婴儿智能看护装置设计

1、传感器课程设计 课 题 名 称：婴儿智能看护装置设计 学 院：信息工程学院 专 业： 班 级： 组 员： 指 导 教 师： 时 间：实验分工*：负责温湿度模块的设计、相关资料的查找、后期文档的制作、整体思路的设计*：负责语音模块的设计、相关技术资料的搜集、参与后期文档的制作，整体框架的整理*：负责翻身检测模块设计、相关论文的收集、声光报警模块的设计目录一：绪论41.1研究背景4 1.2研究目的4 1.3研究意义4二：系统方案设计52.1项目分析5 2.1.1问题分析5 2.1.2解决思路52.2设计方案52.2.1总体设计方案6 2.2.2系统框图62.3设计采用技术72.3.1微处理器7 2

2、.3.2温度传感器7 2.3.3湿度传感器8 2.3.4语音识别技术9三：模块设计93.1温湿度模块设计9 3.1.1温度子模块设计10 3.1.2湿度子模块设计11 3.2语音模块设计.14 3.3翻身模块设计15 3.3.1震动开关特性16 3.3.2翻身检测电路16 3.4声光报警模块设计17 3.5设计总框图17四：实验总结18一： 绪论1.1研究背景中国第六次人口普查结果显示，我国6岁以下儿童有1.3亿，每年以两千万到三千万的速度在增长，03岁的婴幼儿达七千万，其中城市婴幼儿有一千多万名，根据计生委的相关研究报告，在今后10年，中国将继续保持人口生育高峰，第五波“婴儿潮也将会来临。我

3、国学前教育主要依托于幼儿园、托儿所等机构现有的幼儿园低龄教养经验少、机制不健全、设备相对薄弱，同时婴幼儿年龄过小，看护起来难度大，绝大多数幼儿园也不具备条件接收3岁以下的孩子入园，03岁的城市婴幼儿看护需求得不到满足，80%是在家庭中进行的，随着人口的增多，婴幼儿的看护将面临更加严峻的挑战。1.2研究目的基于对现代城市婴幼儿看护需求的认识，本文提出了婴儿智能看护装置的设计。通过分析看护过程中婴幼儿与看护人员的需求，将需求转化为设计语言，从而建立婴幼儿看护装置的功能框架，并设计出婴儿看护装置的模型，从而起到辅助看管的功能，缓解对婴幼儿看护压力的作用。1.3研究意义（1） 从婴幼儿的角度：在家里安

4、装一个这样的装置，婴幼儿可以在一个安全舒适的环境睡觉，能够及时解决一些婴儿出现的状况，能够与婴儿进行互动。 （2） 从家庭看护人员的角度：传统0-3岁时婴幼儿看护，主要是家中进行并且通常是24小时不离身的看护，城市年轻的父母同时还有工作生活的重大压力，通常也疲于照顾婴幼儿，许多年轻夫妻需要自己的父母帮忙看护，这也给老年人的生活带来了不便，虽然他们时间充足，但是由于长时间照看儿孙一方面精力体力不支另方面也减少了自己的自由时间，如果在家里安装一个这样的装置，能为他们缓解看护压力，也让他们有更多自己的时间。二：系统方案设计2.1项目分析2.1.1 问题分析我们本次的课程设计题目是智能婴儿看护装置的设

5、计，在满足婴儿需求的前提下尽可能的达到智能。我们选择婴儿睡眠为主要的研究方向，致力于解决婴儿睡眠过程中所遇到到的问题。婴儿在睡眠过程中主要的需要解决的问题有：婴儿尿床、婴儿哭闹、婴儿翻身。婴儿尿床是主要问题，当婴儿哭闹时能够及时与婴儿进行互动，婴儿翻身则有可能踢翻被子，导致婴儿受凉。2.1.2解决思路我们对普通婴儿床进行改造，根据发现问题，解决问题的原则。在原有的婴儿床上加入温湿度传感器来解决婴儿尿床问题；加入语音识别模块解决婴儿哭闹问题；加入翻身检测模块解决婴儿翻身问题。在此基础上再加上Baby Monitor设备实现监控婴儿的状态。2.2 设计方案本设计是以满足普通用户或者小型实验室需求为

6、目的，因此，该设计考虑的主要因素就是易于实现和成本的问题，然后再考虑保证满足常用功能的前提下，拓展设计功能，确保使用方便。结合成品婴儿看护器的特点及日常系统设计开发的需求，本文提出了如下设计方案。本方案采用基于SCT89C51单片机设计思路，外围电路以温度传感器，湿度传感器和振动开关为主，语音识别模块采用的是ICRoute公司设计生产的LD3320芯片，结合Baby Monitor设备，实现对婴儿全方位的看护。2.2.1总体设计方案系统采用SCT89C51单片机作为微处理器，DS18B20作为温度传感器对温度进行检测，HS1101作为湿度传感器与NE555组成湿度检测模块，振动开关SW-200

7、0对婴儿翻身进行检测，采用蜂鸣器实现报警功能，使用LED对测得的温度值和湿度值进行显示。使用语音识别模块对婴儿进行安抚。2.2.2系统框图本设计方案婴儿看护器的三大单元，包括为以信息采集的传感器为主要单元，信息处理的单片机为核心单元，以及声光报警单元。其硬件设计组成框图如下图所示。2.3设计采用的技术2.3.1微处理器微处理器是控制系统的核心部分。微处理器用一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。微处理器与传统的中央处理器相比，具有体积小、重量轻和容易模块化等优点。微处理器的基本组成部分有：寄存器堆、运算器、时序控制电路，以及数据和地址总线。微处

8、理器能完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，是微型计算机的运算控制部分。它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。本论文设计采用的是STC89C51作为微处理器。 STC89C51外部引脚图2.3.2温度传感器1、温度传感器的选择温度传感器的种类众多，在应用于高精度，高可靠性的场合时达拉斯公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。超小的体积，超低的硬件开销，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20更受市场欢迎。在本设计之中也采用DS18B20作为温度传感器。2、DS18B20介绍DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数

9、因分辨率不同而不同,且温度转换时的延时时间由2s 减750ms。DS18B20测温原理如图3所示。低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对 低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重 新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。 DS18

10、B20的主要特性：（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。 （2）独特的单线接口方式，DS18B20在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的双向通讯 。（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部 传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。（5）温范围55+125，在-10+85时精度为±0.5。 （6）可编程 的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现

11、高精度测温 。（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。（8）测量结果直接输出数字温度信号，以"一 线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力 。（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 2.3.3湿度传感器传统的测量温度使用干湿球湿度计，它虽然维护起来相当简单，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可，但其精度不够，误差较大。电子式湿度传感器是近几十年，特别近20年才迅速发展起来的。电子湿度传感技术由于发展快，精确度高，误差小，现在得到

12、广泛的应用，本设计中选用了电子湿度传感器HS1101检测温度。HS1101是法国Humirel公司推出的一款电容式相对湿度传感器。该传感器可广泛应用于办公室、家庭、汽车驾驶室、和工业过程控制系统等，对空气湿度进行检测。与其他产品相比，有着显著的优点。2.3.4语音识别技术语音识别模块采用的是ICRoute公司设计生产的LD3320芯片，其中LD3320芯片是一款基于非特定人语音识别技术的语音识别声控芯片该芯片集成了语音识别处理器和一些外部电路，包括麦克风接口、声音输出接口等，不需要外接辅助芯片，直接集成在现有的产品中可以实现语音识别和声控功能。三：模块设计3.1温湿度模块设计当婴儿尿床时，温湿

13、度传感器能够检测到并提示报警，发出信号给看护人。其设计框图如下所示。系统流程图如下： 3.1.1温度子模块检测温度模块采用数字温度传感器DS18B20，它能代替模拟温度传感器和信号处理电路，直接与单片机沟通，完成温度采集和数据处理。DS18B20和STC89C51结合实现最简温度检测系统，该系统结构简单，抗干扰能力强，适合于恶劣环境条件下进行现场检测温度，有广泛的的应用前景。DS18B20的外形和内部结构 DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位ROM、光刻温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。 DS18B20的外形及管脚排列如图所示。 DS18B20的外形及管脚图温

14、度检测电路采用DS18B20数字温度传感器检测温度，DS18B20与单片机是单线双向通信。其连接电路如下图所示。 DS18S20的测温电路3.1.2 湿度检测电路的设计HS1101实际上相当于一个可变电容，它会因为外部的环境湿度的变化而导致电容值发生改变，湿度检测模块采用HS1101及NE555一起组成，将该HS1101置于NE555震荡电路中，将电容值的变化转化为之呈反比的电压频率信号，可直接被计算机采集。NE555振荡器NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而55

15、5是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。其引脚功能配置和引脚功能如图所示。 NE555振荡器引脚功能图引脚序号功能引脚序号功能1电源负极5电压控制端2电源负极6电压控制端3触发输入端7阀值输入端4触发输入端8电源正极 NE555引脚表湿度检测电路采用HS1101及NE555实现对湿度进行检测，其电路连接如图所示。此电路为典型的555非稳态电路，555芯片外接电阻R4，R5与HS1101，构成对HS1101的充电回路。7端通过555芯片内部的晶体管对地短路实现对HS1101的放电电路，并将引脚2,6端相连引人到片内比较器，构成一个

16、多谐波振荡器，其中，R4相对R5必须非常的小，但绝不能低于一个最小值。R3是防止短路的保护电阻。555电路的非平衡R6作为内部温度补偿用，目的是为了引人温度效应，使它与HS1101的温度效应相匹配。其工作循环描述如下： Thigh=C(R4+R5)*ln2 T1ow=C(R4+R5)*ln2 F=1/(Thigh+T1ow)=1/(C(R4+2*R5)*ln2)该计算式中：Thigh表示一次循环输出高电平时间，单位（s）； T1ow 表示一次循环输出低电平时间，单位（s）； C表示相对湿度下HS1101的电容值，单位（法拉）； F表示输出频率值，单位（HZ）。电路工作原理：HS1101作为一个

17、变化的电容值，当电源VCC接通时，HS1101两端的电压VC=0,定时电路处于置位状态有VCC通过R4与R5对变量电容HS1101充电，当Vc达到门限电压（2/3VCC）时，定时电路转为复位状态，HS1101通过R5向555内部的晶体放电，当VC降到触发电平（1/3VCC）时，定时电路又翻转为置位状态，HS1101又开始充电，这样周而复始，形成震荡。典型频率湿度关系如下表所示（参考点：25度，相对湿度：55%，输出频率：6660HZ）。由此可以观察出来，空气相对湿度与555芯片输出频率存在一定线性关系。可以通过微处理器采集555芯片的频率，经过数据处理可以直接以相对湿度的数据进行显示。 相对湿

18、度与频率的关系：相对湿度值/（%）输出频率值/Hz相对湿度值/（%）输出频率值/Hz0735160660010722470646820710080633030697690618640685310060335067283.2语音模块设计婴儿半夜醒来，需要大人的安抚，婴儿感觉到有安全感，就能比较快地继续安稳地睡觉。针对上述的分析，系统进行如下的控制：当婴儿 已经喂饱和换完尿布后再次有比较大的动静时，在父母枕头旁边的安放一个喇叭，通过语音采集后，让喇叭发出声音，提示父母尽快察觉婴儿已经是处于一个不安的状态，需要去照顾婴儿。父母亲醒来后，并不需要起身，只需要侧身对着麦克风的方向 ，发出不同的命令 。控

19、制器通过LD3320分辨出对应的声音信号，进行相应控制。语音模块框图：LD3320语音识别过程：语音模块流程：3.3翻身模块设计 本系统是采用震动开关来检测婴儿翻身状态。本模块采用振动开关SW-18020，它是一种弹簧型无方向性振动感应器件，可以任意角度触发。在静止时任何角度都为开路OFF状态，当受到外力碰撞或者大力晃动时，弹簧变形和中心电极接触导通使两个引脚瞬间导通为ON状态，当外力消失时，电路恢复为开路OFF状态。其实物图如下所示。 振动开关实物图3.3.1振动开关的特性特性表如下：1、本开关在静止时为开路（OFF）状态，当受到外力踫撞而达到适当振动力时，或移动速度达到适当离心力时，导电接

20、脚会产生瞬间导通（ON）状态，使电特性改变，而当外力消息时，电气特性恢复开路（OFF）状态。2、无方向性，任何角度均可触发工作。3、型号末位有P字为完全封密式封装可防水，防尘。4、触发灵敏度可依电路需要选用适当的灵敏度开关。5、本开关使用于小电流电路的触发。3.3.2 翻身检测电路采用振动开关SW-18020检测婴儿翻身状况，当婴儿翻身时，就会触动振荡开关，系统显示高电平，触动报警单元，引起看护人员注意。其电路连接如下图所示。3.4声光报警模块本系统需要将测得的温度值和湿度值显示出来，并对值进行处理，判断其是否超出最大承受范围，若超出，则需要报警。对于控制系统，当湿度和温度超出一定设定范围时，

21、需要对湿度和温度进行调节，以保证婴儿的身体健康。因此，本课题设计了报警电路及LED显示电路，能及时反映婴儿的现状，实现对监控对象婴儿的控制，以便监护人员及时回到婴儿身边，给予照顾。在本设计中，声光报警单元细分为LED灯显示控制模块和蜂鸣器报警模块。led灯显示控制模块和蜂鸣器报警模块实现的是报警和显示功能，即声和光的报警。外围电路led灯显示控制模块最终可以将要显示的数据，直接用led灯亮灭来代表产生高低电平显示出来，并迅速触发声光报警器，省去了单片机的处理过程，能及时反映婴儿的现状、实现了对监控对象婴儿宝宝的控制，加快数据的处理速度和节约硬件成本。3.5 设计总框图将温度检测模块，湿度检测模

22、块以及翻身检测模块三部分整合在一起，完成数据的采集，实现对婴儿的监控功能。其结构总框图如下图所示。实验总结*：从这次课程设计里我不仅从理论上去求知认知，还需从实际即实践当中探索，从中加深了对电路，原件及电路图的了解与认识，而且还及时、真正的做到学以致用。另外，通过这次的课程设计还使我发现仅凭我现在的知识和水平还无法全面完成整体设计；其次，我掌握了常用电子器件的类型和特征；还有就是培养了自己解决问题和思考问题的能力；也提高了严肃认真的工作作风和严谨的科学作风。本课程设计是我和同学协同合作完成的。在这个过程中遇到了许多的困难，通过与陈老师和同学的交流，最终都解决了。陈老师严肃的科学态度，严谨的治学

23、精神，精益求精的工作作风以及渊博丰富的专业知识，深深地感染和激励着我。从课题的选择到设计的最终完成，陈老师都始终给予我们细心的指导和不懈的支持。在这当中我也有很多收获，这些收获使我深刻体会到以后无论做什么事情都要具有良好的专业素质，遇事不要浮躁，作为网络专业的学生，我们要养成细心严谨的工作作风，容不得半点马虎，一个细微的错误可能导致很大的失误。通过这些教训，我们能更好的了解到自己的不足，了解一些方方面面的小细节，为我们以后的继续学习和工作积累一笔宝贵的财富。*：本次课程设计是基于传感器的设计，在本次设计中，围绕着智能婴儿看护装置的设计，需要进行需求分析，设计思路的确定以及各个框架的设计，最终将它们进行整合。通过此次设计，我把所学的知识应用于实践，真正感受体会到理论与实践相结合，在实践中检验真理的思想。此次设计更加加深了我对传感器的原理的理解。将学习到的知识广泛应用现实生活中，这激发了我对传感器技术兴趣。 在课程设计过程中，我们得到了很多同学的帮助，有一些想法不仅仅是由我们小组成员提出的，同学们像我们提出了很多很好的建议，让我