(完整word版)嬰兒智能看護裝置設(shè)計

1、第1頁傳感器課程設(shè)計課題名學(xué)專班組指導(dǎo)教時稱院業(yè)級員師間嬰兒智能看護裝置設(shè)計信息工程學(xué)院第2頁實驗分工*:負責(zé)溫濕度模塊的設(shè)計、相關(guān)資料的查找、后期文檔的制作、整體思路的設(shè)計*:負責(zé)語音模塊的設(shè)計、相關(guān)技術(shù)資料的搜集、參與后期文檔的制作，整體框架的整理*:負責(zé)翻身檢測模塊設(shè)計、相關(guān)論文的收集、聲光報警模塊的設(shè)計第3頁目錄一：緒論41.1研究背景41.2研究目的41.3研究意義4二：系統(tǒng)方案設(shè)計52.1項目分析52.1.1問題分析52.1.2解決思路52.2設(shè)計方案52.2.1總體設(shè)計方案62.2.2系統(tǒng)框圖62.3設(shè)計采用技術(shù)72.3.1微處理器72.3.2溫度傳感器72.3.3濕度傳感器82

2、.3.4語音識別技術(shù)9三：模塊設(shè)計93.1溫濕度模塊設(shè)計93.1.1溫度子模塊設(shè)計103.1.2濕度子模塊設(shè)計113.2語音模塊設(shè)計143.3翻身模塊設(shè)計153.3.1震動開關(guān)特性163.3.2翻身檢測電路163.4聲光報警模塊設(shè)計173.5設(shè)計總框圖17四：實驗總結(jié)18第4頁1.1研究背景中國第六次人口普查結(jié)果顯示，我國6歲以下兒童有1.3億，每年以兩千萬到三千萬的速度在增長，03歲的嬰幼兒達七千萬，其中城市嬰幼兒有一千多萬名，根據(jù)計生委的相關(guān)研究報告，在今后10年，中國將繼續(xù)保持人口生育高峰，第五波“嬰兒潮”也將會來臨。我國學(xué)前教育主要依托于幼兒園、 托兒所等機構(gòu)現(xiàn)有的幼兒園低齡教養(yǎng)經(jīng)驗少

3、、機制不健全、設(shè)備相對薄弱，同時嬰幼兒年齡過小，看護起來難度大，絕大多數(shù)幼兒園也不具備條件接收3歲以下的孩子入園，03歲的城市嬰幼兒看護需求得不到滿足，80%是在家庭中進行的，隨著人口的增多，嬰幼兒的看護將面臨更加嚴峻的挑戰(zhàn)。1.2研究目的基于對現(xiàn)代城市嬰幼兒看護需求的認識， 本文提出了嬰兒智能看護裝置的設(shè)計。通過分析看護過程中嬰幼兒與看護人員的需求，將需求轉(zhuǎn)化為設(shè)計語言，從而建立嬰幼兒看護裝置的功能框架，并設(shè)計出嬰兒看護裝置的模型，從而起到輔助看管的功能，緩解對嬰幼兒看護壓力的作用。1.3研究意義(1)從嬰幼兒的角度： 在家里安裝一個這樣的裝置， 嬰幼兒可以在一個安全舒適的環(huán)境睡覺，能夠及時

4、解決一些嬰兒出現(xiàn)的狀況，能夠與嬰兒進行互動。(2)從家庭看護人員的角度：傳統(tǒng)0-3歲時嬰幼兒看護，主要是家中進行并且通常是24小時不離身的看護，城市年輕的父母同時還有工作生活的重大壓力，通常也疲于照顧嬰幼兒，許多年輕夫妻需要白己的父母幫忙看護，這也給老年人的生活帶來了不便，雖然他們時間充足，但是由于長時間照看兒孫一方面精力體力不支另一方面也減少了白己的白第5頁由時間，如果在家里安裝一個這樣的裝置，能為他們緩解看護壓力，也讓他們有更多白己的時間。1:系統(tǒng)方案設(shè)計2.1項目分析2.1.1問題分析我們本次的課程設(shè)計題目是智能嬰兒看護裝置的設(shè)計，在滿足嬰兒需求的前提下盡可能的達到智能。我們選擇嬰兒睡眠

5、為主要的研究方向，致力于解決嬰兒睡眠過程中所遇到到的問題。嬰兒在睡眠過程中主要的需要解決的問題有：嬰兒尿床、嬰兒哭鬧、嬰兒翻身。嬰兒尿床是主要問題，當嬰兒哭鬧時能夠及時與嬰兒進行互動，嬰兒翻身則有可能踢翻被子，導(dǎo)致嬰兒受涼。2.1.2解決思路我們對普通嬰兒床進行改造，根據(jù)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的原則。在原有的嬰兒床上加入溫濕度傳感器來解決嬰兒尿床問題；加入語音識別模塊解決嬰兒哭鬧問題；加入翻身檢測模塊解決嬰兒翻身問題。在此基礎(chǔ)上再加上BabyMonitor設(shè)備實現(xiàn)監(jiān)控嬰兒的狀態(tài)。2.2設(shè)計方案本設(shè)計是以滿足普通用戶或者小型實驗室需求為目的，因此，該設(shè)計考慮的主要因素就是易于實現(xiàn)和成本的問題，然后再

6、考慮保證滿足常用功能的前提下，拓展設(shè)計功能，確保使用方便。結(jié)合成品嬰兒看護器的特點及日常系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的需求，本文提出了如下設(shè)計方案。本方案采用基于SCT89C51單片機設(shè)計思路，外圍電路以溫度傳感器，濕度傳第6頁感器和振動開關(guān)為主，語音識別模塊采用的是ICRoute公司設(shè)計生產(chǎn)的LD3320芯片，結(jié)合BabyMonitor設(shè)備，實現(xiàn)對嬰兒全方位的看護。2.2.1總體設(shè)計方案系統(tǒng)采用SCT89C5佯片機作為微處理器，DS18B20乍為溫度傳感器對溫度進行檢測，HS1101作為濕度傳感器與NE555S成濕度檢測模塊，振動開關(guān)SW-2000對嬰兒翻身進行檢測，采用蜂鳴器實現(xiàn)報警功能，使用LED對測得

7、的溫度值和濕度值進行顯示。使用語音識別模塊對嬰兒進行安撫。2.2.2系統(tǒng)框圖本設(shè)計方案嬰兒看護器的三大單元，包括為以信息采集的傳感器為主要單元，信息處理的單片機為核心單元，以及聲光報警單元。其硬件設(shè)計組成框圖如下圖所示。第7頁2.3設(shè)計采用的技術(shù)2.3.1微處理器微處理器是控制系統(tǒng)的核心部分。微處理器用一片或少數(shù)幾片大規(guī)模集成電路組成的中央處理器。這些電路執(zhí)行控制部件和算術(shù)邏輯部件的功能。微處理器與傳統(tǒng)的中央處理器相比，具有體積小、重量輕和容模塊化等優(yōu)點。微處理器的基本組成部分有：寄存器堆、運算器、時序控制電路，以及數(shù)據(jù)和地址總線。微處理器能完成取指令、執(zhí)行指令,以及與外界存儲器和邏輯部件交換

8、信息等操作，是微型計算機的運算控帕部分。它可與存儲器和外圍電路芯片組成微型計算機。本論文設(shè)計采用的是STC89C51乍為微處理器。STC89C50卜部引腳圖2.3.2溫度傳感器1、溫度傳感器的選擇溫度傳感器的種類眾多，在應(yīng)用于高精度，高可靠性的場合時達拉斯公司生產(chǎn)的DS18B2CW度傳感器當仁不讓。超小的體積，超低的硬件開銷，抗干擾能力強，精度高，附加功能強，使得DS18B2CM受市場歡迎。在本設(shè)計之中也采用DS18B20乍為溫度傳感器。VIPl.CprsprsPl.4PlJ1Pl.4PlJ1 ELEL了RXDPmRXDPmTW3TW3PS)PS)FT5FT5PH2CTLP3PH2CTLP3J

9、 JTOFI.4TI.P5.JKIKIGSEGSEfl-1fl-1w-Mw-Mpo-Mwwpfr.po-Mwwpfr.51V51V瓦rara-I2*xIX-rx-Jpp-I2*xIX-rx-JppP PF FF FPPPPF F第8頁2、DS18B2Q/T紹DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同， 且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2s減750msDS18B2CW溫原理如圖3所示。 低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小,用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和

10、溫度寄存器被預(yù)置在-55C所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1,計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入， 計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。DS18B20的主要特性：(1)適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V,在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。(2)獨特的單線接口方式，DS18B2旌與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20勺雙向通訊。(3) DS18B2岐持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B

11、2(Kf以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。(4) DS18B2旅使用中不需要任何外圍元件， 全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。(5)溫范圍一55C+125C,在-10+85C時精度為士0.5C。(6)可編程的分辨率為912位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5C、0.25C、0.125C和0.0625C，可實現(xiàn)高精度測溫。(7)在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。(8)測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以一線總線串行傳送給CPU同時可傳送CRO驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。(9)負壓特性：電源極

12、性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。2.3.3濕度傳感器傳統(tǒng)的測量溫度使用干濕球濕度計，它雖然維護起來相當簡單，只需定期給濕球加水及更換濕球紗布即可，但其精度不夠，誤差較大。電子式濕度傳感器是近幾十年，特別近20年才迅速發(fā)展起來的。電子濕第9頁度傳感技術(shù)由于發(fā)展快，精確度高，誤差小，現(xiàn)在得到廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計中選用了電子濕度傳感器HS1101檢測溫度。HS1101是法國Humirel公司推出的一款電容式相對濕度傳感器。該傳感器可廣泛應(yīng)用于辦公室、家庭、汽車駕駛室、和工業(yè)過程控制系統(tǒng)等，對空氣濕度進行檢測。與其他產(chǎn)品相比，有著顯著的優(yōu)點。2.3.4語音識別技術(shù)語音識別模塊采用的是IC

13、Route公司設(shè)計生產(chǎn)的LD3320芯片，其中LD3320芯片是一款基于非特定人語音識別技術(shù)的語音識別/聲控芯片.該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等，不需要外接輔助芯片，直接集成在現(xiàn)有的產(chǎn)品中可以實現(xiàn)語音識別和聲控功能。三：模塊設(shè)計3.1溫濕度模塊設(shè)計當嬰兒尿床時，溫濕度傳感器能夠檢測到并提示報警，發(fā)出信號給看護人。其設(shè)計框圖如下所示。第10頁系統(tǒng)流程圖如下:3.1.1溫度子模塊檢測溫度模塊采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20它能代替模擬溫度傳感器和信號處理電路，直接與單片機溝通，完成溫度采集和數(shù)據(jù)處理。DS18B2(ftSTC89C5姑合實現(xiàn)最簡溫度檢測系統(tǒng)

14、，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強，適合于惡劣環(huán)境條件下進行現(xiàn)場檢測溫度，有廣泛的的應(yīng)用前景。第11頁DS18B20勺外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B2(ft部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位ROM光刻溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管腳排列如圖所示。DS18B20溫度檢測電路采用DS18B2O字溫度傳感器檢測溫度，DS18B20W單片機是單線雙向通信。其連接電路如下圖所示。3.1.2濕度檢測電路的設(shè)計HS1101實際上相當于一個可變電容，它會因為外部的環(huán)境濕度的變化而導(dǎo)致電容值發(fā)生改變，濕度檢測模塊采用HS1101及NE555一起組成，將該HS1101置于NE

15、555震蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)化為之呈反比的電壓頻率信號，可直接被計算機米集。電源柱刪&1位OL和摟口高速福at星蜘牛低就蚣器TL配要喜存器的外形及管腳圖DS18S20的測溫電路VCCDQGND第12頁NE555振蕩器NE555是屬于555系列的計時IC的其中的一種型號，555系列IC的接腳功能及運用都是相容的，只是型號不同的因其價格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同； 而555是一個用途很廣且相當普遍的計時IC,只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率之脈波訊號。其引腳功能配置和引腳功能如圖所示GNDVCCTRD3SOUTTHRDCO濕度檢測電路采用H

16、S1101及NE55我現(xiàn)對濕度進行檢測，其電路連接如圖所示跆區(qū)J7引腳序號功能|引腳序號功能1電源負極5電壓控制端2電源負極6電壓控制端3觸發(fā)輸入端7閥值輸入端4觸發(fā)輸入端8電源正極廣NE555振蕩器引腳功能圖NE555引腳表L/IOIn23jGNDGNDCCTRDBOLTTH第13頁vcc此電路為典型的555E穩(wěn)態(tài)電路，555芯片外接電阻R4,R的HS1101構(gòu)成對HS110的充電回路。7端通過555芯片內(nèi)部的晶體管對地短路實現(xiàn)對HS1101勺放電電路，并將引腳2,6端相連引人到片內(nèi)比較器，構(gòu)成一個多諧波振蕩器，其中，R4目對R融須非常的小，但絕不能低于一個最小值。R理防止短路的保護電阻。5

17、55電路的非平衡R6乍為內(nèi)部溫度補償用，目的是為了引人溫度效應(yīng)，使它與HS110的溫度效應(yīng)相匹配。其工作循環(huán)描述如下：Thigh=C(R4+R5)*ln2T1ow=C(R4+R5)*ln2F=1/(Thigh+Tow)=1/(C(R4+2*R5)*ln2)該計算式中：Thigh表示一次循環(huán)輸出高電平時間，章位(S)；T1ow表示一次循環(huán)輸出低電平時間，單位(s);C表示相對濕度下HS1101勺電容值，單位(法拉)；F表示輸出頻率值，單位(HZ)。電路工作原理：HS110作為一個變化的電容值，當電源VCC通時，HS110W端的電壓VC=0,定時電路處于置位狀態(tài)有VCC過R心R5寸變量電容HS11

18、0佻電，當Vc達到門限電壓(2/3VCQ時，定時電路轉(zhuǎn)為復(fù)位狀態(tài)，HS110何過R晌555內(nèi)部的晶體放電，當VC降到觸發(fā)電平(1/3VC。時，定時電路又翻轉(zhuǎn)為置位狀態(tài)，HS110僅開始充電，這樣周而復(fù)始，形成震蕩。典型頻率濕度關(guān)系如下表所示(參考點：25度， 相對濕度：55%輸出頻率：6660H0。由此可以觀察出來， 空氣相對濕度與555芯片輸出頻率存在一定線性關(guān)系。 可以通過微處理器采集555芯片的頻率，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可以直接以相對濕度的數(shù)據(jù)進行顯示。相對濕度與頻率的關(guān)系:相對濕度值/(%輸出頻率值/Hz相對濕度值/(%輸出頻率值/Hz07351606600107224706468一20710

19、08063303069769061864068531006033506728第14頁3.2語音模塊設(shè)計嬰兒半夜醒來，需要大人的安撫，嬰兒感覺到有安全感，就能比較快地繼續(xù)安穩(wěn)地睡覺。針對上述的分析，系統(tǒng)進行如下的控制：當嬰兒已經(jīng)喂飽和換完尿布后再次有比較大的動靜時，在父母枕頭旁邊的安放一個喇叭，通過語音采集后，讓喇叭發(fā)出聲音，提示父母盡快察覺嬰兒已經(jīng)是處于一個不安的狀態(tài)，需要去照顧嬰兒。父母親醒來后，并不需要起身，只需要側(cè)身對著麥克風(fēng)的方向，發(fā)出不同的命令?？刂破魍ㄟ^LD3320分辨出對應(yīng)的聲音信號，進行相應(yīng)控制。語音模塊框圖:LD3320語音識別過程:第15頁語音模塊流程:初始化初始化掃描程序

20、掃描程序3.3翻身模塊設(shè)計本系統(tǒng)是采用震動開關(guān)來檢測嬰兒翻身狀態(tài)。本模塊采用振動開關(guān)SW-18020,它是一種彈簧型無方向性振動感應(yīng)器件，可以任意角度觸發(fā)。在靜止時任何角度都為開路OFF狀態(tài)，當受到外力碰撞或者大力晃動時，彈簧變形和中心電極接觸導(dǎo)通使兩個引腳瞬間導(dǎo)通為ON狀態(tài)，當錄音操錄音操J執(zhí)存錄旬能程居執(zhí)存錄旬能程居執(zhí)行識別程序執(zhí)行識別程序第16頁外力消失時，電路恢復(fù)為開路OFF狀態(tài)。其實物圖如下所示。第17頁3.3.1振動開關(guān)的特性特性表如下：1、本開關(guān)在靜止時為開路（OFF狀態(tài)，當受到外力盹撞而達到適當振動力時，或移動速度達到適當離心力時，導(dǎo)電接腳會產(chǎn)生瞬間導(dǎo)通（ON狀態(tài)，使電特性改變

21、，而當外力消息時，電氣特性恢復(fù)開路（OFF狀態(tài)。2、無方向性，任何角度均可觸發(fā)工作。3、型號末位有P字為完全封密式封裝可防水，防塵。4、觸發(fā)靈敏度可依電路需要選用適當?shù)撵`敏度開關(guān)。5、本開關(guān)使用于小電流電路的觸發(fā)。3.3.2翻身檢測電路采用振動開關(guān)SW-18020檢測嬰兒翻身狀況， 當嬰兒翻身時， 就會觸動振蕩開關(guān)，系統(tǒng)顯示高電平，觸動報警單元，引起看護人員注意。其電路連接如下圖所示。第18頁3.4聲光報警模塊本系統(tǒng)需要將測得的溫度值和濕度值顯示出來，并對值進行處理，判斷其是否超出最大承受范圍，若超出，則需要報警。對于控制系統(tǒng)，當濕度和溫度超出一定設(shè)定范圍時，需要對濕度和溫度進行調(diào)節(jié)，以保證嬰

22、兒的身體健康。因此，本課題設(shè)計了報警電路及LED顯示電路，能及時反映嬰兒的現(xiàn)狀，實現(xiàn)對監(jiān)控對象嬰兒的控制，以便監(jiān)護人員及時回到嬰兒身邊，給予照顧。在本設(shè)計中，聲光報警單元細分為LED燈顯示控制模塊和蜂鳴器報警模塊。led燈顯示控制模塊和蜂鳴器報警模塊實現(xiàn)的是報警和顯示功能，即聲和光的報警。外圍電路led燈顯示控制模塊最終可以將要顯示的數(shù)據(jù)，直接用led燈亮滅來代表產(chǎn)生高低電平顯示出來，并迅速觸發(fā)聲光報警器，省去了單片機的處理過程，能及時反映嬰兒的現(xiàn)狀、實現(xiàn)了對監(jiān)控對象嬰兒寶寶的控制，加快數(shù)據(jù)的處理速度和節(jié)約硬件成本。3.5設(shè)計總框圖將溫度檢測模塊，濕度檢測模塊以及翻身檢測模塊三部分整合在一起，

23、完成數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)對嬰兒的監(jiān)控功能。其結(jié)構(gòu)總框圖如下圖所rumrum頊第19頁實驗總結(jié)*:從這次課程設(shè)計里我不僅從理論上去求知認知， 還需從實際即實踐當中探索，從中加深了對電路，原件及電路圖的了解與認識，而且還及時、真正的做到學(xué)以致用。另外，通過這次的課程設(shè)計還使我發(fā)現(xiàn)僅憑我現(xiàn)在的知識和水平還無法全面完成整體設(shè)計；其次，我掌握了常用電子器件的類型和特征；還有就是培養(yǎng)了白己解決問題和思考問題的能力；也提高了嚴肅認真的工作作風(fēng)和嚴謹?shù)目茖W(xué)作風(fēng)。本課程設(shè)計是我和同學(xué)協(xié)同合作完成的。在這個過程中遇到了許多的困難，通過與陳老師和同學(xué)的交流，最終都解決了。陳老師嚴肅的科學(xué)態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的

24、工作作風(fēng)以及淵博豐富的專業(yè)知識，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到設(shè)計的最終完成，陳老師都始終給予我們細心的指導(dǎo)和不懈的支持。在這當中我也有很多收獲，這些收獲使我深刻體會到以后無論做什么事情都要具有良好的專業(yè)素質(zhì)，遇事不要浮躁，作為網(wǎng)絡(luò)專業(yè)的學(xué)生，我們要養(yǎng)成細心嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，容不得半點馬虎，一個細微的錯誤可能導(dǎo)致很大的失誤。通過這些教訓(xùn)，我們能更好的了解到白己的不足，了解一些方方面面的小細節(jié)，為我們以后的繼續(xù)學(xué)習(xí)和工作積累一筆寶貴的財富。第20頁*:本次課程設(shè)計是基于傳感器的設(shè)計，在本次設(shè)計中，圍繞著智能嬰兒看護裝置的設(shè)計，需要進行需求分析，設(shè)計思路的確定以及各個框架的設(shè)計，最終將它們進行整合。通過此次設(shè)計，我把所學(xué)的知識應(yīng)用于實踐，真正感受體會到理論與實踐相結(jié)合，在實踐中檢驗真理的思想。此次設(shè)計更加加深了我對傳感器的原理的理解。將學(xué)習(xí)