河北理工大學(xué)信息學(xué)院 摘要 ix2功能與設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)功能要求在家庭中，嬰兒的安全與舒適是父母最為關(guān)心的問題，為了提升嬰兒照護(hù)的智能化水平，本文設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的智能嬰兒車，該嬰兒車集成了多種傳感器和模塊，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)嬰兒的狀態(tài)，并根據(jù)預(yù)設(shè)條件作出相應(yīng)的反應(yīng)，智能嬰兒車的設(shè)計(jì)旨在滿足以下核心功能需求：嬰兒狀態(tài)監(jiān)測(cè)：通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)嬰兒是否哭鬧、是否被抱走、是否尿床、是否發(fā)熱以及環(huán)境光照是否過高。體溫監(jiān)測(cè)與報(bào)警：利用溫度傳感器檢測(cè)嬰兒體溫，一旦超過預(yù)設(shè)閾值，立即通過語音模塊播報(bào)警告信息。尿布濕度檢測(cè)：通過水滴傳感器檢測(cè)尿布濕度，發(fā)現(xiàn)尿濕時(shí)及時(shí)播報(bào)提醒更換尿布?？蘼暟矒幔郝曇魝鞲衅鞅O(jiān)測(cè)嬰兒哭聲分貝，超過設(shè)定值時(shí)自動(dòng)播放安撫音樂。障礙物檢測(cè)與避障：紅外傳感器檢測(cè)前方障礙物，遇到障礙時(shí)啟動(dòng)舵機(jī)進(jìn)行剎車操作。布防與撤防模式：通過按鍵切換布防模式，布防狀態(tài)下，利用壓力傳感器監(jiān)測(cè)嬰兒是否在車內(nèi)，一旦被抱走即發(fā)出警告。光照調(diào)節(jié)：光敏電阻檢測(cè)環(huán)境光照強(qiáng)度，超過設(shè)定值時(shí)，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)遮光簾自動(dòng)閉合。用戶交互：通過LCD1602顯示屏實(shí)時(shí)顯示溫度、光照、分貝這些關(guān)鍵參數(shù)，并提供按鍵接口供用戶設(shè)置各項(xiàng)閾值及控制布防模式。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本智能嬰兒車系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，以多傳感器信息采集單元、語音播放及人機(jī)交互單元等外圍電路，通過融合運(yùn)動(dòng)控制、信號(hào)處理、模式識(shí)別等多種技術(shù)，構(gòu)建了一套集環(huán)境感知、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、安全防護(hù)、娛樂互動(dòng)等為一體的智能化嬰兒看護(hù)系統(tǒng)。單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中樞，負(fù)責(zé)對(duì)各功能模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度，語音芯片、LCD顯示屏、報(bào)警蜂鳴器等作為人機(jī)交互的重要載體，將系統(tǒng)反饋信息直觀呈現(xiàn)給用戶。這種分而治之的設(shè)計(jì)，在滿足高度集成的也便于模塊化生產(chǎn)和維護(hù)。在功能設(shè)計(jì)上，智能嬰兒車以全方位呵護(hù)嬰兒健康成長為宗旨，重點(diǎn)聚焦感知、調(diào)控、防護(hù)、互動(dòng)四大類核心功能。系統(tǒng)應(yīng)具備對(duì)嬰兒及環(huán)境的立體化感知能力，包括體溫、濕度、光照等生理及環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)需根據(jù)感知數(shù)據(jù)，靈活控制座椅角度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、篷蓋啟閉等，主動(dòng)優(yōu)化嬰兒車內(nèi)部的溫濕度、通風(fēng)等環(huán)境參數(shù)。系統(tǒng)須兼顧主動(dòng)安全與被動(dòng)安全設(shè)計(jì)，一方面利用防撞雷達(dá)等避免事故發(fā)生，另一方面通過安全帶、緩沖裝置等降低事故傷害。本設(shè)計(jì)方案立足于構(gòu)建一個(gè)全面感知寶寶狀態(tài)、智能調(diào)節(jié)嬰兒車環(huán)境、主動(dòng)規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)、人性化互動(dòng)反饋的智慧育兒系統(tǒng)。圖2.1系統(tǒng)硬件模塊工作框圖2.3器件方案對(duì)比2.3.1單片機(jī)的選擇方案一：STM32F103STM32F103是ST公司推出的一款基于Cortex-M3內(nèi)核的高性能單片機(jī)。它主頻高達(dá)72MHz，集成了豐富的外設(shè)資源，包括多個(gè)定時(shí)器、ADC、I2C、SPI、UART等，可以輕松實(shí)現(xiàn)各種傳感器的數(shù)據(jù)采集和通信控制。此外，STM32F103還具有出色的低功耗特性，多種省電模式可編程設(shè)置，非常適合便攜式電池供電的應(yīng)用場(chǎng)景。不過，STM32F103的引腳較多、封裝較大，對(duì)于嬰兒車這種追求小型化的應(yīng)用而言，存在一定的布板布線難度。而且STM32系列的開發(fā)調(diào)試對(duì)開發(fā)者的技術(shù)要求較高，學(xué)習(xí)曲線較陡峭，在開發(fā)效率和人力成本上有一定劣勢(shì)[16]。方案二：STC12C5A60S2STC12C5A60S2是宏晶公司基于8051內(nèi)核推出的一款增強(qiáng)型單片機(jī)。其主頻可達(dá)60MHz，外設(shè)配置也較為豐富，包括高速ADC、多組定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、多組中斷源等，基本可以滿足嬰兒車的各項(xiàng)功能需求。STC12C5A60S2在兼容傳統(tǒng)8051指令集的基礎(chǔ)上，還添加了大量實(shí)用的擴(kuò)展指令，優(yōu)化了內(nèi)部資源配置，使得程序執(zhí)行效率大大提高。STC12C5A60S2無疑是更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的選擇。其價(jià)格只有STM32F103的幾分之一，而在實(shí)際應(yīng)用中，其運(yùn)算速度和外設(shè)性能已經(jīng)綽綽有余。這對(duì)于成本敏感的消費(fèi)類產(chǎn)品而言，無疑是一大優(yōu)勢(shì)。表2-1單片機(jī)對(duì)比對(duì)比項(xiàng)目STM32F103STC12C5A60S2制造商ST宏晶內(nèi)核Cortex-M38051增強(qiáng)主頻72MHz60MHz價(jià)格高低適用場(chǎng)景便攜式成本敏感綜合比較，STC12C5A60S2憑借其性價(jià)比優(yōu)勢(shì)和實(shí)用性能，更加符合本項(xiàng)目的目標(biāo)定位。雖然STM32F103在計(jì)算性能上略勝一籌，但對(duì)于目前的功能需求而言，有些大材小用。而STC12C5A60S2無論在系統(tǒng)成本還是開發(fā)效率上，都能帶來更多實(shí)際價(jià)值。因此，最終選擇STC12C5A60S2作為智能嬰兒車的主控單片機(jī)。2.3.2溫度檢測(cè)模塊的選型方案一：AD590AD590是AnalogDevices公司生產(chǎn)的一款兩端式模擬溫度傳感器。其輸出電流與溫度呈現(xiàn)線性關(guān)系，每攝氏度對(duì)應(yīng)1μA電流變化。該器件具有良好的測(cè)溫精度，可達(dá)0.5℃，且響應(yīng)速度快，非常適合實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合。AD590內(nèi)置了高精度電流源，可有效抑制電源紋波等噪聲影響，體積小巧，易于安裝，特別適合嵌入式應(yīng)用。但AD590屬于模擬器件，輸出為連續(xù)的電流信號(hào)，后端電路需要配備精密的信號(hào)調(diào)理電路，如I/V轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換等，增加了硬件設(shè)計(jì)難度。而且模擬信號(hào)更容易受到電磁干擾，長距離傳輸時(shí)需要特別留意[17]。方案二：DS18B20DS18B20是Dallas公司推出的一款數(shù)字溫度傳感器。它采用單總線接口，支持多點(diǎn)組網(wǎng)，可以方便地實(shí)現(xiàn)分布式溫度采集。每個(gè)DS18B20都有唯一的64位序列號(hào)，便于尋址識(shí)別。該傳感器可直接輸出經(jīng)過校準(zhǔn)的數(shù)字溫度值，最高分辨率可達(dá)0.0625℃，無需復(fù)雜的外圍電路，使用起來非常方便。它還具有較寬的工作電壓范圍（3V~5.5V），以及±0.5℃的測(cè)溫精度，完全能夠滿足嬰兒車的應(yīng)用需求。與AD590相比，DS18B20在抗干擾性方面表現(xiàn)更優(yōu)。數(shù)字信號(hào)的傳輸不易受電磁干擾，而且通信距離可達(dá)200米以上，布線更加靈活。不過，DS18B20的缺點(diǎn)在于，其轉(zhuǎn)換時(shí)間相對(duì)較長，最長可達(dá)750ms。這意味著采樣頻率受到一定限制，難以實(shí)現(xiàn)高速連續(xù)采集。此外，雖然單總線接口易于布線，但與常規(guī)的I2C、SPI等標(biāo)準(zhǔn)接口相比，通用性較差，后期擴(kuò)展不夠方便。表2-2溫度傳感器對(duì)比對(duì)比項(xiàng)目方案一：AD590方案二：DS18B20制造商AnalogDevicesDallas類型模擬溫度傳感器數(shù)字溫度傳感器輸出特性電流與溫度線性關(guān)系數(shù)字溫度值輸出測(cè)溫精度0.5℃±0.5℃響應(yīng)速度快，適合實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合轉(zhuǎn)換時(shí)間較長，最長750ms抗干擾性模擬信號(hào)易受電磁干擾數(shù)字信號(hào)抗干擾性強(qiáng)通信距離長距離傳輸需特別留意通信距離可達(dá)200米以上硬件設(shè)計(jì)難度較高，需要精密信號(hào)調(diào)理較低，直接使用數(shù)字輸出綜上所述，DS18B20溫度傳感器的數(shù)字化接口、良好的抗干擾能力，以及寬工作電壓范圍等特性，更契合當(dāng)前智能嬰兒車的設(shè)計(jì)要求。雖然它在采樣速率上不及AD590，但對(duì)于體溫監(jiān)測(cè)這種變化緩慢的場(chǎng)景，完全可以滿足實(shí)時(shí)性需求。DS18B20的編程接口更加簡單，有利于降低開發(fā)工作量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。因此，最終選擇DS18B20作為智能嬰兒車的溫度檢測(cè)方案。2.3.3顯示模塊的選型方案一：OLEDOLED顯示模塊采用有機(jī)發(fā)光二極管作為顯示單元，具有自發(fā)光、高對(duì)比度、廣視角、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。特別是其纖薄輕巧、可柔性化的特性，非常契合便攜式設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景。從視覺效果上看，OLED顯示無疑更勝一籌。其黑色背景和鮮艷色彩可以呈現(xiàn)出更加生動(dòng)、悅目的界面。而且OLED支持逐點(diǎn)控制，可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的圖形和動(dòng)畫效果，有利于提升人機(jī)交互體驗(yàn)。不過，OLED顯示模塊的價(jià)格相對(duì)較高，特別是尺寸稍大時(shí)，成本優(yōu)勢(shì)不明顯。而且OLED對(duì)環(huán)境溫度較為敏感，過高或過低都可能影響使用壽命。方案二：LCD1602LCD1602是一款成熟度很高的字符點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可以顯示16x2共32個(gè)字符，支持多種控制接口，使用起來非常方便。價(jià)格低廉、技術(shù)完善，是工業(yè)控制領(lǐng)域的常用選擇。對(duì)于智能嬰兒車這種以信息顯示為主的應(yīng)用場(chǎng)景而言，LCD1602的顯示能力已經(jīng)完全夠用。雖然不能顯示圖形，但足以清晰地呈現(xiàn)各項(xiàng)參數(shù)和狀態(tài)信息。而且LCD1602還支持自定義字庫，可以實(shí)現(xiàn)一些簡單的圖標(biāo)顯示。成本方面LCD1602無疑是更經(jīng)濟(jì)的選擇。其價(jià)格通常只有同尺寸OLED的20%左右。LCD1602還具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，可在較寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，使用壽命長[18]。表2-3顯示器對(duì)比對(duì)比項(xiàng)目方案一：OLED方案二：LCD1602顯示技術(shù)有機(jī)發(fā)光二極管字符點(diǎn)陣液晶優(yōu)點(diǎn)自發(fā)光、高對(duì)比度、廣視角、響應(yīng)快技術(shù)成熟、價(jià)格低廉應(yīng)用場(chǎng)景便攜式設(shè)備，契合纖薄輕巧需求工業(yè)控制，信息顯示為主視覺效果黑色背景+鮮艷色彩，生動(dòng)悅目字符顯示，清晰呈現(xiàn)參數(shù)和狀態(tài)圖形與動(dòng)畫支持逐點(diǎn)控制，復(fù)雜圖形和動(dòng)畫效果不支持圖形，但可自定義簡單圖標(biāo)環(huán)境溫度敏感性對(duì)溫度敏感，過高或過低影響壽命較強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性，寬溫度范圍穩(wěn)定工作綜合比較，LCD1602以其實(shí)惠的價(jià)格、穩(wěn)定可靠的性能，成為智能嬰兒車顯示模塊的不二之選。盡管OLED在顯示效果和功耗上具有一定優(yōu)勢(shì)，但這些優(yōu)勢(shì)并非本項(xiàng)目的剛性需求。相比之下，LCD1602在成本和環(huán)境適應(yīng)性方面的表現(xiàn)更加匹配當(dāng)前的設(shè)計(jì)目標(biāo)?；谝陨戏治?，最終決定采用LCD1602作為智能嬰兒車的人機(jī)交互顯示模塊。3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1STC12C5A60S2單片機(jī)STC12C5A60S2單片機(jī)承擔(dān)著信息采集、邏輯判斷、執(zhí)行控制等核心任務(wù)，單片機(jī)需要實(shí)時(shí)處理多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、光照、壓力、聲音等參數(shù)。STC12C5A60S2內(nèi)置8路10位ADC，可以接入多個(gè)模擬量傳感器，輪流采樣，滿足了智能嬰兒車的多參數(shù)監(jiān)測(cè)需求。單片機(jī)還要根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，及時(shí)作出正確的判斷和決策[19]。比如，當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到嬰兒體溫超標(biāo)時(shí)，要立即觸發(fā)語音提示，并通過顯示屏告知家長。這就需要單片機(jī)具備較強(qiáng)的運(yùn)算能力和豐富的控制資源。STC12C5A60S2憑借其60MHz的高速內(nèi)核、8KRAM、64KEEPROM等資源，可以快速完成復(fù)雜的邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理。而且，單片機(jī)還集成了3個(gè)16位定時(shí)器和9個(gè)外部中斷源，可靈活實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的精準(zhǔn)控制[20]。智能嬰兒車還需要單片機(jī)協(xié)調(diào)多個(gè)執(zhí)行器的工作，包括播放語音、驅(qū)動(dòng)顯示屏、控制車輪和車篷等。STC12C5A60S2提供了4個(gè)16位PWM通道，可以產(chǎn)生多路獨(dú)立的脈寬調(diào)制信號(hào)。這不僅可以方便地調(diào)節(jié)車輪速度、控制車篷開合，還能通過改變占空比，優(yōu)化語音播放的音量和音色。單片機(jī)還支持IIC、SPI、UART等主流通信協(xié)議，可以輕松驅(qū)動(dòng)語音芯片、液晶屏等智能化模塊，極大地豐富了嬰兒車的人機(jī)交互方式。在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，要確保單片機(jī)可靠穩(wěn)定的供電[21]。通過LDO穩(wěn)壓芯片，將電池電壓轉(zhuǎn)換為5V和3.3V兩路電源，分別供給單片機(jī)的I/O口和內(nèi)核。并在VCC和GND之間并聯(lián)多個(gè)去耦電容，抑制高頻噪聲。要合理規(guī)劃單片機(jī)的管腳資源，將功能相近的模塊集中布局，盡量縮短敏感信號(hào)線的長度。對(duì)于一些特殊的接口電平，如IIC的開漏輸出、LCD屏的偏置電壓等，還需要專門設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路，確保接口的電氣兼容性[22]。圖3.1STC12C5A60S2單片機(jī)接線情況3.2DS18B20溫度傳感器DS18B20是智能嬰兒車的核心傳感器之一，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)嬰兒的體溫變化。當(dāng)嬰兒發(fā)熱時(shí)，傳感器能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，觸發(fā)語音播報(bào)和LCD顯示提醒，為嬰兒的健康保駕護(hù)航。DS18B20采用單總線接口，僅需一根數(shù)據(jù)線即可實(shí)現(xiàn)雙向通信。這種簡單的接口方式，極大地降低了PCB布線的復(fù)雜度，節(jié)約了寶貴的單片機(jī)IO口資源[23]。DS18B20還支持多點(diǎn)組網(wǎng)，可以方便地在嬰兒車的不同部位安裝多個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)分區(qū)監(jiān)測(cè)。每個(gè)傳感器都有獨(dú)立的64位ROM地址，DS18B20可以逐一尋址，輪流采集溫度數(shù)據(jù)。DS18B20傳感器的測(cè)溫范圍為-55℃~+125℃，分辨率可編程設(shè)置，最高可達(dá)0.0625℃。這完全滿足了監(jiān)測(cè)嬰兒體溫的需要。一般情況下，將分辨率設(shè)置為0.5℃即可，這樣不僅能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)嬰兒發(fā)熱等異常情況，還能避免過于頻繁的數(shù)據(jù)采集，降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗[24]。驅(qū)動(dòng)DS18B20的關(guān)鍵是掌握其復(fù)雜的時(shí)序邏輯，通過精確控制數(shù)據(jù)線的占空比，可以實(shí)現(xiàn)初始化、ROM匹配、功能寄存器配置等一系列操作。為了提高溫度轉(zhuǎn)換的精度和效率，可以充分利用DS18B20的鬧鐘功能，由傳感器主動(dòng)發(fā)起轉(zhuǎn)換，MCU被動(dòng)讀取結(jié)果。CRC校驗(yàn)等差錯(cuò)控制手段也不可或缺，只有通過嚴(yán)格的校驗(yàn)算法，才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)通信錯(cuò)誤，避免誤判[25]。圖3.2DS18B20實(shí)際接線圖3.3MY1680-12P語音模塊MY1680-12P語音模塊用于播報(bào)各種提示信息和安撫音樂，該語音模塊采用UART串口控制，內(nèi)置8MFlash存儲(chǔ)器，最長可存儲(chǔ)12分鐘語音。播放格式支持MP3、WAV等主流格式，音質(zhì)清晰，噪音低。模塊還集成了音頻功率放大器，可直接驅(qū)動(dòng)外置喇叭，音量可調(diào)。模塊還支持多種工作模式，既可以按需觸發(fā)播放，也可以循環(huán)播放，非常靈活。MY1680-12P的驅(qū)動(dòng)程序相對(duì)簡單，通過封裝常用的播放控制指令，上位機(jī)就可以輕松地控制語音的播放、暫停、快進(jìn)等。不過在傳輸語音數(shù)據(jù)時(shí)，要特別留意UART的波特率和數(shù)據(jù)幀格式。選擇過低的波特率，會(huì)影響語音流暢度，而過高的波特率，又可能引起丟包等錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)幀格式的不匹配，也會(huì)導(dǎo)致雜音或沙啞等問題。因此，驅(qū)動(dòng)程序必須嚴(yán)格遵循芯片手冊(cè)的規(guī)范，確保通信的正確性。圖3.3MY1680-12P語音模塊實(shí)際接線圖3.4E18-D80NK紅外傳感器E18-D80NK紅外傳感器用于探測(cè)車輪前方的障礙物，當(dāng)嬰兒車距離障礙物過近時(shí)，傳感器會(huì)立即向單片機(jī)報(bào)警，并通過控制車輪電機(jī)，自動(dòng)減速剎車，避免碰撞，保護(hù)嬰兒的安全。E18-D80NK傳感器采用主動(dòng)式紅外探測(cè)原理，通過發(fā)射調(diào)制紅外光束，接收目標(biāo)反射回來的信號(hào)，判斷障礙物的位置和距離。由于采用光電式非接觸測(cè)量，傳感器的探測(cè)精度高，響應(yīng)速度快，且不受環(huán)境光照和電磁干擾的影響。傳感器的盲區(qū)小于2cm，最大探測(cè)距離可達(dá)80cm[26]，完全滿足嬰兒車的避障控制要求。雖然E18-D80NK的信號(hào)輸出為開漏形式，可以直接接入MCU，但仍需上拉電阻，加快信號(hào)上升沿。為防止干擾，可在信號(hào)線上串聯(lián)小容量的去抖電容，但電容值不宜過大，以免影響傳感器的帶寬和靈敏度。圖3.4E18-D80NK傳感器實(shí)際接線圖3.55516光照傳感器光敏電阻用于實(shí)時(shí)檢測(cè)車內(nèi)的光照強(qiáng)度，當(dāng)檢測(cè)到強(qiáng)光照射時(shí)，傳感器會(huì)立即向單片機(jī)報(bào)告。MCU據(jù)此控制舵機(jī)，自動(dòng)關(guān)合車篷，保護(hù)寶寶嬌嫩的皮膚和眼睛。5516傳感器是一款模擬型光敏電阻，采用硫化鎘材料制成。當(dāng)受到光照時(shí)，CdS的導(dǎo)電性會(huì)明顯增強(qiáng)，電阻值隨光強(qiáng)增大而減小。憑借獨(dú)特的光敏特性，5516型傳感器對(duì)可見光具有較寬的響應(yīng)范圍和較高的靈敏度，可以準(zhǔn)確捕捉到嬰兒車周圍的光照變化。傳感器的響應(yīng)速度快、功耗低，非常適合便攜設(shè)備[27]。5516光照傳感器的驅(qū)動(dòng)相對(duì)簡單，可將其等效為分壓電路中的一個(gè)可變電阻，通過ADC采樣電壓值，間接計(jì)算光照強(qiáng)度。在編寫驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，建議通過定標(biāo)實(shí)驗(yàn)確定分壓電阻的最佳值，在滿足精度要求的前提下，盡量降低傳感器的功耗。為了抑制ADC輸入信號(hào)的起伏，可在程序中引入必要的數(shù)字濾波措施。比如，采用限幅濾波算法，自動(dòng)剔除超出閾值的脈沖干擾?；蛘?，對(duì)采樣值進(jìn)行多次平均，減小隨機(jī)誤差。圖3.55516光照傳感器實(shí)際接線圖3.6LCD1602顯示模塊LCD1602用于直觀顯示車內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)，如溫度、光照度等。通過液晶屏的實(shí)時(shí)反饋，父母可以更加直觀地了解寶寶的狀況，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。顯示模塊采用16x2字符點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，可顯示兩行文字，每行16個(gè)字符。它支持多種通信接口，如8位并行、4位并行、IIC等。模塊還內(nèi)置了多達(dá)8192個(gè)字符的CGROM，不僅有豐富的ASCII字符和常用符號(hào)[28]，還可存儲(chǔ)自定義的圖形字符。為了節(jié)省單片機(jī)資源，本次選用IIC接口，這樣，僅需兩根信號(hào)線（SCL和SDA）即可實(shí)現(xiàn)雙向通信，IIC接口的時(shí)序相對(duì)寬松，布線也更容易。圖3.6顯示模塊實(shí)際接線圖3.7水滴傳感器水滴傳感器用于檢測(cè)尿布的干濕狀態(tài)，當(dāng)尿液滲出時(shí)，傳感器能及時(shí)感知尿布的濕度變化，并通過MCU向父母發(fā)出更換提醒，讓寶寶時(shí)刻保持清爽舒適。水滴傳感器采用電導(dǎo)式測(cè)量原理，當(dāng)尿液浸濕尿布時(shí)，水滴會(huì)接通傳感器表面的導(dǎo)電條，使兩端電極之間的電阻值急劇下降。通過檢測(cè)傳感器的輸出電壓，就可以判斷尿布是否潮濕。水滴傳感器還具有靈敏度高、功耗低、體積小巧等特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于便攜式設(shè)備[29]。由于輸出信號(hào)已被處理為數(shù)字量，MCU只需通過簡單的電平檢測(cè)，即可判斷尿布的濕度狀態(tài)，當(dāng)尿液浸潤開始時(shí)，傳感器阻值下降較為緩慢。只有當(dāng)含水量達(dá)到一定程度時(shí)，阻值才會(huì)驟然減小。而當(dāng)尿布變干時(shí)，阻值又不會(huì)立即恢復(fù)到初始水平。圖3.7水滴傳感器實(shí)際接線圖3.8薄膜壓力傳感器薄膜壓力傳感器用于檢測(cè)寶寶是否在車內(nèi)，當(dāng)寶寶入座時(shí)，傳感器感受到壓力變化，單片機(jī)即自動(dòng)開啟各種安全防護(hù)功能；而當(dāng)寶寶離座時(shí)，傳感器輸出信號(hào)消失，單片機(jī)則立即向父母發(fā)出警示，避免嬰兒獨(dú)自離開。當(dāng)外力作用于壓電薄膜時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生與壓力成正比的電荷，從而引起兩端電壓的變化。薄膜壓力傳感器的厚度一般在10~100um之間，柔韌性好，非常適合嵌入車座等不規(guī)則表面。傳感器的靈敏度高、頻響寬、功耗低，可快速檢測(cè)動(dòng)態(tài)壓力的變化，滿足智能嬰兒車的實(shí)時(shí)控制要求[30]。圖3.8壓力傳感器實(shí)際接線圖3.9聲音傳感器當(dāng)寶寶因饑餓、尿濕等原因不適時(shí)，往往會(huì)發(fā)出啼哭，聲音傳感器可以靈敏地捕捉到哭聲，并及時(shí)向主控芯片報(bào)警，觸發(fā)安撫程序。這不僅可以通過自動(dòng)播放音樂、調(diào)節(jié)光照等方式安撫寶寶，更能第一時(shí)間提醒家長前來照看，避免寶寶的不適感持續(xù)惡化。該傳感器采用駐極體電容麥克風(fēng)，利用電容兩端電極間電荷的變化，感知聲音的強(qiáng)弱。相比傳統(tǒng)的電磁式麥克風(fēng)，駐極體電容麥克風(fēng)的靈敏度更高、頻響更寬、信噪比更好，非常適合遠(yuǎn)距離拾音。而且，MEMS工藝的引入，使得電容麥克風(fēng)的體積進(jìn)一步縮小、成本進(jìn)一步降低，更加有利于產(chǎn)品的小型化設(shè)計(jì)。圖3.9聲音傳感器實(shí)際接線圖5系統(tǒng)的測(cè)試4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1軟件介紹Keil4是Keil公司推出的一款功能強(qiáng)大的嵌入式開發(fā)工具，專門針對(duì)ARMCortex-M系列單片機(jī)。它集成了業(yè)界領(lǐng)先的ARMC/C++編譯器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)、Flash燒錄器、調(diào)試器等，可以顯著提高單片機(jī)開發(fā)的質(zhì)量和效率。Keil4與智能嬰兒車使用的STC12C5A60S2單片機(jī)高度兼容，STC12系列雖然是基于傳統(tǒng)8051內(nèi)核，但經(jīng)過擴(kuò)展優(yōu)化后，其指令集與匯編語法已經(jīng)與ARM體系高度趨同。Keil4不僅支持傳統(tǒng)的Keil8051開發(fā)，更提供了方便的ARM→8051指令轉(zhuǎn)換機(jī)制。這就使得開發(fā)者可以使用先進(jìn)的ARM開發(fā)模式，充分發(fā)揮STC單片機(jī)的性能潛力。圖4.1Keil_4軟件界面4.2軟件程序的設(shè)計(jì)4.2.1主程序流程圖圖4.2系統(tǒng)邏輯流程圖如圖4.2所示，程序首先完成初始化工作，包括系統(tǒng)時(shí)鐘配置、I/O口設(shè)置、外設(shè)使能等。接著進(jìn)入主循環(huán)，通過查詢或中斷方式，輪流調(diào)用各個(gè)功能子程序。這些子程序分別完成傳感器數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)判斷、執(zhí)行器控制、人機(jī)交互等具體任務(wù)。它們既可以被主程序周期性地主動(dòng)調(diào)用，也可以由外部事件（如按鍵、中斷等）觸發(fā)。每次調(diào)用完畢，子程序?qū)⒎祷貭顟B(tài)參數(shù)，主程序據(jù)此更新系統(tǒng)狀態(tài)變量。程序還通過看門狗機(jī)制，定期喂狗，以防止進(jìn)入死循環(huán)。4.2.2按鍵函數(shù)子流程圖圖4.3按鍵程序流程圖如圖4.3所示，按鍵程序用于響應(yīng)用戶的按鍵事件，執(zhí)行相應(yīng)的控制功能，程序采用中斷查詢的方式，當(dāng)檢測(cè)到按鍵動(dòng)作時(shí)，立即觸發(fā)中斷服務(wù)程序。ISR首先對(duì)按鍵信號(hào)進(jìn)行消抖處理，確認(rèn)按鍵確實(shí)被按下。然后，根據(jù)按鍵類型，執(zhí)行相應(yīng)的功能操作。這些功能包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、報(bào)警開關(guān)、工作模式切換等。需要注意的是，由于按鍵屬于人機(jī)交互的一部分，因此其執(zhí)行結(jié)果要實(shí)時(shí)反饋給用戶。操作完成后，程序清除中斷標(biāo)志位，返回主循環(huán)。4.2.3顯示子程序流程圖圖4.4顯示子程序流程圖如圖4.4所示，程序由主循環(huán)定期調(diào)用，每次調(diào)用時(shí)，先從全局變量區(qū)讀取各傳感器的最新檢測(cè)值，如溫度、分貝值等。然后，將這些參數(shù)值轉(zhuǎn)換為字符串格式，并按照預(yù)定的界面布局，寫入顯示緩沖區(qū)。接著，程序?qū)⒕彌_區(qū)內(nèi)容全部發(fā)送至LCD控制器，并觸發(fā)刷新指令。LCD控制器接到指令后，自動(dòng)將緩沖區(qū)內(nèi)容更新到面板上。顯示完成后，程序返回主循環(huán)。需要注意的是，為提高顯示效率，減輕主循環(huán)負(fù)擔(dān)，顯示程序采用雙緩沖機(jī)制。程序在后臺(tái)緩沖區(qū)完成界面渲染，渲染結(jié)束后再與前臺(tái)緩沖區(qū)進(jìn)行交換，整個(gè)過程不影響控制主程序的正常運(yùn)行。5系統(tǒng)的測(cè)試5.1軟硬件調(diào)試智能嬰兒車的調(diào)試過程，可以分為軟件仿真和硬件測(cè)試兩個(gè)階段。其中，軟件仿真主要在Keil開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行，通過設(shè)置斷點(diǎn)、單步跟蹤等手段，檢查每個(gè)功能模塊的代碼運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)并改正語法錯(cuò)誤、邏輯錯(cuò)誤等。還可以利用Keil的軟件仿真器，構(gòu)建與實(shí)際硬件環(huán)境一致的虛擬系統(tǒng)，從而獲得逼真的運(yùn)行效果。而硬件測(cè)試，則需要將代碼燒錄到實(shí)際的單片機(jī)中運(yùn)行。在硬件測(cè)試階段，首要關(guān)注的是程序的燒錄和運(yùn)行環(huán)境。通過編程器將代碼下載到單片機(jī)后，先要檢查程序能否正常啟動(dòng)、各外設(shè)能否正常初始化。如果程序卡死或復(fù)位，則需要重點(diǎn)排查時(shí)鐘和復(fù)位電路。接著，要著重測(cè)試程序的I/O控制功能。通過逐一操作每個(gè)傳感器和執(zhí)行器，并觀察其響應(yīng)情況，判斷程序?qū)ν庠O(shè)的控制是否正確。對(duì)于ADC、PWM等模擬接口，還需借助示波器檢查其輸出的電平范圍和變化規(guī)律。在基本的I/O測(cè)試完成后，可以進(jìn)一步測(cè)試智能嬰兒車的功能性和交互性。通過模擬實(shí)際工作情景，如溫度超標(biāo)、尿布潮濕、嬰兒啼哭等，檢驗(yàn)智能提醒、自動(dòng)報(bào)警等功能是否有效。重5.2實(shí)物展示5.2.1檢測(cè)到發(fā)熱當(dāng)溫度超過設(shè)定閾值時(shí)，智能嬰兒車立即發(fā)出警示，溫度值實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，語音系統(tǒng)及時(shí)播報(bào)"嬰兒發(fā)熱了，請(qǐng)注意"，整個(gè)流程行云流水，沒有一絲延遲。圖5.1檢測(cè)到溫度異常5.2.2檢測(cè)到尿床測(cè)試人員往水滴傳感器上滴了幾滴水，模擬嬰兒尿床的場(chǎng)景。水滴剛一接觸，智能嬰兒車便迅速做出反應(yīng)。語音系統(tǒng)提示道："嬰兒尿床，請(qǐng)及時(shí)更換尿布"。尿布的位置示意圖和濕度參數(shù)，也清晰地顯示在了LCD屏上。盡管只是幾滴水，系統(tǒng)也能靈敏捕捉，實(shí)在令人驚嘆。圖5.2檢測(cè)到尿布濕了5.2.3檢測(cè)到嬰兒被抱走在這個(gè)場(chǎng)景中，測(cè)試人員先是將一個(gè)水杯放到了壓力傳感器上，然后開啟布防模式，緊接著拿走水杯，壓力傳感器立即檢測(cè)到了重量的變化，系統(tǒng)立刻提示“嬰兒被抱走”。從嬰兒入座到離開，智能系統(tǒng)全程無縫監(jiān)控，讓人對(duì)其安全防護(hù)能力充滿信心。圖5.3檢測(cè)到嬰兒被抱走5.2.4檢測(cè)到哭鬧在檢測(cè)哭鬧時(shí)，音量剛一超過閾值，智能嬰兒車便開啟了安撫模式。只聽柔美的音樂自動(dòng)流淌而出，原本嘈雜的哭聲漸漸被掩蓋，如此全方位的安撫體驗(yàn)，定能讓寶寶倍感溫馨。圖5.4檢測(cè)到嬰兒哭鬧結(jié)論結(jié)論結(jié)論本文詳細(xì)介紹了一款創(chuàng)新的智能嬰兒車系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，配以多種傳感器和執(zhí)行器，可實(shí)現(xiàn)嬰兒狀態(tài)的全面監(jiān)測(cè)和智能護(hù)理。系統(tǒng)不僅能及時(shí)發(fā)現(xiàn)嬰兒的異常狀況，如發(fā)熱、尿床、啼哭等，還能根據(jù)環(huán)境條件自動(dòng)調(diào)節(jié)座椅、車篷等。系統(tǒng)還提供了豐富的人機(jī)交互方式，通過語音播報(bào)，讓家長隨時(shí)掌握嬰兒動(dòng)態(tài)。智能嬰兒車的研制，融合了當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)、智能控制等領(lǐng)域的前沿技術(shù)。從需求分析、功能定義，到硬件選型、軟件設(shè)計(jì)，再到系統(tǒng)測(cè)試、實(shí)物展示，每一個(gè)環(huán)節(jié)都經(jīng)過精心設(shè)計(jì)和反復(fù)打磨。當(dāng)然，智能嬰兒車的研制過程也并非一帆風(fēng)順，好在憑借扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)和創(chuàng)新的思維最終攻克了重重難關(guān)，打造出了一款兼具實(shí)用性、可靠性、智能化的嬰兒看護(hù)產(chǎn)品。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]蔡文宇.多功能嬰兒床[J].今古文創(chuàng),2024,(17):137.[2]陳亞男,陳雨璐,林曉琴,等.一種智能嬰兒床看護(hù)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國科技信息,2023,(24):73-75+79.[3]單賓賓,梁宸睿,李森森,等.基于嵌入式技術(shù)的智能嬰兒床設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2023,13(12):107-108+111.[4]侯麗紅.基于STM32的智能嬰兒床系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2023,(25):225-228.[5]許振中,熊先青.國內(nèi)嬰兒床領(lǐng)域知識(shí)圖譜特征與趨勢(shì)分析[J].家具,2023,44(06):52-56.[6]賀可可,張浩,吳新堯.基于KANO模型與UPCYCLE理念的嬰兒床產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究[J].工業(yè)設(shè)計(jì),2023,(10):88-91.[7]劉亦娜,董麗媛,冀靜,等.一種產(chǎn)科護(hù)理嬰兒床的設(shè)計(jì)[J].循證護(hù)理,2023,9(16):3035-3037.[8]張翼捷,蘭曉紅,虞千惠,等.基于樹莓派的智能交互嬰兒床設(shè)計(jì)與研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2023,46(16):177-181.[9]許振中,熊先青.基于AHP-TRIZ的智能嬰兒床專利規(guī)避創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].包裝工程,2023,44(18):166-173.[10]鄭春曉.“作家的嬰兒床”：露易絲·格呂克的寫作焦慮與小說創(chuàng)作[J].外國文學(xué)動(dòng)態(tài)研究,2023,(03):120-128.[11]杜寶強(qiáng),朱傳奇,武濤.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能嬰兒床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2023,13(02):7-10.[12][宗慧娟,劉根清.可變換型嬰兒床創(chuàng)意設(shè)計(jì)[J].江西教育,2023,(04):39-40.[13]胡習(xí).基于物聯(lián)網(wǎng)的智能嬰兒床監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].安徽理工大學(xué),2022.[14]高南,孫晨曦,鐘承宏.一種智能看護(hù)嬰兒床的設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界,2022,29(11):28-32.[15]咼智強(qiáng),劉偌羽.基于INPD與TRIZ的一物多用嬰兒床創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].設(shè)計(jì),2022,35(20):142-145.DOI:10.20055/ki.1003-0069.000109.[16]劉穎,單春劍,丁磊.一種帶有嬰兒床的新型產(chǎn)科護(hù)理床的設(shè)計(jì)[J].循證護(hù)理,2022,8(18):2523-2526.[17]季志堅(jiān).涉及3項(xiàng)安全性指標(biāo)，兒童床抽檢三成不合格——上海市兒童床（嬰兒床）監(jiān)督抽查公告解讀[J].上海質(zhì)量,2022,(09):75-77.[18]本刊訊.3項(xiàng)安全性指標(biāo)是兒童床（嬰兒床）不合格的主要問題[J].中國品牌與防偽,2022,(08):44-45.[19]方澤,張朝龍,秦校林,等.基于單片機(jī)的粉塵環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣應(yīng)用,2019(S01):5.DOI:CNKI:SUN:DGJZ.0.2019-S1-024.[20]顧昊煊,楊永兆,張靜,等.基于單片機(jī)和傳感器的空氣環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].移動(dòng)信息,2023,45(7):264-267.附錄B附錄A原理圖：附錄B部分源程序：#include<12C5A60S2.h>#include<intrins.h>#include<ADC.h>#defineS2RI0x01 //串口2接收中斷請(qǐng)求標(biāo)志位sfrT2MOD=0xC9;#defineucharunsignedchar //以后unsignedchar就可以用uchar代替#defineuintunsignedint //以后unsignedint就可以用uint代替 #defineCOMM_BAUD_RATE9600//串口波特率#defineOSC_FREQ11059200//運(yùn)行晶振：11.05926MHZ#definetime92unsignedintvalue;/********串口接收數(shù)據(jù)緩存**********/unsignedcharidataUart_receive[10];/********串口接收計(jì)數(shù)器**********/unsignedcharUart_DATA_count;intres0,res1,res2,res3;bitfs_flag=0; //串口發(fā)送標(biāo)志/******************引腳定義********************/#defineCoil_A1{A1=1;B1=0;C1=0;D1=0;}//A相通電，其他相斷電#defineCoil_B1{A1=0;B1=1;C1=0;D1=0;}//B相通電，其他相斷電#defineCoil_C1{A1=0;B1=0;C1=1;D1=0;}//C相通電，其他相斷電#defineCoil_D1{A1=0;B1=0;C1=0;D1=1;}//D相通電，其他相斷電#defineCoil_OFF{A1=0;B1=0;C1=0;D1=0;}//全部斷電sbitA1=P2^4;//定義步進(jìn)電機(jī)連接端口sbitB1=P2^3;sbitC1=P2^2;sbitD1=P2^1;bitStopFlag=1; //啟動(dòng)/停止標(biāo)志bitZXflag=0; //正反轉(zhuǎn)標(biāo)志bitzz_flag;//正轉(zhuǎn)標(biāo)志bitfz_flag;//反轉(zhuǎn)標(biāo)志bitkaiguan=1;//窗戶開關(guān)標(biāo)志sbitE18=P2^0;//紅外感應(yīng)sbitshuidi=P1^0;//水滴傳感器sbitpwm=P1^0;//舵機(jī)PWM信號(hào)輸出unsignedcharcount;//0.5ms次數(shù)標(biāo)識(shí)unsignedcharjd=9;//角度標(biāo)識(shí)bitsf_flag=0;//設(shè)防標(biāo)志sbitLED_G=P1^4;//綠sbitshezhi=P3^7;//設(shè)置sbitjia=P3^6;// 加sbitjian=P3^5;//減 sbitshefang=P3^4;//設(shè)防按鍵unsignedcharmoshi=0;//設(shè)置模式externvoidInitLcd1602();externvoidLcdShowStr(unsignedcharx,unsignedchary,unsignedchar*str);externvoidLcdWriteCmd(unsignedcharcmd);ext