一種防霧霾智能口罩的設(shè)計

徐 磊，周淵平，黃思遠，劉 權(quán)

(四川大學 電子信息學院，四川 成都 610000)

0 引言

當前，隨著我國經(jīng)濟的高速持續(xù)發(fā)展，日益惡劣的空氣質(zhì)量給廣大人民的工作和生活帶來不便,甚至嚴重威脅人們的健康。我國已經(jīng)有許多城市出現(xiàn)了較為嚴重的霧霾，在大街上也有越來越多的人穿戴口罩出門，目前市面上的口罩大多只有防霧霾功能一種，并且不會把人們呼出的廢氣及時地排出保持空氣流通。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，許多人在穿戴口罩時接聽電話會對通話質(zhì)量有一定影響。為了消除這一影響，人們或者選擇提高音量，或者選擇摘下口罩。而且許多年輕人在穿戴口罩的同時還有使用耳機聽音樂的習慣。無論是使用藍牙耳機還是有線耳機，它們都有各自的弊端。人們在使用無線藍牙耳機時會有耳機丟失的擔憂；在使用有線耳機時又會有耳機線纏繞帶來的煩惱。為此，本文設(shè)計了一種防霧霾的智能口罩，擬解決上述的問題，并給使用者創(chuàng)造一種新的實用型口罩體驗。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)成部分

智能口罩主要由PCB主控板、電源、風扇、麥克風、耳機、口罩和可更換濾芯組成，如圖1所示。

智能口罩以PCB主控板為核心，包括藍牙控制模塊、電源模塊和風扇及按鍵。使用者在穿戴口罩后開啟電源，系統(tǒng)啟動并與移動端通過藍牙連接，風扇開啟主動排氣，能夠把口罩內(nèi)呼出的廢氣全部排掉，促進新鮮空氣從其他方向經(jīng)過濾片過濾后流進，以達到持續(xù)新風的目的。在口罩外部嵌入有高拾音的麥克風和高品質(zhì)的耳機，使用者在防霧霾的同時也能享受到動聽的音樂，在通話時也可以有更好的通話質(zhì)量。另外為口罩專配有長度較短的高品質(zhì)耳機從而解決了耳機線纏繞帶來的煩惱。整個系統(tǒng)均安裝在口罩右外側(cè)，在右外側(cè)開了一個2 cm2的小口并將風扇嵌入密閉，由于盡量采用較小的器件，減少不必要的配件，最后將整個系統(tǒng)安裝在口罩上后，并不會影響到使用者的舒適度。

圖1 口罩整體結(jié)構(gòu)框圖

1.2 系統(tǒng)設(shè)計的可行性對比分析

與當前流行的口罩相比，該智能口罩在以下兩個方面具有明顯的優(yōu)勢：一是具有風扇支持的空氣循環(huán)系統(tǒng)，可以給用戶更舒適的體驗；二是具有藍牙功能，可以支持藍牙接聽電話和播放音樂，可以給用戶更全面的實用體驗。文獻[1]采用了防霧霾面罩，同時也有風扇循環(huán)口罩內(nèi)空氣，但并未整合藍牙，不能接聽電話和播放音樂。文獻[2]結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本過高。

2 硬件電路設(shè)計

圖2 藍牙控制模塊電路

2.1 C8051F020介紹

C8051F020的內(nèi)部電路包括CIP-51微控制器內(nèi)核及RAM、ROM、I/O口、定時/計數(shù)器、ADC、DAC、SPI和SMBus等部件，即把計算機的基本組成單元以及模擬和數(shù)字外設(shè)集成在一個芯片上，構(gòu)成一個完整的片上系統(tǒng)。雖然其與80C51在指令系統(tǒng)上完全一樣，但是其在運行速度、I/O端口配置方式、內(nèi)部功能和外部接口上都有著很大程度的改進和提高，從而廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域[3]。

2.2 藍牙控制模塊

藍牙控制模塊電路圖如圖2所示。藍牙控制模塊主要由藍牙芯片、音頻輸出部分和音頻獲取部分組成。藍牙芯片選用BEKEN的BK8000L芯片[4-5]，該塊芯片不僅具有成本低、性價比高的優(yōu)點，還為藍牙模塊提供了更高品質(zhì)的音樂和兼容性。該芯片的藍牙規(guī)格為Bluetooth2.0。出于耳機功率放大的考慮，選用了TPA6132芯片，該芯片為一款立體聲耳機放大器。其特點是無需使用外部直流阻隔電容器，擁有卓越的低頻保真度，并能抑制喀噠/噼啪噪聲。為了能識別藍牙連接狀態(tài)，設(shè)計了一藍一紅兩個LED(D2、D3)，當兩燈交替閃爍時表示藍牙未連接并正在嘗試連接，當藍牙已連接時，藍燈慢閃。S6-S10為藍牙的控制按鍵，在播放音樂時分別控制音樂的上一曲、下一曲、音量增、音量減、播放與暫停功能；來電時由播放與暫停鍵負責接聽功能，并由播放與接聽鍵負責語音監(jiān)聽的開啟。C13-C25起到隔絕直流噪聲的作用。耳機功放電路如圖3所示。

2.3 風扇、按鍵及LED

口罩右部嵌有微型風扇，采用+5 V驅(qū)動。此風扇用戶將使用者呼出的廢氣排出，起到清新空氣的作用。PCB主控板內(nèi)具有5個按鍵與2個LED。所有的按鍵及LED都集成在PCB主控板上，其中有5個按鍵位于藍牙控制模塊，分別為上一曲、下一曲、音量增、音量減和暫停/接通[6]，其中暫停按鍵兼具接通鍵和語音監(jiān)聽，會自動根據(jù)場景選擇不同功能。其余5個用于單片機的控制，最后4個作為PCB主控板的外圍控件，用于以后的功能擴展。一個LED燈作為系統(tǒng)啟動指示燈，在通電開啟時保持常亮。此LED指示PCB主控板是否工作，為了降低功耗，另外兩個LED燈(一藍一紅)作為連接藍牙芯片指示燈，在藍牙未連接(即搜索狀態(tài))時兩燈交替閃爍，當藍牙連接上時轉(zhuǎn)換為一個藍燈慢閃爍。將常亮的藍牙指示燈變?yōu)殚W爍式的指示燈可以有效地減少能源的消耗。

圖3 耳機功放電路

2.4 電源模塊

智能口罩的電源模塊負責風扇的驅(qū)動和PCB主控板的電源供給，電源模塊采用+5 V的直流電源，在向PCB主控板供電時，為了盡可能減少功耗，一是通過降低電壓可以成平方級別地降低電能消耗，所以采用AMS111芯片將+5 V轉(zhuǎn)變?yōu)?3.3 V，該芯片輸出電流為100 mA；二是可以進行手動控制風扇的開啟與關(guān)閉，減少電能消耗；三是將藍牙連接狀態(tài)指示燈設(shè)計成慢閃形式，摒棄長亮模式從而減少功耗。以上三點均為低功耗設(shè)計。考慮到口罩需要頻繁使用，在電源模塊內(nèi)有USB接口的充電模塊，能夠為口罩提供續(xù)航。5 V轉(zhuǎn)3.3 V電源轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

圖4 5 V轉(zhuǎn)3.3 V電源轉(zhuǎn)換電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

PCB主控板軟件流程圖如圖5所示，PCB主控板開啟后，首先進行晶振初始化、引腳初始化和串口初始化與使能。之后程序進入循環(huán)，對按鍵的觸發(fā)做出響應(yīng)，當有按鍵按下時，會對按鍵進行識別，當識別為語音按鍵時，系統(tǒng)會先發(fā)送SPP數(shù)傳開啟指令給移動端開啟數(shù)據(jù)傳輸，之后若有數(shù)據(jù)從移動端通過藍牙發(fā)送過來，藍牙會將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給單片機，此時會引起串口中斷，串口中斷時會引起程序中斷并執(zhí)行串口中斷子程序[7]。該程序會將發(fā)送過來的數(shù)據(jù)以字節(jié)的形式全部接收并保存，退出子程序后會繼續(xù)主程序的執(zhí)行，主程序?qū)⒈４娴臄?shù)據(jù)進行解析，通過解析提取里面的有用信息，若有用信息有與之對應(yīng)的指令，則執(zhí)行指令完成語音控制；當識別為風扇控制按鍵時，按鍵按下會把控制開關(guān)倒置達到控制風扇開閉的效果。

圖5 PCB主控板軟件流程圖

4 實驗驗證

在系統(tǒng)完成后，進行了一系列的實驗驗證。完成后的口罩如圖6所示。分別對通風情況、藍牙連接情況、音樂播放效果和麥克風通信等功能進行了驗證。實驗結(jié)果表明:使用者對通風效果給予了高度評價，藍牙連接的成功率非常高，只需一次手動連接，之后便可以自動連接且不會發(fā)生連接中斷的情況，移動端音樂播放后使用者可以通過耳機聽到高品質(zhì)的音樂，用戶體驗較好。最后驗證了藍牙連接下的通話質(zhì)量，結(jié)果表明此系統(tǒng)完全支持正常的通話。

圖6 口罩成果圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種防霧霾的智能口罩。該系統(tǒng)由移動端、PCB主控板、風扇、麥克風、電源和耳機等部件組成。本文給出了整體結(jié)構(gòu)圖，并對該系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計等難點進行了必要的闡述說明，在硬件中選擇了易于調(diào)試的CF8051F020單片機模塊和BK8000L藍牙芯片。該智能口罩一方面可以有效地防止霧霾，并排出呼出的廢氣給使用者更舒適的新風體驗；另一方面可實現(xiàn)更加可靠的通話指令和更舒適的音樂享受。本系統(tǒng)因其基本脫離了對手部的過分依賴，適合于很多場景，例如手腳不便的殘障人士、正在駕駛的快遞人員等，因此具有較好的實用性[8]。