基于單片機的寶寶智能呵護器的設計

湯鵬飛，任玄明，李建榮，薛亞平

（揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225127）

基于單片機的寶寶智能呵護器的設計

湯鵬飛，任玄明，李建榮，薛亞平

（揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225127）

本設計采用STC低功耗增強型51單片機作為控制器，采用醫用高精度體溫傳感器和高精度數字式溫度傳感器進行寶寶體溫和環境溫度測量，一旦測量結果異常則報警提示。本設計有效解決了寶寶看護過程中溫度監控的問題，減輕了寶寶看護人員的工作量，具有較高的實用價值。

寶寶呵護器；單片機；體溫測量；環境溫度測量；報警提示

引言

2015年兩會上，李克強總理在政府工作報告中指出要把“大眾創業、萬眾創新”打造成推動中國經濟繼續前行的“雙引擎”之一，在神州大地上掀起了創新創業的新浪潮。隨著“二孩”政策的全面放開，孩子的問題再次成為人們關注的焦點。其中，“帶孩子”一直是家長最關注也是最頭疼的問題。本設計是專為愛心小寶貝設計的一款具有體溫檢測、被窩溫度檢測以及實時報警提示等功能的智能愛心寶貝呵護器，功能新穎，使用方便，具有較高的實用價值和廣闊的市場前景。

1 工作原理

寶寶智能呵護器將體溫監測、環境溫度監測、報警提示等多種功能集于一身，是一種新型的可穿戴設備。硬件系統由智能控制器、環境溫度測量、體溫測量、報警等模塊組成，可以不間斷測量環境溫度、寶寶體溫。當環境溫度過低或過高時，呵護器將報警提示家長給寶寶增減衣物；當測量到寶寶體溫異常時及時報警，提示家長進行相應的處理[1][2]。系統硬件結構如圖1所示：

圖1 智能呵護器硬件系統結構圖

2 硬件設計

硬件系統的核心控制器選用STC低功耗增強型51單片機15W404，此款單片機工作電壓寬，功耗低，可以直接采用鋰電池供電。內部集成時鐘電路、復位電路以及看門狗電路，可以簡化系統的硬件電路，系統時鐘工作頻率可以在下載程序時設定，精度比外接時鐘電路高。此外，此款芯片為1T型51單片機，理論運行速度為傳統12T單片機的12倍，完全滿足本系統對控制器的要求。

實時時間的獲取選用RTC管理芯片DS1302。此款芯片具有自動計秒、分、時、日、周月、年功能，只需要設定好當前時間，芯片內部將根據設定值自動走時，使用此芯片可以大大減輕CPU的負擔，同時也降低軟件開發的復雜度。

體溫測量選用專用的醫用體溫傳感器，如圖2所示。此傳感器溫度測量時間不超過1秒鐘，測量精度可達0.02℃，測量誤差不超過±0.05℃，完全滿足測量準確度的要求，測量數據準確可信[3]。

圖2 醫用體溫傳感器

環境溫度測量選用高精度數字式溫度傳感器，溫度測量時間不超過750毫秒，測量誤差不超過± 0.5℃，反應靈敏，測量結果準備可靠[4]。

此外，智能呵護器可以設定環境溫度報警提示的溫度范圍，當環境溫度高于溫度上限或低于溫度下限時，呵護器會立即報警提示[5]，如圖3所示。寶寶看護人員可以根據提示實時給寶寶增減衣服，可以有效避免寶寶過熱不舒服或者過冷受涼生病。

圖3 溫度上下限自行設定報警提示

圖4 智能呵護器電路原理圖

在明確系統關鍵器件的基礎上，設計系統硬件電路，如圖4所示。圖4中STC15W404AS為系統核心控制器，DS1302芯片為實時時間管理芯片，DS18B20芯片為環境溫度采集芯片，R20為體溫采集傳感器，Head6為OLED顯示器的接口電路，Buzzer為報警提示的蜂鳴器，兩只微動開關為功能鍵和調節鍵，用于系統參數的設定。

3 軟件設計

根據系統的功能需求以及系統硬件電路的設計，本設計軟件工作流程包括系統初始化、實時時間讀取、環境溫度檢測、體溫檢測、預警提示等工作流程[6]。系統軟件工作流程如圖5所示：

系統初始化過程是系統對資源進行分配、定義、設定等操作的過程，在此過程中需要完成RTC實時時鐘芯片的初始化、環境溫度傳感器的初始化、AD轉換初始化等過程。

讀取時間流程主要實現系統時間的更新，通過讀取DS1302指定單元的數據獲取年、月、日、時、分、秒等信息，并實時更新顯示[7]。時間讀取程序段如下所示：

……

nian=Read_DS1302(0x8d);

yue=Read_DS1302(0x89);

ri=Read_DS1302(0x87);

shi=Read_DS1302(0x85);

fen=Read_DS1302(0x83);

miao=Read_DS1302(0x81);

……

測量環境溫度流程實現了對環境溫度數據的獲取，通過讀取數字式溫度傳感器DS18B20轉換結果獲得。溫度數據讀取過程為固定流程，首先初始化DS18B20，然后依次發送0xCC和0x44指令，短暫延時后再次初始化，然后依次發送0xCC和0xBE指令，最后連續讀取兩個字節的溫度高低位數值獲得溫度值。具體編程過程中，根據最終需要的溫度值精度要求進行高低位數據合并，得出實際溫度值，DS18B20最小溫度變化階躍為0.0625攝氏度。

體溫測量流程通過對高精度體溫專用溫度傳感器溫度轉換電路進行AD轉換，換算出溫度傳感器的電阻值，根據溫度傳感器電阻值與溫度對應關系，換算出當前的體溫數據，此操作核心是AD轉換，AD轉換函數如下所示：

BYTE GetADCResult(BYTE ch)

{

ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ch| ADC_START;

_nop_();//等待4個NOP

……

while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG));//等待ADC轉換完成

ADC_CONTR&=～ADC_FLAG； //CloseADC

return ADC_RES； //返回ADC結果

}

根據環境溫度測量流程的結果，比對環境溫度報警上下限值，決定是否報警提示家長給寶寶增減衣物。根據體溫測量流程測得的結果，比對人體體溫正常溫度范圍，決定是否報警提示寶寶體溫異常，從而達到替家長看護寶寶冷暖的目的。

4 結語

基于單片機的寶寶智能呵護器是集環境溫度測量、體溫測量、數據異常報警等功能于一身的智能寶寶保姆，在它的幫助下可以及時監測寶寶的體溫，環境溫度，并自動給予提示報警，有利于寶寶的健康成長。此呵護器功能新穎，具有較高的實用價值[8]。

[1]范江波，楊麗.基于STC11F04E的智能限電器設計[J].三門峽職業技術學院學報，2012.6(2):53-55.

[2]Active Low-Pass Filter Design[G].Application Report SLOA049A -October 2010 Texas Instruments.

[3]馮雅莉，郝寧生.基于單片機的全自動智能魚缸清理器系統設計[J].韶關學院學報，2015.8(4):22-26.

[4]湯鵬飛，李建榮，薛亞平.基于單片機的城市公共長凳智能清潔器的設計[J].重慶電力高等專科學校學報，2016.6(3):1-4.

[5]孫立輝，王海.基于單片機的宿舍多功能用電監控系統的設計[J].現代電子技術，2016.2(4):135-139.

[6]宋春煥，楊雪芹，王麗娟.基于STC單片機油路控制器的設計[J].機電信息.2016.9(18):152-154.

[7]Kam M,Zhu Q.Optimal data fusion of correlated local decisions in multiple sensor detection system [J].IEEE Trans.AES.1988,18(5): 916-920.

[8]李建榮，錢松.基于VFD顯示觸屏定時器的分析與設計[J].江蘇建筑職業技術學院學報，2012(6):9-12.

The Design of Smart Baby Monitor Based on MCU

TANG Peng-fei,REN Xuan-ming,LI Jian-rong,XUE Ya-ping
(Yangzhou Polytechnic Institute,Yangzhou 225127,Jiangsu)

This design uses the 51 MCU of low power enhancement as the controller,and adopts the medical high-precision temperature sensor and the high-accuracy digital temperature sensor to measure the baby's body temperature and the ambient temperature When the abnormal measurement result appears,the monitor will alarm at once.This design effectively solves the problem of temperature monitoring during baby care,and reduces the workload of child-caring staff,so this design is of high practical value.

baby monitor;MCU;body temperature measurement;ambient temperature measurement

TB472

A

1671-5004（2017）02-0011-03

2017-1-13

江蘇省2016年高等學校大學生創新創業訓練計劃立項項目“一款智能愛心寶貝呵護器的設計與制作”（項目編號：201613754003Y）

湯鵬飛（1996-），男，江蘇邳州人，揚州工業職業技術學院電氣與信息工程學院，研究方向：電子信息工程技術。