基于紅外感知的智能鬧鐘的設(shè)計(jì)

蘇心玥

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基于紅外感知的智能鬧鐘的設(shè)計(jì)

蘇心玥

（金陵中學(xué)，南京 210006）

在生活中，如何保證學(xué)生按時(shí)起床是一個(gè)讓家長頭疼的問題。常常鬧鐘響了，孩子迷迷糊糊中關(guān)掉鬧鈴，接著又睡著了，結(jié)果就是上學(xué)遲到，不能養(yǎng)成很好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。為了提升按時(shí)起床的保險(xiǎn)系數(shù)，基于GP2Y0A02YK0F紅外測距傳感器來感知判斷鬧鐘響后人是否已經(jīng)起床、采用STC89C52單片機(jī)作為鬧鐘控制中心、采用DS1302作為時(shí)鐘控制芯片，設(shè)計(jì)了一種智能鬧鐘。設(shè)計(jì)的鬧鐘可以根據(jù)實(shí)時(shí)情況進(jìn)行不同處理，能有效防止再次睡著，體現(xiàn)了一定的“智能性”。設(shè)計(jì)的智能鬧鐘性能穩(wěn)定、使用簡單方便，實(shí)用性強(qiáng)。

STC89C52；GP2Y0A02YK0F；紅外感知；智能鬧鐘

0 引言

鬧鐘，常常是日常生活中的一種必需品，按時(shí)提醒參加學(xué)習(xí)、工作等，特別是對(duì)于按時(shí)提醒起床有重要作用。但目前常用的鬧鐘缺少“智能性”，當(dāng)用戶關(guān)掉鬧鈴后，鬧鐘就不能感知判斷用戶是否已經(jīng)起床，在用戶沒有起床時(shí)也就不能再一次響鈴叫醒他，等到自然醒來時(shí)，可能上課、上班等都已經(jīng)來不及了。針對(duì)以上問題，本文引入紅外測距傳感器，設(shè)計(jì)了一種智能鬧鐘。設(shè)計(jì)的鬧鐘不同于普通鬧鐘的是：設(shè)定的起床時(shí)間到了鬧鈴響了，當(dāng)用戶按掉鬧鈴后，設(shè)定的鬧鐘并沒有最終結(jié)束，如果在一定的時(shí)間后，紅外測距傳感器沒有感知到用戶已經(jīng)起床，鬧鐘將再一次響起，直到紅外測距傳感器感知到用戶已經(jīng)起床，鬧鐘才最終停止，可以更為有效的防止人們懶床。

1 智能鬧鐘總體設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)的主要思路是利用單片機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成整個(gè)電路的核心，控制整個(gè)鬧鐘系統(tǒng)的運(yùn)行。利用放置在床頭柜上的紅外測距傳感器感知用戶是否起床，單片機(jī)根據(jù)紅外測距傳感器的感知信息進(jìn)入不同的鬧鐘處理程序，實(shí)現(xiàn)鬧鐘的智能性。本文設(shè)計(jì)的智能鬧鐘系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案主要如下：

（1）時(shí)間判斷

如果系統(tǒng)設(shè)定的起床時(shí)間到了，鬧鈴響起。

（2）按掉鬧鈴判斷

如果用戶在鬧鈴持續(xù)時(shí)間內(nèi)（如設(shè)定為30秒）按掉了鬧鈴，則鬧鐘處理進(jìn)入（3）；如果用戶在鬧鈴持續(xù)時(shí)間（如設(shè)定為30秒）內(nèi)沒有按掉鬧鈴，則在設(shè)定的30秒后，鬧鐘處理進(jìn)入（3）。

（3）起床判斷

如果鬧鈴暫停一段時(shí)間（如設(shè)定為5分鐘）內(nèi)，紅外測距傳感器沒有檢測到用戶起床，則鬧鐘系統(tǒng)控制在5分鐘后進(jìn)行響鈴，并進(jìn)入（2）；如果鬧鈴暫停一段時(shí)間（如設(shè)定為5分鐘）內(nèi)，紅外測距傳感器檢測到用戶起床，則鬧鐘系統(tǒng)控制最終結(jié)束。

1.2 總體設(shè)計(jì)

依據(jù)總體設(shè)計(jì)思路，本設(shè)計(jì)主控模塊選用STC89C52單片機(jī)[1,2]。感知模塊采用GP2Y0A02YK0F紅外測距傳感器，實(shí)現(xiàn)用戶是否已經(jīng)起床的判斷。時(shí)鐘控制芯片采用DS1302[1]作為時(shí)鐘芯片，保證準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，在配備了后備電池的前提下，時(shí)間數(shù)據(jù)斷電不丟失。鬧鈴采用無源蜂鳴器，通過輸送不同頻率的脈沖信號(hào)發(fā)出不同音色的聲音，并編排成音樂放出。顯示模塊采用液晶LCD1602顯示器，可以顯示時(shí)間、日期、鬧鐘等。鍵盤與按鈕模塊主要實(shí)現(xiàn)包括校時(shí)功能鍵、定時(shí)功能鍵、加時(shí)按鍵、減時(shí)按鍵和鬧鐘開關(guān)鍵等5個(gè)功能。電源模塊采用直流電源供電來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架，如圖1所示。

圖1 智能鬧鐘系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

（1）STC89C52單片機(jī)介紹

STC89C52單片機(jī)是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器。其具有128*8位內(nèi)部RAM、32可編程I/O線、兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、6個(gè)中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路等特點(diǎn)，為嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。STC89C52芯片引腳圖，如圖2所示。

圖2 STC89C52芯片引腳圖

（2）STC89C52單片機(jī)具體實(shí)現(xiàn)功能

平時(shí)智能鬧鐘在STC89C52單片機(jī)的控制下處于與普通鐘表一樣的工作狀態(tài)，但是當(dāng)鬧鐘顯示時(shí)間為人為設(shè)定的起床時(shí)間時(shí)，STC89C52單片機(jī)就會(huì)通過I/O的P3.7對(duì)外發(fā)送鈴音控制信號(hào)，由于信號(hào)功率很小不足以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，故需先將信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大，然后驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出起床鬧鈴聲。鈴聲響起后，鬧鐘自動(dòng)進(jìn)入計(jì)時(shí)模式，控制鬧鐘系統(tǒng)流程，直到單片機(jī)掃描到GP2Y0A02YK0F紅外測距傳感器檢測到人起床信號(hào)，最終停止鬧鈴。主控模塊的STC89C52單片機(jī)具體實(shí)現(xiàn)功能包括：

要及時(shí)響應(yīng)鍵盤引起的中斷信號(hào)；

不斷循環(huán)將時(shí)間顯示在數(shù)碼管上；

對(duì)設(shè)置的鬧鐘時(shí)間與實(shí)時(shí)時(shí)間比較，如時(shí)間相同則鬧鈴開啟；

根據(jù)鬧鈴開啟后用戶是否按掉鬧鐘、是否起床進(jìn)行鬧鐘系統(tǒng)流程控制。

所有情況下鬧鐘系統(tǒng)控制流程，都直到感知到用戶已經(jīng)起床鬧鐘流程才最終結(jié)束。

（3）STC89C52芯片引腳連接設(shè)計(jì)

根據(jù)需求，STC89C52芯片引腳連接設(shè)計(jì)具體如下：

VCC是主電源引腳，接電源電路，提供+5V工作電壓，VSS接地。

XTAL1和XTAL2是振蕩器控制引腳，接晶體振蕩電路，因采用外部振蕩器，XTAL2引腳接外部振蕩器的信號(hào)，把外部信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。

RST是電路復(fù)位引腳，接復(fù)位電路，完成系統(tǒng)初始化。

P1.5-P1.7是雙向8位I/O口引腳，接時(shí)鐘芯片DS1302，完成時(shí)鐘功能。

P0.0-P0.7是雙向8位I/O口引腳，接顯示控制電路，完成時(shí)間等信息顯示。

P3.7是雙向8位I/O口引腳，接蜂鳴器電路，完成鬧鐘的鬧鈴功能。

P3.0-P3.4是雙向8位I/O口引腳，接鍵盤與按鈕電路，完成鬧鐘的定時(shí)設(shè)置和鬧鐘開關(guān)功能。

P3.6/WR是外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通引腳，接紅外測距傳感器，完成用戶是否起床的感知判斷功能。

2.2 紅外感知模塊

紅外測距傳感器GP2Y0A02YK0F是夏普的一款距離測量傳感器模塊，由位置靈敏探測器PSD和紅外發(fā)光二極管IRED以及信號(hào)處理電路三部分組成，可以測量20-150CM距離范圍，供電電壓4.5-5.5V。由于采用了三角測量方法，被測物體的環(huán)境溫度以及測量時(shí)間都不會(huì)影響傳感器的測量精度。傳感器輸出電壓值對(duì)應(yīng)探測的距離，通過測量電壓值就可以感知用戶是否起床。GP2Y0A02YK0F紅外測距傳感器的具體電路圖，如圖3所示。

圖3 GP2Y0A02YK0F與單片機(jī)連接電路

GP2Y0A02YK0F紅外測距傳感器的輸出電路接入單片機(jī)的P3.6/WR引腳。

2.3 時(shí)鐘控制模塊

時(shí)鐘控制模塊采用Dallas公司的DS1302時(shí)鐘芯片。DS1302與DS1202 相互兼容，可對(duì)秒、分、時(shí)、周、日、月、年等進(jìn)行計(jì)時(shí)，有閏年補(bǔ)償?shù)墓δ埽哂兄麟娫碫cc2 和后備電源Vcc1雙電源的引腳，工作電壓為2.5~5.5 V。

DS1302 采用三線接口與單片機(jī)進(jìn)行同步通信。DS1302 的時(shí)鐘信號(hào)輸出SCLK、數(shù)據(jù)輸入輸出I /O、復(fù)位/片選線RST引腳分別接入單片機(jī)的P1.5、P1.6、P1.7引腳。該模塊的電路圖，如圖4所示。

圖4 DS1302時(shí)鐘芯片與單片機(jī)連接電路

2.4 LCD顯示模塊

顯示模塊主要由點(diǎn)陣型液晶LCD1602顯示屏組成，可以顯示兩行字符和數(shù)字，每行16個(gè)字符。LCD1602液晶顯示模塊與單片機(jī)連接電路，如圖5所示。

圖5 LCD1602與單片機(jī)連接電路

2.5 鬧鈴模塊

鬧鈴模塊采用蜂鳴器實(shí)現(xiàn)，通過單片機(jī)的引腳P3.7輸出的電平變化來控制蜂鳴器的導(dǎo)通與否，如當(dāng)前時(shí)間與鬧鈴時(shí)間相同，蜂鳴器發(fā)出起床鬧鈴聲。鈴聲響起后，鬧鐘自動(dòng)進(jìn)入計(jì)時(shí)和掃描紅外傳感信息模式，要最終停止鬧鈴，就必須通過紅外傳感器掃描到用戶已經(jīng)起床，紅外傳感器將電平信號(hào)送回單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)其與設(shè)定值進(jìn)行比較、判斷，一旦達(dá)到設(shè)定值，單片機(jī)就會(huì)終止向蜂鳴器發(fā)送信號(hào)，響鈴?fù)Ｖ埂ｔ[鈴電路設(shè)計(jì)，如圖6所示。

圖6 鬧鈴模塊與單片機(jī)連接電路

2.6 鍵盤與按鈕模塊

鍵盤與按鈕模塊[2,3]設(shè)計(jì)為校時(shí)功能鍵S1、定時(shí)功能鍵S2、加時(shí)按鍵S3、減時(shí)按鍵S4和鬧鐘開關(guān)鍵S5五個(gè)按鍵，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過對(duì)相應(yīng)按鍵的不同操作實(shí)現(xiàn)對(duì)鬧鐘的年、月、日、時(shí)、分、秒的設(shè)置和調(diào)整，通過開關(guān)鍵來開啟和關(guān)閉鬧鐘。S1、S2、S3、S4、S5分別接入P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4。

當(dāng)按下時(shí)間調(diào)整鍵S1時(shí)，系統(tǒng)可進(jìn)行年、月、日、時(shí)、分、秒的設(shè)置和調(diào)整，具體設(shè)置情況如表1所示。

表1 校時(shí)功能鍵S1設(shè)置情況表

按鍵次數(shù)1234567 功能設(shè)置年份設(shè)置月份設(shè)置日期設(shè)置小時(shí)設(shè)置分鐘設(shè)置秒鐘返回，恢復(fù)正常時(shí)間顯示

當(dāng)按下設(shè)置定時(shí)鍵S2時(shí)，系統(tǒng)可進(jìn)行鬧鐘定時(shí)時(shí)間的日、時(shí)、分、秒設(shè)置，具體設(shè)置情況如表2所示。

表2 定時(shí)功能鍵S2設(shè)置情況表

按鍵次數(shù)1234 功能設(shè)置日期設(shè)置小時(shí)設(shè)置分鐘返回，恢復(fù)正常時(shí)間顯示

不論是校時(shí)還是定時(shí)的時(shí)間設(shè)置都通過加時(shí)按鍵S3和減時(shí)按鍵S4進(jìn)行控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)流程圖

本文系統(tǒng)的主程序[3,4]主要包括初始化、按鍵掃描、始終參數(shù)設(shè)置、時(shí)鐘顯示時(shí)間、鬧鐘響鈴、紅外感知等功能，其中基于紅外感知的鬧鐘響鈴控制流程是創(chuàng)新點(diǎn)，也是難點(diǎn)。系統(tǒng)的主程序流程具體，如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

系統(tǒng)的基于紅外感知的鬧鐘響鈴控制流程具體，如圖8所示。

圖8 鬧鐘響鈴流程圖

3.2 系統(tǒng)功能模塊

根據(jù)系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能模塊，系統(tǒng)功能分為以下幾個(gè)子功能模塊:

（1）時(shí)間調(diào)整子功能模塊；

（2）鬧鐘時(shí)間設(shè)置子功能模塊；

（3）顯示器顯示子功能模塊；

（4）蜂鳴器響鈴子功能模塊；

（5）紅外測距傳感器感知子功能模塊。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的基于紅外感知的智能鬧鐘，功能齊全，可以作為時(shí)鐘也可以作為鬧鐘，并且能夠簡單、方便、有效的解決懶床造成的遲到等問題，具有市場推廣應(yīng)用前景。

[1] 龔虹瑞，黃小莉. 具有鬧鐘和短信提醒功能的智能藥盒設(shè)計(jì)[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版)，2014，33( 5) : 85-88.

[2] 郭進(jìn),彭惠東,劉浩, 等. 一種基于STC89C52單片機(jī)的智能鬧鐘的設(shè)計(jì)[J]. 中國科技信息年刊，2013,11: 160-161．

[3] 戴明. 基于單片機(jī)AT89C2051 的智能電子鬧鐘的設(shè)計(jì)[J].長沙通信職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2013, 12(2) : 39-42.

[4] 曾力,劉煒,曹龍. 基于AT89C51 單片機(jī)的數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)與仿真[J].信息通信,2015, 第10期: 4-5.

Design of Smart Alarm Clock Based on Infrared Perception

Su Xinyue

(Jinling High School, Nanjing 210006, China)

In the life, how to ensure that students get up on time is a headache for parents. Often the alarm clock rings, the children turn off the alarm clock in a daze, and then fall asleep again. The result is late for school, and good learning habits can’t be developed. In order to improve the insurance factor of getting up on time, whether the person has got up after the alarm clock ring is sensed and judged based on GP2Y0A02YK0F infrared distance sensor. Using STC89C52 single-chip microcomputer as the control center, and using DS1302 as a clock control chip, a smart alarm clock is designed in this paper. The alarm clock designed can have different processing according to the real-time situation so that falling asleep again can be effectively prevened, and can be with certain intelligence. The alarm clock designed also has stable performance, simple and convenient use, strong practicability.

STC89C52; GP2Y0A02YK0F; Infrared Perception; Alarm Clock

1007-757X(2016)12-0047-03

TP311

A

蘇心玥（1998-），女，江蘇南京金陵中學(xué)，南京 210006

（2016.08.10）