一種基于單片機控制的定時喚醒眼罩

徐鑫茹 袁陽蕓 吳夢甜 胡曉錚 姜雪松

摘? 要：針對目前困擾人們的睡眠問題，例如佩戴耳塞聽不到鬧鐘鈴聲和鬧鐘鈴聲過大影響同一室內休息者的問題，設計了一種定時喚醒眼罩，主要包括眼罩主體、隔音耳機。眼罩主體上設置有按鈕、顯示屏和鬧鐘系統，隔音耳機與眼罩內部的鬧鐘系統電性連接。使用者可自行設置鬧鐘響起的時間，鬧鐘鈴聲通過隔音耳機傳遞至人耳。

關鍵詞：眼罩? 隔音耳機? STC89C52單片機? 鬧鐘系統? 蜂鳴器

中圖分類號：TP27? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）02（b）-0055-04

A Timing Wake-up Eye Mask Based on MCU Control

XU Xinru? YUAN Yangyun? WU Mengtian? HU Xiaozheng? JIANG Xuesong*

（College of engineering technology， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang Province， 150040 China）

Abstract： Aiming at the sleep problems that currently plague people， such as the inability to hear the alarm bell when wearing earplugs and the problem that the alarm bell is too loud to affect the rest of the same room， a timing wake-up eye mask is designed. It includes an eye mask body， soundproof earphones. The eye mask body is provided with a display screen and an alarm clock system. The soundproof earphones are electrically connected to the alarm clock system， and the display screen is electrically connected to the alarm clock system. The user can set the time of the alarm by himself， and the alarm is transmitted to the human ear through the soundproof earphone.

Key Words： Eye mask; Soundproof earphone; STC89C52 single chip microcomputer;? Alarmclock system; Buzzer

社會的快速發展使人們身處在快節奏、大壓力的工作和生活環境里，身處不良的自然環境和浮躁的社會氛圍中，擁有健康的體魄顯得尤為重要[1]。隨著人們面對的壓力不斷增大，睡眠質量不斷下降，睡眠障礙嚴重影響人們的日常生活[2]。大多數人會采取一些物理方法輔助睡眠，比如佩戴耳塞和眼罩，耳塞的佩戴可以很好的隔絕外界聲音，但同時也屏蔽了鬧鐘的聲音，使用者使用耳塞時會很難被鬧鐘喚醒。為了解決這一問題，現如今有一些發明設計“藍牙耳塞”與手機或者鬧鐘通過藍牙進行連接從而起到喚醒使用者的效果，但這樣設計大大增加了耳塞的成本[3]，同時也浪費手機電量，對于某些住校沒有手機的中學學生更是不適用。還有一些設計是在耳塞內部加入芯片，震動器來喚醒使用者[4]，嚴重影響了耳塞的舒適性，且耳塞內空間不足，增加了制作的難度。本文設計一種基于單片機控制的定時喚醒眼罩，使用者可通過眼罩上的按鈕與顯示屏設置鬧鐘時間，鬧鐘鈴聲通過隔音耳機傳遞至人耳，從而達到即使佩戴耳塞也能夠聽得到鬧鐘鈴聲的效果。

1? 總體設計

本文中利用單片機作為核心控制單元，設計了一種定時喚醒眼罩。主要由眼罩、隔音耳機組成。

1.1 總體功能設計

本設計旨在解決人們的睡眠質量問題，在降低環境噪音和光刺激對人體的影響的同時，又保證了鬧鈴的作用。定時喚醒眼罩的系統功能圖如圖1所示，其實現功能如下。

（1）遮光功能：本文中的眼罩外表面采用硅膠材料，內表面為絨面布料。既實現了遮光，又可以保證眼睛與眼罩接觸的舒適性。

（2）隔音功能：本文中的隔音耳機內部的耳塞采用高密度溫感活性記憶棉，在保證隔音的情況下，使用時不會有脹痛感。

（3）計時功能：本設計采用單片機本身的定時器進行計時，來實現數字時鐘功能，采用數碼管的動態顯示來完成顯示部分。設計精巧，節約空間。

（4）喚醒功能：利用單片機控制蜂鳴器的開關，利用蜂鳴器喚醒休息者。這種柔和喚醒方式不會給使用者太大的刺激。

（5）蓄電功能：考慮電池消耗成本高，頻繁更換電池會導致電池簧片容易損耗[5]。故外置電源usb插口，usb插口裝置靠近眼罩右側結構安裝，不僅達到簡化連接結構的目的，同時實現該設計的蓄電功能。

1.2 總體結構設計

定時喚醒眼罩總體主要由眼罩和隔音耳機構成。眼罩和隔音耳機之間通過連接帶連接。連接帶一端與眼罩內的鬧鐘系統電性連接，連接帶另一端與隔音耳機內部的蜂鳴器電性連接，兩個隔音耳機分別位于連接帶四分之一的位置。定時喚醒眼罩的整體結構圖如圖2所示。

1.2.1 眼罩結構設計

眼罩主體包括STC89C52單片機、蓄電池、顯示屏、usb插口和調整按鈕，眼罩主體外表面由硅膠材料制成，眼罩主體內表面由絨面布料制成。

1.2.2 隔音耳機結構設計

隔音耳機包括連接帶、耳塞、細軟導管、金屬腔體、隔音棉和蜂鳴器，連接帶一端與鬧鐘系統電性連接，連接帶另一端與蜂鳴器電性連接。耳塞材料為高密度溫感活性記憶棉，耳塞體內設有兩個細軟導管用于傳遞蜂鳴器聲音，細軟導管兩端開口處呈矩形，易于聲音傳播至使用者耳中;耳塞尾部連有一金屬腔體，蜂鳴器、隔音棉位于金屬腔體內部，掛鉤通過錫焊焊接在金屬腔體外側，蜂鳴器嵌入隔音棉中，從而減少蜂鳴器聲音對外界的干擾，掛鉤也可防止耳塞在睡眠時脫落。當預設的鬧鐘時間到達時，隔音耳機內的蜂鳴器響起，因金屬腔體和隔音棉的隔音作用，蜂鳴器的聲音不會傳遞至外界，蜂鳴器聲音通過耳塞內的細軟導管傳遞至人耳中，從而喚醒使用者。

隔音耳機結構示意圖如圖3所示。

2? 內部電路結構設計

2.1 整體電路設計

鬧鐘系統由STC89C52單片機控制模塊，按鍵模塊，復位電路，數碼管顯示模塊、鬧鈴模塊組成，STC89C52單片機是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，12時鐘、機器周期和6時鐘、機器周期可以任意選擇[6]。系統使用5V電源， 從蓄電池和USB接口中獲取5V電源。

系統功能控制圖如圖4所示。

2.2 各模塊電路設計

鬧鐘系統的整體電路原理圖如圖5所示。

2.2.1 復位電路的設計

復位是使CPU和系統都回歸到初始狀態，通常用于電路接電時或是發生故障時。時鐘電路工作后，在REST管腳上加兩個機器周期的高電平，芯片內部開始進行初始復位[7]。復位電路如圖6所示。

2.2.2 數碼管顯示模塊設計

本模塊采用2個4位共陰數碼管來顯示時、分、秒。數碼管接在單片機的P0和P2口，P0控制段選信號，P2控制位選信號。

2.2.3 鬧鈴模塊設計

本模塊主要由8550三極管和蜂鳴器構成[8]，使用者設置好鬧鐘時間后， 當時間到達時單片機就會控制蜂鳴器響起， 需要使用者手動關閉蜂鳴器聲音才會停止。

2.2.4 按鍵模塊設計

采用四個獨立式按鍵，從左到右依次為“設置時間”鍵、“設置鬧鐘”鍵，“+”鍵、“-”鍵，通過“設置時間”按鍵和“+”、“-”鍵可以調整系統時鐘的時間，時間包括時、分、秒;通過“設置鬧鐘”按鍵和“+”“-”鍵可以調整鬧鐘的設定時間，時間同樣包括時、分、秒。

3? 系統流程設計

定時喚醒眼罩的工作流程如圖7所示。系統初始化，顯示屏顯示當前的時間，使用者可通過眼罩上的按鈕設定好鬧鐘時間，隨后系統開始計時，若調整按鍵被按下，則進行修改時分秒的操作。時間設置好之后，使用者可以佩戴定時喚醒眼罩休息，當設定時間到達時，鬧鐘開始響起，并通過隔音耳機傳遞至人耳中，使用者被喚醒。

4? 結語

本文設計的一種定時喚醒眼罩，使用者休息前可提前為眼罩設定好喚醒時間，即通過顯示屏和按鈕設定好預設時刻，到達預設時刻時，單片機控制金屬腔體內的蜂鳴器發出聲音，聲音通過隔音棉的隔絕不會傳遞至外界，進而通過耳塞內部的細軟導管傳遞至人耳中，從而喚醒使用者。本文設計的定時喚醒眼罩可達到以下有益效果：（1）可屏蔽外界聲音，提高使用者的睡眠質量;（2）耳塞眼罩集成一體化設計，避免單個耳塞丟失;（3）蜂鳴器在預設時刻響起，通過細軟導管傳遞至人耳，可達到即使佩戴耳塞也能聽到鬧鐘鈴聲，達到喚醒使用者的效果;（4）由于隔音耳機內隔音棉和金屬殼體的設置，防止蜂鳴器聲音影響到外界，避免了鬧鐘鈴聲對同屋他人造成影響;（5）結構簡單、設計巧妙、拆裝方便、組裝牢固，適于推廣使用。

參考文獻

[1] 林穎. 基于用戶研究的家庭保健產品開發[D].廣州：華南理工大學，2017.

[2] 應少飛. 基于心率變異性的多導睡眠監護儀[D].成都：電子科技大學，2020.

[3] 杜浩明，劉星均. 一種帶夾持器和鬧鐘功能的藍牙耳機[P]. CN106412752A，2017-02-15.

[4] 鄒志軍，遲長春. 一種基于智能眼罩的鬧鐘喚醒方法及智能眼罩[P]. CN110786986A，2020-02-14.

[5] 趙惟儀，陸娟，李文霞，等.一種多功能麥克風電教環的設計[J].科技創新與應用，2019（6）：53-55.

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[7] 劉雪飛，李萬敏.基于51單片機的智能小車控制系統設計與制作[J].電子世界，2020（20）：186-187.

[8] 關山，張悅旺.基于單片機的數控移動電源設計制作[J].電子測試，2020（19）：5-9.