭泣時(shí)，會(huì)使音樂模塊發(fā)聲來播放音樂，音樂模塊支持內(nèi)存卡的讀寫，可以自由下載播放音樂的內(nèi)容；嬰兒床的傳動(dòng)模塊是用一個(gè)電動(dòng)機(jī)連接一個(gè)擺臂來帶動(dòng)?jì)雰捍驳膿u動(dòng)；在閑暇的時(shí)候父母也可以用手機(jī)來控制嬰兒搖床的搖動(dòng)和音樂播放來舒緩寶寶情緒。

圖1　系統(tǒng)整體方框圖

2　功能電路設(shè)計(jì)

（1）濕度檢測(cè)電路。濕度檢測(cè)電路采用濕敏電阻HR202L來檢測(cè)嬰兒被子內(nèi)的濕度，濕敏電阻與一個(gè)10K電位器RS1相串連，構(gòu)成一個(gè)分壓電路。濕敏電阻另一端與四通道模擬開關(guān)CD4066的1號(hào)引腳相連，而2號(hào)引腳與控制器的PA1引腳相連，PA1的第二功能具有ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換）的功能，所以當(dāng)外界環(huán)境的濕度發(fā)生變化時(shí)引起濕敏電阻的阻值發(fā)生變化，控制器的PA1引腳來檢測(cè)這一模擬信號(hào)的變化從而來控制后續(xù)電路的工作。調(diào)節(jié)電位器RS1可改變濕度檢測(cè)電路的靈敏度。

（2）溫度檢測(cè)電路。溫度檢測(cè)模塊采用DS18B20溫度傳感器來采集嬰兒床被子內(nèi)的溫度，通過返回的不同的溫度數(shù)據(jù)來判斷嬰兒當(dāng)前的狀態(tài)。DS18B20的數(shù)據(jù)端與控制器的PC13引腳相連并通過一個(gè)4.7K上拉電阻連接到電源，控制器讀取DS18B20返回的數(shù)據(jù)來控制其它外圍電路的工作。

（3）聲音檢測(cè)電路。聲音檢測(cè)電路由駐極體話筒來采集嬰兒的哭聲。由于嬰兒的哭聲頻率大致在400～1200Hz的范圍內(nèi)，因此設(shè)計(jì)一個(gè)下限頻率為400Hz，上限頻率為1200Hz的帶通濾波器來濾除干擾信號(hào)。

帶通濾波器是由巴特沃思二階低通濾波器和二階高通濾波器組成，運(yùn)算放大器采用的是LM358，實(shí)現(xiàn)帶寬為800HZ的有源帶通濾波器。基于Multisim12仿真電路圖如圖2所示。

圖2　帶通濾波器仿真電路圖

在中心頻率700Hz左右的增益為6.926dB，當(dāng)頻率下降至365.251Hz時(shí)增益下降到3.937dB，當(dāng)頻率上升至1311Hz時(shí)增益下降到3.946dB。這與理論上分析得到的，增益下降到3dB處的上限頻率為1200Hz，下限頻率400Hz等大致相符。

經(jīng)過駐極體話筒對(duì)聲音的采集后，輸入到帶通濾波器，進(jìn)行濾波，允許嬰兒哭聲頻率通過，最后送到單片機(jī)進(jìn)行處理。

（4）音樂播放電路。音樂模塊采用的主要芯片是GPD2856，支持MP3播放格式，通過GPD2822對(duì)SD卡進(jìn)行解碼后將音樂送到8002功率放大器進(jìn)行信號(hào)放大，使用揚(yáng)聲器播放出來。當(dāng)檢測(cè)到嬰兒哭鬧時(shí)則啟動(dòng)音樂模塊，使嬰兒床播放音樂。

（5）時(shí)鐘電路。時(shí)鐘電路采用的芯片是DS1302時(shí)鐘芯片，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可對(duì)秒、分、時(shí)、日、周、月以及帶閏年補(bǔ)償?shù)哪赀M(jìn)行計(jì)數(shù)，通過向單片機(jī)內(nèi)寫程序來讀取DS1302中的時(shí)間數(shù)據(jù)，從而顯示在OLED顯示模塊上。

（6）OLED顯示電路。顯示電路是由0.96寸雙色OLED顯示屏來顯示當(dāng)前時(shí)間，以及采集的溫度數(shù)值，濕度數(shù)值，嬰兒哭聲的AD轉(zhuǎn)換值。可以直觀的看出當(dāng)前嬰兒床被子內(nèi)的濕度，溫度。給父母照顧嬰兒提供極大的方便。

（7）嬰兒床搖動(dòng)電路。嬰兒床的搖動(dòng)部分是用42步進(jìn)電機(jī)42BYGH47-401A帶動(dòng)傳動(dòng)部分讓嬰兒床搖動(dòng)起來，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片選用的是TB6560AHQ，TB6560AHQ是東芝公司主推的低功耗、高集成兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，配合簡(jiǎn)單的外圍電路即可發(fā)出高性能的驅(qū)動(dòng)電路。

（8）無線數(shù)據(jù)傳輸電路。無線模塊包含兩個(gè)部分，一部分是藍(lán)牙模塊，一部分是2.4G高頻模塊。藍(lán)牙模塊選用OYOU藍(lán)牙4.0模塊，它可以通過父母的手機(jī)來控制嬰兒床的搖動(dòng)和音樂播放。

2.4G無線模塊的主控芯片采用的是NRF24L01+，該芯片采用SPI的通信協(xié)議與STM32F103C8T6進(jìn)行通信，該模塊的主要功能是當(dāng)傳感器檢測(cè)到嬰兒尿床或嬰兒發(fā)燒則發(fā)送報(bào)警信號(hào)來告知父母，將嬰兒的不良狀況第一時(shí)間反饋給父母，避免嚴(yán)重的后果發(fā)生。

3　結(jié)語

智能嬰兒搖床系統(tǒng)的開發(fā)涉及到電子、機(jī)械、自動(dòng)控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，是一個(gè)綜合性的應(yīng)用研究課題。文章著重以人性化照顧小孩子為前提，設(shè)計(jì)出一款多功能的嬰兒搖床，經(jīng)驗(yàn)證搖床功能穩(wěn)定，易于維護(hù)，是一個(gè)比較實(shí)用的照顧嬰兒的利器。

［1］黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［2］歐陽(yáng)集正，胡榮杰.多功能智能嬰兒床的設(shè)計(jì)［J］.湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，（4）.

［3］梁森，歐陽(yáng)三泰，王侃夫.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

The Design of Smart Infanette Based on STM32 MCU

GAO Xu，ZOU Jing
（Wuchang Institute of Technology，Wuhan，Hubei 430065，China）

In order to so1ve the conf1ict between the chi1dren and parents，and in order to reduce the prob1ems encountered by parents'when taking care of the baby，this design uses STM32F103C8T6 microcontro11er as the core，and uses sound，humidity，temperature sensor for rea1-time monitoring of infants，uses transmission system and audio music p1ayer system to coax crying baby，so as to improve the qua1ity of infant and parents s1eep.This design can be very good to he1p parents to take care of the baby，which has practica1 va1ue.

STM32F103C8T6；band pass fi1ter；infanette

TP368.1

A

2095-980X（2016）03-0062-02

2016-03-16

本文為武昌工學(xué)院2014年度校級(jí)大學(xué)生科研項(xiàng)目《智能嬰兒搖籃的設(shè)計(jì)》的研究成果。項(xiàng)目編號(hào)2014XSZ03，資助項(xiàng)目。主要成員王杰、加一鳴、馮智慧、黃康蜜、卓琴菁。

高旭（1994-），男，湖北棗陽(yáng)人，大學(xué)本科，主要研究方向：電子科技。