基于单片机应用的智能婴儿车

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　　摘  要：以单片机为智能婴儿车的控制核心，主要由环境监测系统、智能安全服务系统两大系统组成。其中环境检测系统功能包括：通过采用温度、湿度、光照强度、PM传感器来实现对周围环境数据指标的实时监控;安全服务系统功能包括：智能检测婴儿尿床，根据光照强度来实现对婴儿车罩的制动开关，智能充电。智能婴儿车紧跟当下技术潮流，采用最具稳定的51系列单片机作为控制中枢，结合物联网相关技术，采用单元化控制，将各部分功能通过不同传感器独立化，将技术与家长需求完美融合，最大程度方便和减轻家长带婴儿的负担。
　　关键词：单片机;智能婴儿车;环境检测;安全服务;物联网;传感器;独立化
　　中图分类号：TM383         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）03-0035-02
　　Abstract： With the single-chip microcomputer as the control core of the intelligent stroller， it is mainly composed of two systems： the environmental monitoring system and the intelligent safety service system. The functions of the environmental detection system include： the real-time monitoring of the surrounding environmental data indicators is realized by using temperature， humidity， light intensity and PM sensors; the safety service system functions include： intelligent detection of baby bed-wetting， braking switch of baby carriage cover according to light intensity， and intelligent charging. The intelligent baby carriage closely follows the current technology trend， using the most stable 51 series single-chip microcomputer as the control center， combining the related technology of networking， and using unit control， performing each part of the function through different sensors independent， the perfect integration of technology and the needs of parents， so as to minimize the burden of parents with babies.
　　Keywords： single chip microcomputer; intelligent stroller; environmental detection; security service; Internet of things; sensor; independence
　　1 概述
　　智能嬰儿车主要有两大系统组成：智能环境检测系统、智能安全服务系统。其中环境检测系统包括对温度、湿度、光照强度、环境PM2.5的数据采集并显示在屏幕上。对环境的检测可以让家长实时的了解到孩子所处的环境状况，当不适宜时能够快速做出改变。安全服务系统包括：可遮光车罩制动升降系统、安全智能充电系统、太阳能供电系统、婴儿尿床报警系统。这些功能不仅提高了婴儿的舒适度，也在很大程度上减少了父母的负担。
　　2 系统功能概述
　　2.1 智能环境检测系统
　　本系统由一个STC89C51单片机单独控制，片内各部件通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统微型计算机结构模式，但CPU对各种外围部件的控制是采用特殊功能寄存器SFR的集中控制方式[1]。
　　几组传感器原理：温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。低功耗片上温度传感器，将与温度成正比的电流输入到振荡器，产生与温度成正比的频率，再利用计数器来实现频率到数字的转换[2]。湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类[3]。PM2.5传感器光学方法分为红外法和激光法两种方法，本次我们使用的为红外法，红外法由于光线强度不够，只能用浊度法测量。
　　最后将上述传感器所测量的值显示出来，显示屏连接在单片机输出端口，接收来至各个传感器所收集到的数据。
　　2.2 智能安全服务系统
　　2.2.1 制动升降装置
　　该装置用于可遮光车罩制动升降系统，装置的核心是采用12V-5A步进电机带动车罩的升降。而本装置的创新之处在于车罩的升降是由感光元件进行控制，及感光元件控制步进机的转动。感光元件中受光可增加电荷量，这些电荷量在外加电场的作用下， 自由电子受正电荷的吸引奔向电源的正极， 空穴则奔向电源的负极， 由此形成电流， 从而促使电路中的电流增大[4]。利用智能环境检测系统中的光照感应元件，连接出第二引脚接入本系统控制中枢。设定某一光照值Lx1，当光照感应元件超出设定值Lx1时，控制中枢发出高电平信号，步进机正转带动车罩下降;此时若光照值小于设定值Lx2，控制中枢发出低电平信号，步进机反转带动车罩上升。若在光照值没有达到设定值时，人为想降下或是升起，也可按取消按键，进行人工操作。 　　步进电机由光照感应器控制，由直流电提供动力。步进电机的速度控制是通过单片机发出的步进脉冲频率来实现， 对于软脉冲分配方式， 可以采用调整两个控制字之间的时间间隔来实现调速， 对于硬脉冲分配方式， 可以控制步进脉冲的频率来实现调速[5]。通常步进电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生矢量磁场。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的电信号顺序来控制步进电机的转动。利用这一原理我们就能根据高低电平来控制步进电机的正转与反转。
　　2.2.2 智能电源
　　采用硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟[6]，太阳能供电装置安置在婴儿车前方下部，在外出时将其拉出，可以在行驶中制动充电，免去了充电器插电源的繁琐性。为了在阴雨天也能够供电，我们在婴儿车的底部安装了储蓄电池，将电能储蓄在电池中以便在没有太阳天的使用。更可以在直接用家庭220V电源为蓄电池直接充电。
　　2.2.3 智能充电装置
　　该装置在车的后方显示屏旁边，接有3个USB接口，在父母推婴儿上街时，如果父母手机没电，可以临时为手机充电。更可以为诸多智能用品临时提供电源，保证出行电量安全。无外接充电时电路处于断开状态，当有充电装置插入，连通电路使之电路通电。该电路设计主要参考安全插座的设计理念;电流支路检测是用于插座空闲时，提供一个微弱电流检测待接负载，是否正确连接用户供电的同一相零回路，若有漏电或人体电阻存在，使其发出控制电压，使下级电路不工作[7]。
　　2.2.4 婴儿尿床报警系统
　　该装置一直饱受各界争议，担心当婴儿尿湿时会漏电对婴儿造成伤害。在此完全不用担心此类事情发生，因为在该装置中采用低电位控制电阻式湿度传感器，将湿度传感器作为模拟数字电路，在干燥环境下电路中电阻很大，电流几乎忽略。当有水滴或是湿度很大时，湿度感应器电阻变小，电路导通，导通后模拟电路会发出高电位到控制中枢，控制中枢接受高电位后，再向蜂鸣器发出模拟信号，蜂鸣器接受控制信号，然后发出声音来提醒家长婴儿尿床。
　　我们采用压电式蜂鸣器，压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。当接通电源后（1.5～15V直流工作电压），多谐振荡器起振，输出1.5～2.5kHz的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。当发声时我们给它的电压值控制在1.5V-3V之间，可见这一电压对人体绝对是安全的[8]。
　　3 功能测试及结果分析
　　结合各模块功能与原理分析，各个模块间功能的相互配合程度，以及各个模块是否完全遵从核心程序的调用。整套系统由C51单片机进行控制，各感应模组分工合作，经过对智能婴儿车测试可以实现如下功能：
　　（1）能够对智能婴儿车周围102m的环境质量监控并将数据显示在婴儿车所载的显示屏上。让家长实时了解周围环境状况。
　　（2）当光照强度大于某值时，车罩制动放下，当光照强度小于某值时车罩制动升起。
　　（3）太阳能板为蓄电池充电供其整车系统用电，并在出门时为父母提供应急移动电源。
　　（4）智能监控婴儿是否尿床，当婴儿尿床时提醒父母为其更换尿布。
　　4 结束语
　　在本次制作过程中，我们共实现了智能环境检测系统、智能安全服务系统两大功能系统，在两大功能系统的基础上我们继续实现了对常见环境指标（温度、湿度、PM2.5、光照强度）的检测功能，和安全服务系统包括：可遮光车罩制动升降功能、智能充电功能、婴儿尿床报警功能。这些功能的实现极大方便了家长带婴儿的负担，同时也提高了婴儿的舒适度和安全度。
　　在本课题的制作过程中不仅对技术方面有了更深一层的了解，也在制作过程中锻炼了我们专业研究能力和团队合作的能力。过程总会充满各种不可预测的困难，我们只有不怕艰辛，勇于创新、敢于探索才能在困难中取胜。这种不怕吃苦的精神是在我们平时无法体会得到的，只有在实际的过程中我们才能逐步培养这种精神，并将其内化于心外化于行。整个制作过程也是对我们将来工作的一个良好铺垫，培养了我们“寻找问题、发现问题、解决问题”的良好工作素养。
　　参考文献：
　　[1]张毅刚.单片机原理与应用设计[M].北京：电子工业出版社，2015：13-14.
　　[2]张祎，何洪楷，赵野，等.一种工艺误差校准的低功耗温度传感器[J].微电子学，2019，49（03）：360-365.
　　[3]华仔.湿度传感器工作原理[Z].华强电子网，2017.
　　[4]马爱霞，梁妍.光敏电阻及其应用[J].科技资讯，2017，15（14）：33+35.
　　[5]常毅.基于单片机的步进机控制研究[J].制造业自动化，2011，33（09）：16-18+64.
　　[6]曾群，白占旗，刘武燦，等.电子化学品在光伏电池产业中的应用及发展[J].低温与特气，2019，37（05）：1-6.
　　[7]陈俊，李祥.人体智能安全插座设计[J].电源学报，2012（01）：80-83.
　　[8]刘光林，吴志明，沈礼胜.蜂鸣器控制电路及蜂鸣器[P].中国：CN207690234U，2018.
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