湯鵬飛，任玄明，李建榮，薛亞平

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

基于單片機(jī)的寶寶智能呵護(hù)器的設(shè)計(jì)

湯鵬飛，任玄明，李建榮，薛亞平

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

本設(shè)計(jì)采用STC低功耗增強(qiáng)型51單片機(jī)作為控制器，采用醫(yī)用高精度體溫傳感器和高精度數(shù)字式溫度傳感器進(jìn)行寶寶體溫和環(huán)境溫度測(cè)量，一旦測(cè)量結(jié)果異常則報(bào)警提示。本設(shè)計(jì)有效解決了寶寶看護(hù)過程中溫度監(jiān)控的問題，減輕了寶寶看護(hù)人員的工作量，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

寶寶呵護(hù)器；單片機(jī)；體溫測(cè)量；環(huán)境溫度測(cè)量；報(bào)警提示

引言

2015年兩會(huì)上，李克強(qiáng)總理在政府工作報(bào)告中指出要把“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”打造成推動(dòng)中國(guó)經(jīng)濟(jì)繼續(xù)前行的“雙引擎”之一，在神州大地上掀起了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的新浪潮。隨著“二孩”政策的全面放開，孩子的問題再次成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。其中，“帶孩子”一直是家長(zhǎng)最關(guān)注也是最頭疼的問題。本設(shè)計(jì)是專為愛心小寶貝設(shè)計(jì)的一款具有體溫檢測(cè)、被窩溫度檢測(cè)以及實(shí)時(shí)報(bào)警提示等功能的智能愛心寶貝呵護(hù)器，功能新穎，使用方便，具有較高的實(shí)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。

1 工作原理

寶寶智能呵護(hù)器將體溫監(jiān)測(cè)、環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)、報(bào)警提示等多種功能集于一身，是一種新型的可穿戴設(shè)備。硬件系統(tǒng)由智能控制器、環(huán)境溫度測(cè)量、體溫測(cè)量、報(bào)警等模塊組成，可以不間斷測(cè)量環(huán)境溫度、寶寶體溫。當(dāng)環(huán)境溫度過低或過高時(shí)，呵護(hù)器將報(bào)警提示家長(zhǎng)給寶寶增減衣物；當(dāng)測(cè)量到寶寶體溫異常時(shí)及時(shí)報(bào)警，提示家長(zhǎng)進(jìn)行相應(yīng)的處理[1][2]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 智能呵護(hù)器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)的核心控制器選用STC低功耗增強(qiáng)型51單片機(jī)15W404，此款單片機(jī)工作電壓寬，功耗低，可以直接采用鋰電池供電。內(nèi)部集成時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及看門狗電路，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件電路，系統(tǒng)時(shí)鐘工作頻率可以在下載程序時(shí)設(shè)定，精度比外接時(shí)鐘電路高。此外，此款芯片為1T型51單片機(jī)，理論運(yùn)行速度為傳統(tǒng)12T單片機(jī)的12倍，完全滿足本系統(tǒng)對(duì)控制器的要求。

實(shí)時(shí)時(shí)間的獲取選用RTC管理芯片DS1302。此款芯片具有自動(dòng)計(jì)秒、分、時(shí)、日、周月、年功能，只需要設(shè)定好當(dāng)前時(shí)間，芯片內(nèi)部將根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)走時(shí)，使用此芯片可以大大減輕CPU的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也降低軟件開發(fā)的復(fù)雜度。

體溫測(cè)量選用專用的醫(yī)用體溫傳感器，如圖2所示。此傳感器溫度測(cè)量時(shí)間不超過1秒鐘，測(cè)量精度可達(dá)0.02℃，測(cè)量誤差不超過±0.05℃，完全滿足測(cè)量準(zhǔn)確度的要求，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信[3]。

圖2 醫(yī)用體溫傳感器

環(huán)境溫度測(cè)量選用高精度數(shù)字式溫度傳感器，溫度測(cè)量時(shí)間不超過750毫秒，測(cè)量誤差不超過± 0.5℃，反應(yīng)靈敏，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)備可靠[4]。

此外，智能呵護(hù)器可以設(shè)定環(huán)境溫度報(bào)警提示的溫度范圍，當(dāng)環(huán)境溫度高于溫度上限或低于溫度下限時(shí)，呵護(hù)器會(huì)立即報(bào)警提示[5]，如圖3所示。寶寶看護(hù)人員可以根據(jù)提示實(shí)時(shí)給寶寶增減衣服，可以有效避免寶寶過熱不舒服或者過冷受涼生病。

圖3 溫度上下限自行設(shè)定報(bào)警提示

圖4 智能呵護(hù)器電路原理圖

在明確系統(tǒng)關(guān)鍵器件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路，如圖4所示。圖4中STC15W404AS為系統(tǒng)核心控制器，DS1302芯片為實(shí)時(shí)時(shí)間管理芯片，DS18B20芯片為環(huán)境溫度采集芯片，R20為體溫采集傳感器，Head6為OLED顯示器的接口電路，Buzzer為報(bào)警提示的蜂鳴器，兩只微動(dòng)開關(guān)為功能鍵和調(diào)節(jié)鍵，用于系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求以及系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)軟件工作流程包括系統(tǒng)初始化、實(shí)時(shí)時(shí)間讀取、環(huán)境溫度檢測(cè)、體溫檢測(cè)、預(yù)警提示等工作流程[6]。系統(tǒng)軟件工作流程如圖5所示：

系統(tǒng)初始化過程是系統(tǒng)對(duì)資源進(jìn)行分配、定義、設(shè)定等操作的過程，在此過程中需要完成RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的初始化、環(huán)境溫度傳感器的初始化、AD轉(zhuǎn)換初始化等過程。

讀取時(shí)間流程主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)間的更新，通過讀取DS1302指定單元的數(shù)據(jù)獲取年、月、日、時(shí)、分、秒等信息，并實(shí)時(shí)更新顯示[7]。時(shí)間讀取程序段如下所示：

……

nian=Read_DS1302(0x8d);

yue=Read_DS1302(0x89);

ri=Read_DS1302(0x87);

shi=Read_DS1302(0x85);

fen=Read_DS1302(0x83);

miao=Read_DS1302(0x81);

……

測(cè)量環(huán)境溫度流程實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的獲取，通過讀取數(shù)字式溫度傳感器DS18B20轉(zhuǎn)換結(jié)果獲得。溫度數(shù)據(jù)讀取過程為固定流程，首先初始化DS18B20，然后依次發(fā)送0xCC和0x44指令，短暫延時(shí)后再次初始化，然后依次發(fā)送0xCC和0xBE指令，最后連續(xù)讀取兩個(gè)字節(jié)的溫度高低位數(shù)值獲得溫度值。具體編程過程中，根據(jù)最終需要的溫度值精度要求進(jìn)行高低位數(shù)據(jù)合并，得出實(shí)際溫度值，DS18B20最小溫度變化階躍為0.0625攝氏度。

體溫測(cè)量流程通過對(duì)高精度體溫專用溫度傳感器溫度轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，換算出溫度傳感器的電阻值，根據(jù)溫度傳感器電阻值與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系，換算出當(dāng)前的體溫?cái)?shù)據(jù)，此操作核心是AD轉(zhuǎn)換，AD轉(zhuǎn)換函數(shù)如下所示：

BYTE GetADCResult(BYTE ch)

{

ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ch| ADC_START;

_nop_();//等待4個(gè)NOP

……

while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG));//等待ADC轉(zhuǎn)換完成

ADC_CONTR&=～ADC_FLAG； //CloseADC

return ADC_RES； //返回ADC結(jié)果

}

根據(jù)環(huán)境溫度測(cè)量流程的結(jié)果，比對(duì)環(huán)境溫度報(bào)警上下限值，決定是否報(bào)警提示家長(zhǎng)給寶寶增減衣物。根據(jù)體溫測(cè)量流程測(cè)得的結(jié)果，比對(duì)人體體溫正常溫度范圍，決定是否報(bào)警提示寶寶體溫異常，從而達(dá)到替家長(zhǎng)看護(hù)寶寶冷暖的目的。

4 結(jié)語

基于單片機(jī)的寶寶智能呵護(hù)器是集環(huán)境溫度測(cè)量、體溫測(cè)量、數(shù)據(jù)異常報(bào)警等功能于一身的智能寶寶保姆，在它的幫助下可以及時(shí)監(jiān)測(cè)寶寶的體溫，環(huán)境溫度，并自動(dòng)給予提示報(bào)警，有利于寶寶的健康成長(zhǎng)。此呵護(hù)器功能新穎，具有較高的實(shí)用價(jià)值[8]。

[1]范江波，楊麗.基于STC11F04E的智能限電器設(shè)計(jì)[J].三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012.6(2):53-55.

[2]Active Low-Pass Filter Design[G].Application Report SLOA049A -October 2010 Texas Instruments.

[3]馮雅莉，郝寧生.基于單片機(jī)的全自動(dòng)智能魚缸清理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].韶關(guān)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015.8(4):22-26.

[4]湯鵬飛，李建榮，薛亞平.基于單片機(jī)的城市公共長(zhǎng)凳智能清潔器的設(shè)計(jì)[J].重慶電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2016.6(3):1-4.

[5]孫立輝，王海.基于單片機(jī)的宿舍多功能用電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016.2(4):135-139.

[6]宋春煥，楊雪芹，王麗娟.基于STC單片機(jī)油路控制器的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電信息.2016.9(18):152-154.

[7]Kam M,Zhu Q.Optimal data fusion of correlated local decisions in multiple sensor detection system [J].IEEE Trans.AES.1988,18(5): 916-920.

[8]李建榮，錢松.基于VFD顯示觸屏定時(shí)器的分析與設(shè)計(jì)[J].江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012(6):9-12.

The Design of Smart Baby Monitor Based on MCU

TANG Peng-fei,REN Xuan-ming,LI Jian-rong,XUE Ya-ping
(Yangzhou Polytechnic Institute,Yangzhou 225127,Jiangsu)

This design uses the 51 MCU of low power enhancement as the controller,and adopts the medical high-precision temperature sensor and the high-accuracy digital temperature sensor to measure the baby's body temperature and the ambient temperature When the abnormal measurement result appears,the monitor will alarm at once.This design effectively solves the problem of temperature monitoring during baby care,and reduces the workload of child-caring staff,so this design is of high practical value.

baby monitor;MCU;body temperature measurement;ambient temperature measurement

TB472

A

1671-5004（2017）02-0011-03

2017-1-13

江蘇省2016年高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃立項(xiàng)項(xiàng)目“一款智能愛心寶貝呵護(hù)器的設(shè)計(jì)與制作”（項(xiàng)目編號(hào)：201613754003Y）

湯鵬飛（1996-），男，江蘇邳州人，揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，研究方向：電子信息工程技術(shù)。