智能家用喚醒系統設計

吳瑞智 李歡敏 屈俊青 王超 袁新棟

摘要：采用STC89C51單片機作為主控制芯片，計了一款帶有鬧鐘并具有語音喚醒功能的智能家用喚醒系統。此系統采用時鐘芯片DS1302記錄日期和時間信號，DS18B20溫度傳感器作為溫度采集模塊，LCD12864字符液晶顯示器作為顯示模塊，利用PWM波調節喚醒燈亮度，ISD1760語音模塊播報當前溫度和穿衣建議，通過按鍵設置具體的時間和日期及鬧鐘等。本系統通過單片機控制，可在設定鬧鐘的時間到達之前啟動喚醒燈，待喚醒燈亮度最大時鬧鐘開始響起，并且語音提醒溫度和時間等信息。這款設計有一定的可行性和人性化等特點，不僅可以用在滿足普通人的喚醒需求，又可以用于老年人以及有耳疾的殘疾人的喚醒需求等場合，在一定程度上體現了智能化。

關鍵詞：液晶顯示；STC89C51； ISD1760； DS18B20；喚醒燈

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）04-0158-03

Design of Intelligent Home Wake-up System

WU Rui-zhi， LI huan-min， QU jun-qing， WANG Chao， YUAN Xin-dong

（Department of Physical and Electronic Information， Yanan University， Yanan 716000，China）

Abstract： An intelligent home wake-up system with the function of alarm clock is designed ba-sed on MCU STC89C51 chip. STC89C51 micro-controller is used as the main control chip. D-S1302is used to record the date and time signals， and DS18B20 is adopted as the temperature acquisition modula.LCD12864 is used as a display module， and PWM is used t-o change the lamp brightness. ISD1760 voice module is used to broadcast the current tem-perature and give wearing suggestions. The alarm time can be set by button. The wakeup la-mp works before the setting time， and the alarm clock starts to ring when the lamp reac-hes its maximum. Meanwhile， the temperature and time are broadcast. The system can b-e used for ordinary people and some disabled people with ear diseases， which reflects t-he intelligence in some extent.

Key words： Liquid crystal displays； STC89C51； ISD1760； DS18B20； Wake up light

1 概述

普通的響鈴鬧鐘設計缺乏的是人性化關懷這一理念，比如人們還在熟睡中就會被刺耳的鬧鈴叫醒，這種喚醒方式不僅會使人感到厭煩、渾身不舒服，更重要的是會影響人們的身體健康，因此，人性化的智能喚醒系統顯得相當不可忽視。近年來，智能系統的研究已經帶領社會進入了更為人性化的領域，這一現狀引起了國內外學者及企業的廣泛重視[1]。國外有一款地毯鬧鐘Reggie，這款鬧鐘功能是在喚醒時倘若不站上去，那么它就會一直響直到將人們喚醒，如此就解決了起床困難戶的問題；Baboomi智能鬧鐘既有為鬧鐘充電的功能，在一定程度上又有震動的功能。臨睡前在枕頭下放置智能鬧鐘的震動設備，早上熟睡的人就會被它人性化地震動聲音而慢慢喚醒，這種傳達起床信息的方式更加智能化；倘若在智能手機上安裝智能鬧鐘的App，也可以實現智能化的語音鬧鐘，通過設置起床時間，在早上就能感受到舒適地被喚醒。國內，浙江大學提出了一種人性化控制的智能家居若干關鍵技術研究；中國信息界提出的一款智能鬧鐘，每天早上能夠溫柔的喚醒熟睡中的人們；另外，杭州電子科技大學、吉林大學、山東大學等眾多學者也進行了智能喚醒系統的相關研究。其研究成果填補了國內在相關領域的多項空白，為人性化的智能家居設計提供了新的思路和技術支持，在很大程度上推動了國內智能化系統的發展進步[2]。

針對目前功能比較大眾化的鬧鐘設計中存在的人性化關懷不夠，以及沒有充分考慮到消費者的使用體驗等問題[3-5]，本設計做出了進一步的改進，主要體現在在喚醒系統的視覺、聽覺等方面。家用智能喚醒系統，可根據人們預先設定的起床時間，慢慢調整周圍的光照鬧鐘響起喚醒熟睡中的人們，同時，以溫柔的語音提示當天的室外溫度來提醒人們穿衣厚度指數等。本系統不僅能滿足普通人的喚醒需求，也能滿足老年人以及有耳疾的殘疾人的喚醒需求。

2 系統的設計方案

一款智能家用喚醒系統必須具備基本的電子時鐘功能，這可以根據不同的需求設定不同的操作從而實現不同的功能。智能鬧鐘在設定的起床時間還沒到達之前，自動調光燈由暗變亮，鬧鐘開始響鈴，并進入語音提醒模式，和普通鬧鐘相比較有很大的創新。如果人們還未從熟睡中醒來，那么鬧鐘就會持續響起直至手動關閉鬧鐘。本智能家用喚醒系統核心硬件是以STC89C51單片機為主控芯片，根據主控芯片的外圍接口這一特點，在外圍加以其他硬件電路，然后根據單片機的指令設計要求，在編譯軟件中采用C語言設計程序，并通過執行一定的程序來實現此系統的功能。系統設計主要由單片機最小系統、溫度檢測、實時時鐘模塊、PWM波調光、具有語音提醒功能的鬧鐘模塊、顯示和按鍵模塊等幾個部分組成。STC89C51單片機最小系統作為主控模塊，時間、日期信息的采集由DS1302時鐘芯片來完成，溫度的獲取用DS18B20溫度傳感器來實現，時間和溫度等的顯示主要是在LCD12864液晶顯示器中完成的；通過按鍵完成日期、時間的初始化設置和鬧鐘的設定；借助PWM波的變化實現喚醒燈自動調光；采用語音模塊完成鬧鐘喚醒和溫度提醒功能。家用智能喚醒系統設計原理框圖如圖1所示。

根據設計方案，系統的原理圖設計如圖2所示。總體原理圖以單片機STC89C51為核心的控制電路[6]，外圍輔以時鐘電路、溫度傳感器電路、PWM喚醒燈電路、液晶顯示電路及語音播報電路等。通過按鍵設置鬧鐘，單片機將溫度傳感器和實時時鐘傳來的信息處理后送到液晶顯示器顯示，按照設定的時間，單片機會提前一段時間控制喚醒燈打開，語音模塊與單片機進行通信協議，從而實現各個功能。

3 硬件電路設計

4 軟件系統設計

該智能家用喚醒系統軟件部分所用的編程語言是C語言。

4.1 系統主程序

為實現系統功能，系統軟件各部分功能必須按要求編程。智能家用喚醒系統的軟件部分主要包括：單片機主控部分、LCD12864液晶顯示部分、時鐘控制部分、語音播報、溫度檢測部分、調光及按鍵部分等。主程序對模塊進行初始化，而后調用DS1302時間處理子程序、讀溫度、處理溫度、顯示、按鍵及語音錄放子程序等模塊。系統的整體程序流程圖如圖3所示。

4.3 子程序設計

子程序設計包括顯示、時間、溫度、語音、調光及按鍵等。各個模塊所實現的功能大體可由模塊的流程圖表示，主要給出顯示、時間和溫度的工作流程。

LCD顯示子程序的設計，程序主要實現對需要的信息的顯示，顯示包括時間及溫度等信息。需要在寫程序時注意它的讀寫控制指令，對顯示進行初始化，調用時間、溫度及農歷轉公歷等子程序，將溫度值和時間數據轉換為液晶字符顯示。通過液晶顯示程序能夠實現時鐘的實時顯示以及溫度值的顯示，也可以實現萬年歷功能。使用串口方式將液晶顯示與控制芯片通信，程序比并口方式簡單易實現。子程序LCD12864顯示模塊子程序的流程圖如圖4所示。

DS1302子程序的設計，在將時鐘初始化后寫入時鐘的初值，時鐘模塊開始計時并讀出數據送至顯示器顯示，其流程圖如圖5。

DS18B20溫度子程序，主要包括初始化，檢測溫度的存在與否，進行讀寫操作并轉換讀取溫度，其程序流程圖如圖6所示。

5 結束語

這款基于單片機的智能喚醒系統從硬件和軟件兩大方面解決了普通鬧鐘的不足，在加入光度調節從而使熟睡中的人們能夠在設定的時刻醒來。鬧鐘會在設定時間前將喚醒燈打開，調節人體生物鐘，在人們淺睡眠時鬧鐘響起并播報溫度等信息。該系統以單片機為控制芯片，外接時鐘電路、語音電路、溫度采集電路、自動調光電路等來實現各項功能。這款智能喚醒系統不僅能夠更人性化的喚醒熟睡中的人們，還能提高人們的工作效率。

參考文獻：

[1] 李倩倩.鬧鐘的人性化設計分析[J].第十一屆全國包裝工程學術會議論文集，2007，11（8）：74-76.

[2] 朱漢敏.一種多功能智能電子鐘[J].福建電腦，2016，8（11）：33-35.

[3] 唐宇，劉傳菊，肖明明.智能數字無線控制計時時鐘的設計[J].2009，30（1）：46-48.

[4] 陳奕楓，郝家勝，林繼祥.基于ZigBee技術的智能家居控制系統設計與實現[J].2014，23（5）：77-86.

[5] 張燃.基于人性化控制的智能家居若干關鍵技術研究[D].浙江大學，2015（12）：87-90.

[6] 任帥，楊添福，吳宏亮.基于STC89C51的溫測型多功能電子萬年歷設計[J].中國新技術新產品，2016（9）：84-86.