1、摘 要本文介绍了由单片机控制的新型多功能婴儿摇篮。控制模块由 AT89S52 单片机作为控制核心，硬件电路分为声音检测、温度检测、湿度检测、电机驱动、人机交互和报警等模块。该系统的功能是：输入的哭声信号控制摇篮的启动，当有温湿度报警信号输入时，启动报警系统。人机交互是由定时按键和 LCD 组成，摇篮晃动的时间是由按键预置的；LCD 可以显示定时时间和婴儿体温、尿床状态。软件部分应用单片机 C 语言实现了本设计的全部控制功能，包括定时设置、电机驱动、状态显示、报警和音乐播放等。关键字：单片机；声控；湿度检测；体温检测1 绪论现代家庭大多是独生子女家庭，父母对子女的婴儿期培育非常重视。然而养育婴儿
2、是一件非常消耗时间和精力的事情，常常会与父母快节奏的工作生活产生冲突。有些父母因为夜间照顾婴儿，长时间不能得到很好的休息，甚至严重影响了健康和正常的工作。据了解，有很多的上班族父母都会为照顾婴儿而苦恼。为此，本文设计了一款具有多种功能的智能婴儿摇篮，希望达到使父母不用在摇篮边就能了解到婴儿的情况，从而采取相应的处理的目的，从而减轻父母的负担，在保证照顾好婴儿的前提下，保证父母的正常生活和工作。1.1 设计背景中国人在养育婴儿的传统方式上，都是怀抱着婴儿轻轻拍打摇动或者使用人力推动摇篮，使婴儿安静下来进行睡眠，但是这样做有很多方面不利于婴儿发育和成长。通过对中国各地传统的婴儿摇篮进行的调查情况的
3、了解，发现都是采人工推摇方式，有吊篮、摇桶、摇床等，使用起来不仅费时费力，增加了许多劳动负担，而且产生较大的噪音，使婴儿很难进行深度睡眠。同时，传统看护婴儿的有些方式不当，会使婴儿的大脑处于失重、充血状态等现象，严重影响了婴儿的大脑发育和骨骼生长。对于婴幼儿来说，睡觉和吃奶一样，是他们生长过程中的头等大事。一款合适的摇篮不仅能保证婴儿的健康成长，也能在很大程度上减轻父母的负担，使父母不必为整夜照顾婴儿而劳烦，从而保证大人和孩子都拥有更高的生活质量。1.2 研究现状根据英国卫报2005 年的报道，4 名就读于英国考文垂大学的学生在毕业设计中设计了一种一种新型摇篮，它不仅可以自动摇晃婴儿入睡，还能
4、与房间的网络相连接，从而降低婴儿“摇篮死亡”的几率。这种智能型摇篮最显著的特点是带有温度控制系统，可以与房间内的现代化网络相连。父母不必陪在孩子身边，在家中任何一个房间里都可时时监控孩子的一举一动，并能远程操控摇篮摇晃孩子入睡。如果发现摇篮温度偏高，还可遥控降温，使孩子安然入睡，不热得踹被，也不着凉感冒。发明者表示，温控系统是他们的一大创举，进一步完善后，它还可被用于热奶、使玩具保持一定温度等方面。新型摇篮还有望降低婴儿猝死综合征的发病率。婴儿猝死综合征又被称为“摇篮死亡” ，通常见于 1 个月至 4 个月大小的婴儿。英国每年有 350 名婴儿罹患此病，在睡梦中死亡。虽然目前尚未找到明确病因，
5、但医护人员发现，婴儿猝死综合征通常会伴随着婴儿体温过热。而新发明的摇篮一旦发现婴儿体温异常，将会向父母发出早期预警信号，提醒父母采取相应措施。同时，由于设计新颖独特，这个新型摇篮被列入了考文垂大学毕业生作品展览。目前的电动摇篮，其摇摆的启动方式分为采集声音和运动两种。电磁式多功能婴儿摇篮床：它是由一个下座连支架、一个摇篮、一个平衡块与平衡杆组成，下座的支架有一个轴承通过轴与摇篮相连接，并且可以自由转动，平衡块是可以调节重量，使摇篮的重心处于转轴上。磁动力：在摇篮底部有一个磁性条，在下座中央有一个电磁铁。电动式多功能婴儿摇篮床：结构件与电磁式相同。动力部分是用一个汽车用雨水划水器安装在轴承处，每
6、当划水器将滑臂划动一下，就会带动摇篮晃动一下。如果调节划水器划动频率，即可使摇篮晃动频率改变。能任意调节摇篮角度：可将摇篮沿 X 轴与 Y 轴倾斜任意角度。市场上现有的智能摇篮，功能比较完善的有以下几种：可移动式多功能婴儿摇篮床，包括摇篮、三角支架、横杆、吊管，摇篮由两部分构成，其之间为活动连接，可在 90与 180之间折叠，通过与吊管连接的滑杆上的定位卡槽卡紧，吊管的上端与横杆之间设有转向盘，支撑摇篮的吊管上端的转向盘与横杆以及支撑横杆的三角支架之间均为可拆卸的活动连接，三角支架的支撑杆为可折叠连杆，三角支架的下端设有锁定轮。其特点是可旋转、可移动、使用方便，并且可折叠、可装卸，便于存放与携
7、带。其专利主权项为：可移动式多功能婴儿摇篮床，包括摇篮、三角支架、横杆、吊管，其特征在于，摇篮由两部分构成，该两部分之间为活动连接，可在 90与 180之间折叠，通过滑杆固定，吊管的上端与横杆之间设有转向盘，支撑摇篮的吊管、转向盘、横杆以及支撑横杆的三角支架之间均为可拆卸的活动连接，所述三角支架的支撑杆为可折叠连杆，三角支架的下端还设有锁定轮。宁波金龙儿童用品有限公司研发的系列童床产品获得了三项国家专利（ZL00255869.6、ZL02229213.6、ZL02278753.4 ），采用声控启动技术，以婴儿的啼哭声控制摇摆，集睡床及摇篮于一体，具有音乐（MP3）催眠曲、宝宝尿湿提醒和宝宝蹬被
8、提醒等功能。武汉春眠科技发展有限公司研发的智能摇篮运用直流变频技术，由婴儿的啼哭声启动摇篮工作，装有定时装置，160 分钟可自行调节，自动停止；若婴儿再次啼哭，哭声可指令摇篮重新工作。另外，摇篮工作时是否播放音乐、音乐大小可选择。这款摇篮代表了现在市面上大多数的智能摇篮，属于声控启动型。根据论文资料，还有一种基于加速度传感器 MMA7260QT 的自动摇篮，系统采用飞思卡尔 mc9s08qg8 单片机作为控制器，使用飞思卡尔加速度传感器MMA7260QT 判断婴儿的活动情况，当检测到婴儿活动时自动开启摇篮。属于动作启动型摇篮。1.3 设计的目的及意义现在市场上的智能摇篮都只具有在婴儿哭闹时自动
9、摇摆并播放音乐的功能，因此只能起到单一的催眠功能，不能针对婴儿的活动发生动作，若摇篮一直摇动，对婴儿的安抚作用就会降低。采用声音触发的自动摇篮，缺点是婴儿先是活动，得不到安抚则会哭闹，摇篮才会启动进行安抚；另外如果因为别的原因哭闹，摇篮则不能起到安抚作用。所以根据婴儿的活动来启动摇篮是比较妥当的控制方式。用单片机来控制摇篮的启动，成本较低，适合这样的应用。另外，现有的摇篮不能应对一些突发情况，比如婴儿尿床和发烧等。这样，如果看护者不在旁边，摇篮并不能对婴儿起到很好的照顾作用。如果借鉴上文 4 名英国大学生的设计思想，在现有的摇篮功能的基础上增加温度传感和湿度传感器件，就可以在婴儿尿床时及时提醒
10、父母，以尽量减少婴儿的不舒适感，当婴儿发烧时也可以及时发出警报，方便看护者随时掌握婴儿的身体状况，从而降低婴儿“摇篮死亡”的几率。所以，设计一款多功能的婴儿摇篮可以让父母不必随时守在婴儿身旁，促进了婴儿的健康睡眠，提高了大人和小孩的生活质量，使家长照看婴儿更为方便。本文设计的多功能婴儿摇篮采用电机控制摇床摆动，采用 9V 交流电源供电，保证工作电压处于安全范围内。当婴儿所发出的声音超过一定分贝时，摇床就回自动的一边摇晃一边播放音乐。当婴儿的垫子达到一定的湿度后（即婴儿尿床） ，可以通过湿度传感器采集信息，经过摇篮主控板处理后通知父母，让家长做出相应的处理。一般婴儿的正常的体温在腋窝处为 35.
11、937.2之间，当婴儿的体温超过正常范围后，通过报警系统发出报警信号，并在液晶界面显示婴儿的体温，以便及时通知父母，并可以使父母立刻了解婴儿的体温状况。该款多功能婴儿摇篮比同类产品的功能更齐全，可以让父母晚上不出自己的房间便可以了解婴儿的情况，使家长照看婴儿更为方便，因此该产品前景广阔，有潜在的市场空间。大学生部落 2 总体设计思路摇篮实现的功能有：当婴儿哭叫时通过声控电路控制电机自动摇动，并播放摇篮曲进行催眠；摇篮有定时功能：可以根据需要设定摇篮摇动的时间；当婴儿尿床时通过湿度感应器的信号启动自动报警；婴儿体温自动监护功能：体温探测针在宝宝身上进行自动测温，当宝宝体温超过正常值时会自动发出报
12、警信号通知看护者关注婴儿的状况。2.1 方案论证方案一：运用直流变频技术，由婴儿的啼哭声启动摇篮工作，装有定时装置，160 分钟可自行调节，自动停止；若婴儿再次啼哭，哭声可指令摇篮重新工作。另外，摇篮工作时是否播放音乐、音乐大小可选择。这款摇篮代表了现在市面上大多数的智能摇篮，属于声控启动型。方案二：采用运动信号启动的方式，使用飞思卡尔加速度传感器mma7260qt 判断婴儿的活动情况，当检测到婴儿活动时自动开启摇篮。摇篮系统采用飞思卡尔 mc9s08qg8 单片机作为控制器。但是，这种启动方式在技术上难度较大，需要在摇篮内置很多感应探测装置，通过比较各个装置采集的信号判断婴儿的活动情况。加速
13、度传感器测量运动和动作有很多算法，过于复杂，而且摇篮的内置感应装置如果数量少，不足以准确判断运动情况，数量多则会增加设计和制造的难度，而且必然会增加很多成本。比较以上两种方案而言，方案一的声音信号驱动更可行。在基于方案一的基础上，综合多功能的考虑，提出设计方案三。方案三：在市场上现有的摇篮功能（方案一）的基础上增加温度传感和湿度传感器件，就可以在婴儿尿床时及时提醒父母，以尽量减少婴儿的不舒适感，当婴儿发烧时也可以及时发出警报，方便看护者随时掌握婴儿的身体状况，从而降低婴儿“摇篮死亡”的几率。除了技术上的问题以外，方案一和二的智能摇篮都只具有在婴儿哭闹时自动摇摆并播放音乐的功能，因此只能起到单一
14、的催眠功能，而不能应对一些突发情况，比如婴儿尿床和发烧等，这样，如果看护者不在旁边，摇篮并不能对婴儿起到很好的照顾作用。这次设计的多功能摇篮希望有更高的智能性，给使用者带来更大的方便。所以，设计选用方案三。温度检测2.2 设计方案本设计的系统框图如图 1 所示。控制模块由 AT89S52 单片机作为控制核心，硬件电路分为声音检测、温度检测、湿度检测、电机驱动、人机交互和报警等模块。人机交互界面由定时按键和 LCD 显示界面组成，可以显示定时时间和婴儿体温、尿床状态。通过软件控制蜂鸣器实现音乐播放和报警。软件部分应用单片机 C 语言实现了本设计的全部控制功能，包括定时设置、电机驱动、状态显示、报
15、警和音乐播放等。驱动电机湿度检测显示界面单片机扬声器比较电路定时按键图 1 系统总框图其中，温度检测选用芯片 18b20，因为它体积小，仅有一根数据线，系统简单，可以将它放入婴儿摇床里，当检测到婴儿的体温高于或低于预先设定的范围时，单片机就会发出报警信号。婴儿哭声的检测电路模块由声音采集和声音检测两部分组成。由话筒采集到的声音，要通过一个声音检测的滤波电路，此滤波电路会滤去婴儿哭声频率段以外的电信号，从而保证采集到的是婴儿的哭声，只有哭声信号才能通过比较电路启动摇篮。图 2 所示是报警系统的原理框图。声音传感器、湿度传感器及温度传感器先将收集到的声音、湿度、温度信号分别转化成电信号，转化后的电
16、信号送入比较器比较，确定信号是否超出额定范围，进而确定是否发送相应的声音、湿声音处理 话筒度、温度警告信号。一旦单片机的湿度、温度检测控制引脚 INT0 和 INT1 收到外部中断信号，就会中断当前的状态，从而进入中断处理程序，发出相应的温度、湿度报警信号。湿度传感器声音传感器比较电路比较电路单片机报警信号图 2 报警原理框图当婴儿哭闹没有入睡时，需让系统自动摇动摇篮，并且蜂鸣器播放摇篮曲。这个功能需要由声音传感器、定时器、电机驱动系统来实现。其实现原理图如图 3 所示。定时器声音传感器驱动电机播 放音 乐图 3 摇篮自动摇动控制系统声音传感器收集到的有效哭声信号经由比较电路后传给定时器，单片
17、机利用定时器做 5ms 定时，以 5ms 为驱动周期驱动电机，从而带动摇篮摆动。电机的驱动程序通过 C 语言编程由软件实现。首先，要定义好定时器的初值。无论温度传感器 比较电路使用多大的晶振，使用 51 单片机，一般都是 12 分频出来，也就可以得出一个机器周期。定时器初值的计算方法如下：机器周期=12/n(n 指晶振频率 ) （1）假设要定时的时间为 M，那么定时的初值为：M/机器周期 =初值 （2）TH0=(65536-初值)%256 （3）TL0=(65536-初值) /256 （4）将（65536-初值）所得的值化成 16 进制，其高位就是 TH0 的值，低位为TL0 的值。在本设计中
18、，单片机使用的是 12M 晶振，做 5ms 定时计算如下：机器周期=12/12*106=1us(微秒)定时初值=(5*10-3)/(1*10-6)=1000所以：TH0=（65536-1000）%256TL0=（65536-1000 ）/256将 65536-1000=64536 化为 16 进制为：0xFC，0X18。TH0=0xFC；TL0=0X18。婴儿摇篮控制模块的主要技术指标如下：检测到婴儿哭声或者相同频率的声音信号时，电机启动，摇篮开始摆动，并且蜂鸣器会同时播放乐曲；通过定时按键可以设置摆动定时时间，并可以在 LCD 上显现出；当湿度传感器上的水量大于 1 毫升时蜂鸣器发出报警，L
19、CD 显示“WET”尿床报警字样；当温度传感器感应到的温度高于 37C 或低于 36C 时，LCD 上自动显示当前婴儿体温，同时蜂鸣器发出报警音。要求温度、湿度、声音传感器反应灵敏、工作可靠、控制精度高。摇动系统采用减速电机，低压驱动，保障婴儿的安全。摇晃机构工作时噪音较小，保障婴儿睡眠。报警电路采用蜂鸣器及显示界面同时报警，以便于及时将婴儿的状态传达给父母。大学生部落 3 摇篮控制系统硬件设计多功能婴儿摇篮控制模块的硬件系统包括摇篮驱动模块、哭声检测电路、湿度检测电路、温度检测电流、人机交互模块、报警电路及主控 MCU 组成。控制模块的硬件系统总体电路原路图如图 4 所示。图 4 控制模块原
20、理图3.1 摇篮驱动模块摇篮摆动原理结构与模型：电磁式：结构件：它是由一个下座连支架、一个摇篮、一个平衡块与平衡杆组成，下座的支架有一个轴承通过轴与摇篮相连接，并且可以自由转动，平衡块是可以调节重量，使摇篮的重心处于转轴上。磁动力：在摇篮底部有一个磁性条，在下座中央有一个电磁铁。电动式：结构件与电磁式相同。动力部分是用一个汽车用雨水划水器安装在轴承处，每当划水器将滑臂划动一下，就会带动摇篮晃动一下。如果调节划水器划动频率，即可使摇篮晃动频率改变。图 5 摇篮驱动模型本次设计的摇篮驱动原理图如图 5 所示，摇篮的摆动由电机驱动，每当CPU 启动摆动系统时，只需控制电机前转后转的周期，即可带动摇篮
21、摆动。摇篮驱动的控制由单片机来实现，采用三极管 8550 构成电流放大电路，驱动电机转动。当单片机的 P36 引脚输出电平时，三极管导通，电机启动。单片机利用定时器做 5ms 定时，以 5ms 为驱动周期驱动电机，从而带动摇篮摆动。为了方便缓冲，用一根橡皮筋将电机与摇篮底部相连，就可以解决电机转换转动方向的问题，避免摇篮在转向瞬间突然剧烈摆动。 3.2 婴儿哭声检测电路声音检测是本系统设计中的一个关键部分，要求具有较好的灵敏度和抗干扰能力。驻极体传声器是一种微型声电转换器，这种传声器具有灵敏度高、频率响应范围宽和体积小等优点。在本系统中选用驻极体话筒作为声音检测部分的声音传感器，用其将声音信号
22、变换成电信号。所选前置放大电路如下，再通过电压比较器连接到单片机的 I/O 口。图 6 声音信号放大及滤波电路本模块的一个关键是限制信号的频率，将婴儿哭声与其他声音区分，以防止一些其他声音的干扰，造成摇篮误启动。哭声的频率范围是从 441.8 赫兹到502.9 赫兹。声频滤波电路将对一定婴儿哭声频带的声音信号进行滤波，如果输入对应于该频带的声音信号，那么比较器将把中断信号输出到单片机的声音检测引脚。声音检测部分的电路如下图所示：图 6 声音检测电路3.2.1 驻极体微型传声器驻极体微型传声器具有体积小、结构简单、电声性能好，广泛用于盒式录音机、话筒、手机、MP3 及声控等电路中。在本系统中选用
23、驻极体话筒作为声音检测部分的声音传感器，用其将声音信号变换成电信号。图 7 驻极体微型传声器传声器主要由声电转换和阻抗变换两部分组成。声电转换的关键元件是传声器振动膜,它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜,然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷,膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开,这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当驻极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十 pF。因而它的输出阻抗值很高，约几十兆欧以上。这样高的阻抗
24、是不能直接与音频放大器相匹配的。所以在传声器内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换,场效应管的特点是输入阻抗极高、噪声系数低。普通场效应管有源极(S)、栅极(G)和漏极(D)三个极。这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管。接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。场效应管的栅极接金属极板。这样，驻极体话筒的输出线便有三根。即源极 S，一般用蓝色塑线，漏极 D，一般用红色塑料线和连接金属外壳的编织屏蔽线。3.2.2 四路运算放大器 LM324LM324 为四运放集成电路，采用 14 脚双列直插塑料封装，内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，LM
25、324 工作电压范围宽，可用正电源 330V，或正负双电源15V15V 工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为 OVcc。LM324 系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到 3。0 伏或者高到 32 伏的电源下，静态电流为 MC1741 的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。LM324 的特点：短跑保护输出；真差动输入级；可单电源工作：3V-32V；低偏置电流：最大 100nA；每封装含四个运算放大器；具有内部补偿的功能；共模范围扩
26、展到负电源；行业标准的引脚排列；输入端具有静电保护功能。该芯片的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，它有 5 个引出脚，其中“+”、 “-”为两个信号输入端， “V+”、 “V-”为正、负电源端， “Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相同。 LM324 引脚排列见图 8。LM124 、LM224 和 LM324 引脚功能及内部电路完全一致。LM124 是军品,LM224 为工
27、业品,而 LM324 为民品。由于 LM324 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等特点，因此他被非常广泛的应用在各种电路中。大学生部落 图 8 LM324 引脚及内部结构3.3 湿度检测电路湿度检测电路主要用于婴儿尿床的检测。本文设想了两种方案：用集成湿度传感器 IH3605，此传感器在片内可完成信号的调整，且精度高，线性好。但价格较高。在一块电路板紧密镀两块锡分别作为湿度检测电路的两极，如图 9 所示，锡成条状相互嵌套但不连通。若婴儿尿床，湿度检测电路两极电阻由无穷大降低为几十欧姆，可利用此性质，通过电阻分压使得电平变化完成尿床检测功能。图 9 湿度检测电路因
28、为本文的湿度检测电路仅要求模块在婴儿尿床时能够感应到即可，并不要求有很高的精度，也不要求辨别湿度的具体数值，方案二完全可以满足本设计的要求。而且，原理简单，易于实现，相对于集成湿度传感器 IH3605 成本更低。3.4 婴儿体温检测电路婴儿体温的测量采用温度传感器 DS18B20，采集到的温度传给单片机并在液晶屏上显示出来，以方便父母了解婴儿体温。当传感器采集到的温度超出设定范围（即婴儿发烧）时，系统发出报警信号。3.4.1 DS18B20 简介DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司继 DS1820 之后推出的一种改进型单总线数字式温度传感器,它具有结构简单、操作灵活、无须外接电路的
29、优点。在使用过程中,信息经过单线接口输入输出，因此从处理器到 DS18B20 仅需一根I/O 数据线。读、写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源,并可由用户设置温度报警界限。它被广泛应用于精密仪器间、存储仓库等需要测量和控制温度的地方。DS18B20 的内部结构见图 10。它主要由 4 部分组成: 64 位 ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。图 10 DS18B20 的内部结构DS18B20 数字温度传感器是单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，
30、十分方便。DS18B20 的引脚介绍如下：TO92 封装的 DS18B20 的引脚排列见图 11，其引脚功能描述见表 1。3 2 1 图 11 DS18B20 的引脚排列其中,DQ 为数字信号输入/输出端；GND 为电源地； Vdd 为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。表 1 DS18B20 详细引脚功能描述序号 名称 引脚功能描述1 GND 地信号2 DQ 数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3 Vdd 可选择的 VDD 引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。DS18B20 温度传感器的特点如下：独特的单线接口方式。DS18B
31、20 与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通信。在使用中不需要任何外围元件。可用数据线供电，电压范围为+3.0+5.5V 。测温范围为-55+125。固有测温分辨率为 0.5。通过编程可实现 912 位的数字读数方式。最高测温精读可达 0.0675。最大转换时间为 200ms。用户可自设定非易失性的报警上下限值。支持多点组网功能。多个 DS18B20 可以并联在唯一的 3 线上，实现多点测温。负压特性。电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。3.4 人机交互模块人机交互模块的任务是：通过按键预置摇篮摇晃的定时时间，LCD 显示器显示婴儿体温状
32、态和定时时间、尿床报警等。在此本文选用 LCD1602 液晶显示屏和定时设置按键组成。3.4.1 LCD 显示电路液晶显示模块因其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、使用方便等诸多优点，在通讯、仪器仪表、电子设备、家用电器等低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。字符型液晶是一种用 5*7 点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为 1 行 16 个字、2 行 16 个字、2 行 20 个字等，最常用的为 2 行 16 个字，LCD1602 即是一款应用广泛的 2 行 16 个字的字符型液晶显示模块。表 2 1602 引脚定义引脚号 引脚名 电平 输入/输出 作用1 Vss 电源
33、地2 Vcc 电源（ +5V）3 Vc 对比调整电压4 RS 0/1 输入 0=输入指令1=输入数据5 R/W 0/1 输入 0=向 LCD 写入指令或数据1=从 LCD 读取信息6 E 1,1 0 输入 使能信号，1 时读取信息，10（下降沿）执行指令7 DB0 0/1 输入/输出 数据总线 line0（最低位）8 DB1 0/1 输入/输出 数据总线 line19 DB2 0/1 输入/输出 数据总线 line210 DB3 0/1 输入/输出 数据总线 line311 DB4 0/1 输入/输出 数据总线 line412 DB5 0/1 输入/输出 数据总线 line513 DB6 0/
34、1 输入/输出 数据总线 line614 DB7 0/1 输入/输出 数据总线 line7（最高位）15 BL0 +Vcc LCD 背光电源正极16 BL1 接地 LCD 背光电源负极1602 采用标准的 16 脚接口，上表 2 为其引脚定义。1602 与单片机的连接如图 12 所示：图 12 1602 与单片机连接电路1602 液晶模块内带标准字符库，内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了 192 个 5*7 点阵字符，32 个 5*10 点阵字符。另外还有字符生成RAM（CGRAM ）512 字节，供用户自定义字符。如图 13 所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符
35、号和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是 01000001B（41H） ，显示时模块把地址 41H 中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母 “A” 。下面是 1602 液晶模块的一些主要技术参数：逻辑工作电压（VDD）：+4.5+5.5V ；LCD 驱动电压（VDD-VL）：+4.5 +13.0V ；工作温度（Ta）：060 （常温）/-2075（宽温） ；工作电流：2.0mA ；屏幕视域尺寸：62.5*16.1mm。摇篮系统启动以后，LCD 的第一行显示的是默认定时摆动时间“-10:00-”，第二行显示的是当前婴儿的体温，例如婴儿当前的体温是36.5
36、C,那么 LCD 的第二行就会显示“SA.36.5C” 。在定时设置工作状态下，第一行显示的是所设定的摆动时间；当婴儿尿床时，在报警的同时，液晶屏第二行温度显示后面会显示“WET”字样，以表明婴儿尿床的状态。图 13 CGROM 中字符码与字符字模关系对照表3.4.2 定时设置电路键盘输入控制电路主要是用于设置定时时间,即定时设置电路，从而实现人机交互。该系统的键盘设计是采用扫描方式实现的矩阵键盘。键盘的列线通过上拉电阻将管脚拉高,这样在没有按键按下的情况下,管脚电平为高电平,如果有按键按下,则相应的列线管脚为低电平,从而触发中断进入中断服务程序,进而获得输入的数据。键盘共有四个按键,按键 S
37、1 用来确定定时操作，用于确定定时操作的开始和结束；按键 S2 和 S3 分别用来对定时时间进行加 1 和减 1 操作；按键 S4 用来取消定时，此时摇篮启动后将一直摆动。定时设置电路如图 14 所示：图 14 定时设置电路3.5 电机驱动电路电机驱动电路如图 15 所示，由于 AT89S52 单片机管脚最大直流输出电流为15mA，不足以驱动电机，为了获得较大的驱动电流，在单片机引脚和电机驱动引脚之间接入一个三极管，串联一个电阻，三极管基极接单片机，集电极接地，发射极驱动电机，构成共集电极放大电路，来放大单片机输出的电流。本文采用的三极管 8550 是一种低电压，大电流，小信号的 PNP 型硅
38、三极管，放大系数约为 150，放大后的电机驱动电流可达到 2A 左右。在电机的正负引脚间反串一个二极管，用来保护三极管。图 15 电机驱动电路3.6 报警电路报警电路由单片机驱动蜂鸣器组成，与电机驱动电路类似，如图 16 所示，同样采用三极管 8550 构成电流放大电路，驱动蜂鸣器。当单片机的 P27 引脚输出电平时，三极管导通，蜂鸣器鸣叫发出报警信号。另外，蜂鸣器不仅用于报警，还用来在摇篮摆动时播放催眠曲。这个功能通过软件来实现，在音乐播放标志位 musicflag=1 时，调用乐曲程序，就可以利用蜂鸣器播放音乐，达到辅助催眠的作用。图 16 报警电路3.7 主控单片机系统的主控部分采用单片
39、机 AT89S52。89S52 单片机内部资源丰富，足可以完成所需功能。AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K在系统可编程 Flash 存储器，典型的结构如图 17 所示。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，C
40、PU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。图 17 单片机内部结构框图AT89S52 具有以下标准功能：8k 字节 Flash，256 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 具有如下特点：40 个引脚，8k Bytes Flash 片内程序存储器，256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，32 个外部双向输入/输出（
41、I/O）口，5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。图 18 为 AT89S52 单片机的引脚图。图 18 AT89S52 引脚图按照功能，AT89S52 的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能 I/O 口、控制和复位等。AT89S52 共有四个 8 位的并行 I/O 口：P0、P1、P2、P3 端口，共 32 根 I/O 线。每根线可以单独用作输入或输出。P1.0 与 P1.1 可以配置成定时/计数器 2 的外部计数输入端（P1.0/T2）与定时/计数器 2 的触发输入端（P1.0/T2E
42、X） ，如表 2 所示。表 3 P1 口管脚复用功能端口引脚 复用功能P1.0 T2（定时器/计算器 2 的外部输入端）P1.1 T2EX（定时器/计算器 2 的外部触发端和双向控制）P1.5 MOSI（用于在线编程）P1.6 MISO（用于在线编程）P1.7 SCK（用于在线编程）在 AT89S52 中，同样 P3 口还用于一些复用功能，如表 4 所列。在对 Flash编程和程序校验期间，P3 口还接收一些控制信号。表 4 P3 端口引脚与复用功能表端口引脚 复用功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 INT0（外部中断 0）P3.3 INT1（外部中断 1
43、）P3.4 T0（定时器 0 的外部输入）P3.5 T1（定时器 1 的外部输入）P3.6 WR（外部数据存储器写选通）P3.7 RD（外部数据存储器读选通）多功能婴儿摇篮控制模块的硬件系统总体电路原路图如图 19 所示。图 19 系统总体电路图4 摇篮控制系统软件设计 系统软件部分采用模块化程序设计 C 语言设计方法，主要包括系统主程序、初始化模块子程序、液晶显示子程序、键盘扫描子程序、温度处理子程序、中断服务子程序等。 3.1 主程序模块设计系统主程序实现了定时设置、电机驱动、状态显示、报警和音乐播放等控制功能。以下为主函数程序：void main(void) InitLcd();beep
44、=0;ddelay(40); /*延时大约 40Ms,等待外设准备好 */Initime(); /定时器初始化IT0=1; EX0=1; EA=1; /外部中断WriteCommandLCM(0x0c,1);/显示屏打开，光标不显示、闪烁，检测忙信号DisplayListChar(0,0,str0);DisplayListChar(0,1,str1);ddelay(200);ddelay(200);ddelay(200); beep=1;protemp();while(1) keyscan(); /定时显示处理if(timeflag=1) distime(); /定时时间到，停止处理if(ti
45、meflag=1 shakeflag=0;shake=1;soundflag=0;keyscan();/尿液检测处理if(waterflag=1) beep=0;waterflag=0;DisplayListChar(0,1,str2);ddelay(200);ddelay(200);ddelay(200);ddelay(200);ddelay(200);ddelay(200); beep=1;waterflag=0;/声音检测处理,启动定时器，摇动if(soundflag=1) if(timeflag=0)timeflag=1;distime( );shakeflag=1;/温度处理及显示p
46、rotemp(); /外部中断处理函数void ex0(void) interrupt 0waterflag=1;主程序流程图如下图所示：NYNYNYY系统初始化温度处理及显示开始扫描键盘是否设置定时定时显示处理定时到了吗扫描键盘检测尿床否定时显示处理 定时显示处理检测哭叫否3.2 液晶显示模块设计/*显示指定坐标的一串字符（X=015，Y=0 1）子函数，函数名为DisplayListChar，定义 X、 Y 为无符号字符型变量，DDate 为指向 code 区的无符号字符型指针变量*/void DisplayListChar(uchar X,uchar Y,uchar code *DDat
47、a) / DisplayListChar 函数开始uchar ListLength=0; /定义 ListLength 为无符号字符型变量，并赋初值为 0Y / Y 的变化范围 01X / X 的变化范围 015while(X=15) /X=15 时进入 while 语句循环 /while 语句开始DisplayOneChar(X,Y,DDataListLength);/显示单个字符ListLength+; /数组指针递增X+; /X 轴座标递增 /while 语句结束 /DisplayListChar 函数结束3.3 温度处理模块设计程序采用 C 语言编写,主要完成对 DS18B20 的读写
48、操作 ,实现数据实时采集,并获取最终温度送至单片机内存。由于 DS18B20 工作在单总线方式,数据的读写都占用同一根线,所以每种操作都必须严格按照时序进行。在测温时首先设置 DS18B20 的 DQ 为高电平,然后初始化 DS18B20,成功后 DS18B20 接收单片机的命令,为了简单起见,这里跳过 ROM 命令设置匹配过程,然后再次初始化DS18B20,在成功后启动测温,最后将温度保存返回。测温子程序流程如图 20 所示：图 20 测温子程序流程图测温子程序如下：void gettempTS(void) /读取测得的环境温度resetTS(); /DS18B20 复位writeBTS(0xcc); /忽略 ROM 匹配writeBTS(0x44); /温度转换命令delay(200); resetTS(); /DS18B20 复位开始设置DQ=1复位 DS18B20成功？写 DS18B20 命令，跳过 ROM 命令设置长时间延时复位 DS18B20成功？写 DS18B20 命令，开始测温取得温度
