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1、基于单片机的监控电子婴儿床系统【摘 要】 自从我国开展计划生育以来，很多家庭基本都是独生子女，所以对独生子女的培养倾注了大量的心血，这其中对新生婴儿的照顾更是无微不至。由此催生了月嫂、保姆等家政行业的迅速发展。年轻的爸爸妈妈面临着巨大的生活压力，白天需要上班，不得不聘请保姆在家照顾孩子，但又时常担心孩子没能受到保姆及时的照料。本文主要设计了一个基于单片机的监控电子婴儿床，该系统借由声控系统、温度、湿度采集电路采集不同的场景信息，使用系列的单片机作为此婴儿床的系统的控制单元，可根据不同的情况控制电路中的LED灯和蜂鸣器通知保姆及时发现孩子问题，若孩子问题没能及时得到解决，短信模块将发送不同的场景
2、信息给孩子的监护人，从而让孩子的监护人实时了解小孩的受照顾情况。【关键词】单片机；声音控制电路；GSM 短信监控；绝对温度、绝对湿度；1.引 言人们对智能化的生活越来越向往，加之，移动通信是达到通信最终目的的有效手段，它在商业市场上所具有的巨大潜力已经越来越多地被人们所认识1。同时单片机完成了由模拟电路和数字电路的传统设计模式过渡到以软件设计为主体的微控制技术时代。使得单片机在各种各样的生活场景中得到了广泛的应用。所以催生了我利用单片机，再结合移动通信做出这款基于单片机的监控电子婴儿床系统的想法。现阶段，在大部分的中国家庭中都拥有独生子女，中国家长们对独生子女的照顾和呵护可谓到了无微不至的地步
3、。“喂好孩子，好好地爱护他”，这可能是一个还不错的医生对父母的忠告2 。一个孩子从婴儿到儿童，再到青年，然后再到自立，这一个期间父母无时无刻不在付出和投入心血。特别是婴儿时期的投入，年轻的爸爸妈妈们缺少照顾婴儿的经验并且面临着巨大的生活压力，不得不聘请保姆来照顾婴儿。但对孩子与生俱来的爱，又使他们担心孩子得不到保姆及时的照顾。目前市场上的婴儿床产品都无法满足父母对保姆照顾孩子不周的担忧，所以才有了我做这款产品的想法。该婴儿床设计针对现阶段独生子女父母对保姆照顾婴儿不周的担忧，利用单片机的控制技术，并结合GSM短信监控设计出具有监控功能的电子婴儿床系统。当出现父母担忧的几种情况时，该系统在一定的
4、时间之后会自动发送短信给孩子监护人，从而让监护人实时了解孩子的情况，能够安心工作。该婴儿床系统具有价钱便宜、功能实用、工作稳定可靠等优点。我设计的这款监控婴儿床，外观上尚需润色不少，比如步进电机实现摇床功能要怎么具体的实现，此系统中只用步进电机来模拟；还有具体的婴儿床模型没有做出来；温度传感器和湿度传感器放置在哪里效果最佳，并能实现所要求的功能。但设计的GSM短信监控功能，能够很好的满足婴儿父母的心理跟生理上的需求。2.系统结构设计2.1 系统框图图2-1 系统结构图图2-1为本系统的系统结构图，由图可见该系统由9部分组成：微控制器： 因为AT89S52是一种低功耗、高性能COMS8位微控制器
5、，具有8K在系统可编程flash存储器3。采用AT89S52系列单片机作为系统核心芯片，依据系统收集到的信号做出相对应的数据处理动作和控制操作动作。声控电路： 该电路负责对超过一定分贝声音的采集，从而达到启动步进电机的条件。温度采集电路： 该电路负责采集相应的环境温度，并送达微控制器进行处理。湿度采集电路： 此电路用来采集相应的环境湿度，传递到相应的模块进行处理。步进电机： 用该模块来模拟婴儿床摇动的功能。LED灯： 在该系统中LED突然发出的亮光能够实现提醒保姆及时照顾婴儿，查看是否尿床或者没有盖被子等情况蜂鸣器： 在此系统中蜂鸣器发出警报声，用来提醒保姆及时查看婴儿是否尿床或者踢被子等情况
6、发生。GSM模块： 该模块与单片机通过杜邦线相连，单片机采集到相应的信号，根据不同信号做出不同的数据处理，在一定的条件下，控制该模块做出朝相应的手机发送短信的命令。系统供电电路：为报警系统的工作提供稳定的直流稳压电源。2.2 系统功能 系统开始工作后，电子婴儿床系统会根据下列出现的不同情况，做出不同的处理： 1.每次婴儿在晚上号哭时通过声音控制电路控制电机自动晃动，当婴儿的哭声大于一定分贝时，启动晃动系统，晃动速度可调；2.声控模块可以由开关控制启动和关闭；3.每次孩子撒尿导致被子湿了时，通过湿度感应器的信号启动自动报警，蜂鸣器启动发声，LCD上显示WET；4.温度传感器在婴儿被窝进行自动测温
7、，当温度低于正常值时会自动发出报警信号通知看护者及时给婴儿盖被子。蜂鸣器报警，LCD上显示温度。5.带GSM模块。当尿床超过3分钟没处理得话（即保持尿床的那个湿度超过3分钟），发送短信到指定手机，并显示内容：您的孩子尿床了;当孩子哭超过3分钟（即声控电路控制的电机运行超过了3分钟），发送短信到指定手机，并显示：您的孩子哭了。2.3 系统方案论证2.3.1 主控制芯片的选择与论证主控制芯片我首选我比较熟悉的AT89S52-24PU的单片机，用这款芯片最关键的因素在于使用该芯片在能够实现本系统所有功能的基础上，能够做到成本最低化，避免浪费，用最少的钱，做最好的产品。基于此，我选择该系列的单片机作为
8、本系统的主控制芯片。2.3.2报警系统的选择与论证因为声光报警是一种比较传统的报警方式，所采用的主要是蜂鸣器和发光二极管14，所以警系统我采用的是LED发光报警和蜂鸣器报警声光相结合的报警系统，再者还有GSM延时报警等3种报警方式相结合的形式。为什么要用到这3种报警方式呢？因为所针对的报警人群不同。声光报警所针对的人群是婴儿就近的照顾者，以最快的速度提醒保姆婴儿实时的状况，这其中包括婴儿是否哭；婴儿是否尿床；婴儿是否踢被子。利用GSM网络进行防盗报警具有距离障碍较小，报警所覆盖的区域较广等优点5,所以GSM延时报警所针对的是远在写字楼上班的婴儿父母，若孩子能够得到保姆及时的照料，他们将不会得到
9、短信提醒，证明这个保姆是可以信赖的，他们的孩子得到了及时的照顾；若他们经常得到报警短信，则他们可以根据具体情况，考虑更换保姆了。3系统硬件设计3.1 单片机最小系统的设计单片机最小系统由AT89S52系列芯片、晶振电路和复位电路等子电路组成。如图3-1，AT89S52芯片，在P00-P07引脚接入一个排阻。这个做法不仅简化了PCB的设计、安装，减小空间，还保证焊接质量。在本系统中使用两个30PF的瓷片电容和一个12MHz的晶振构成系统晶振电路，来提供系统所需的时钟脉冲。图3-2 晶振电路图3-3 复位电路在本系统中使用一个独立按键S4、一个10K欧电阻R3和一个10uf的电容组成系统复位电路。
10、AT89S52单片机RESET复位引脚连接独立按键S4， 10K欧电阻R3两端分别接地和AT89S52的RST引脚，10uf电容CR1两端分别接电源VCC和RST复位引脚。单片机的RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效6 。图3-1 单片机最小系统3.2 声控电路的设计 声控电路算是本系统中比较重要的一个子电路，该电路由主要由直插电容式驻极体话筒MIC1、双电压比较器集成电路LM393、发光二极管D2、1uf电容C1、三极管Q1、电阻R4-R10组成。LM393是常用的电压比较器，每个LM393芯片中共有两个电压比较器7。发光二极管的亮度会随着直插电容式驻极体话筒采集的声音的大小产
11、生明亮变化，声音越大，发光二极管越亮。通过声控电路与步进电机驱动电路连接起来，即能实现：1.每次婴儿在晚上号哭时通过声音控制电路控制电机自动晃动，当婴儿的哭声大于一定分贝时，启动晃动系统，晃动速度可调；图3-2 声控电路3.3蜂鸣器报警电路的设计如图3-3，该电路较简单，由蜂鸣器SPEAK1、三极管Q2和电阻R11组成。三极管Q2的发射极连接着电源VCC，基极连接1K欧的电阻R11，并连接到单片机的P24引脚，集电极接蜂鸣器的一端，另一端接地。不同的限流电阻会对蜂鸣器的声音大小产生影响。当单片机I/O口由高电平转化为低电平后，三极管进入工作状态，电路中的电流形成了一个回路，蜂鸣器即开始鸣叫了。
12、图3-3 蜂鸣器报警电路3.4 独立按键电路的设计如图3-4，系统中一共使用了三个独立按键：S1、S2和S3。其中S1连接单片机的P13，实现额定温度的加量和voice功能的开启；S2连接单片机的P14，实现额定温度的减量和voice功能的关闭；S3连接P15，用来实现功能的切换和选择。图3-4 独立按键电路3.5 模拟摇床（步进电机驱动电路）的设计本系统采用步进电机驱动电路来模拟摇床系统，由声控电路来触发。如图3-5步进电机28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC5V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。因为单片机的I/O口电流太小，无法驱动步进电机工作，因而要
13、连接一个ULN2003实现电流的放大作用8。ULN2003的1B-4B端口分别连接单片机的P20-P23，端口1C-4C分别接到相对应的电机接口B、C、D、V。图3-5 步进电机驱动电路3.6 短信发送和短信接收电路的设计短信发送和短信接收采用西门子公司生产的GSM无线通信模块TC35，因为这个型号的GSM模块与单片机可以通过TTL电平与单片机实现通信，所以可以将GSM模块通过杜邦线与单片机直接相连。这个模块的工作电压在3.3V至5.5V，它可以工作在900MHz和1800MHz两个频段，所在频段功耗分别为2W(900M)和1W(1800M)9。该模块支持文本格式和PDU模式的短消息，使用单片
14、机或者PC机控制其收发短信时需要采用一系列的AT指令11。另外该模块具有自启动的功能，模块上电后会有一个初始化的过程，当模块网络注册成功后信号指示灯的闪烁随即会发生变化，模块即可正常工作。另外该模块通过独特的40引脚的ZIF 连接器，实现电源连接、指令、数据及控制信号的双向传输12。4系统软件设计4.1 系统主流程图程序框图如图4-1，通电开机时，程序开始，初始化系统的程序。单片机的程序开始时，若所测温度低于设定好的温度值，蜂鸣器报警，LCD显示当前所测温度，否则系统无反应。若所测湿度高于设定好的湿度值，蜂鸣器报警，LCD显示WET，否则系统无反应。若所测湿度值高于设定好的湿度值大于3MIN，
15、则系统自动发送短信给监护人手机，短信内容为：您的孩子尿床了！在声控开关开启（即VOICE ON）的条件下，采集到的声音大于额定的分贝 ，系统启动步进电机，实现模拟摇床功能；若电机持续运行3MIN，则系统自动发送短信给监护人手机，短信内容为：您的孩子哭了！图4-1 系统主流程图5 制作工艺与调试5.1 制作工艺5.1.1原理图和PCB图的绘制因为在此之前只做过一次万年历，还有一次循迹小车，循迹小车还不是一个非常完美的作品，所以本次设计中使用Protel99SE进行原理图的绘制，还是费了我挺大的力气的，没办法，动手实践实在太少了。在该软件平台中放置所需要使用的各种元件，还要在旁边进行适当的文字标注，随后将他们用电气线一一进行准确的连接，并进行恰当的排版布局，原理图就设计好了。随后，我利用这个软件绘制PCB。在绘制的过程中发现，有许多元件的封装在这个软件的库中找不到。在这种情况下，我使用直尺量取元器件的相关长度数据，自己绘制元件封装，并将其存入到自己要使用的元件库中。在对放置的各个焊盘标记好网络号之后，就开始布线了。在PCB板
