智能家用喚醒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳瑞智 李歡敏 屈俊青 王超 袁新棟

摘要：采用STC89C51單片機(jī)作為主控制芯片，計(jì)了一款帶有鬧鐘并具有語(yǔ)音喚醒功能的智能家用喚醒系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用時(shí)鐘芯片DS1302記錄日期和時(shí)間信號(hào)，DS18B20溫度傳感器作為溫度采集模塊，LCD12864字符液晶顯示器作為顯示模塊，利用PWM波調(diào)節(jié)喚醒燈亮度，ISD1760語(yǔ)音模塊播報(bào)當(dāng)前溫度和穿衣建議，通過(guò)按鍵設(shè)置具體的時(shí)間和日期及鬧鐘等。本系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)控制，可在設(shè)定鬧鐘的時(shí)間到達(dá)之前啟動(dòng)喚醒燈，待喚醒燈亮度最大時(shí)鬧鐘開(kāi)始響起，并且語(yǔ)音提醒溫度和時(shí)間等信息。這款設(shè)計(jì)有一定的可行性和人性化等特點(diǎn)，不僅可以用在滿(mǎn)足普通人的喚醒需求，又可以用于老年人以及有耳疾的殘疾人的喚醒需求等場(chǎng)合，在一定程度上體現(xiàn)了智能化。

關(guān)鍵詞：液晶顯示；STC89C51； ISD1760； DS18B20；喚醒燈

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）04-0158-03

Design of Intelligent Home Wake-up System

WU Rui-zhi， LI huan-min， QU jun-qing， WANG Chao， YUAN Xin-dong

（Department of Physical and Electronic Information， Yanan University， Yanan 716000，China）

Abstract： An intelligent home wake-up system with the function of alarm clock is designed ba-sed on MCU STC89C51 chip. STC89C51 micro-controller is used as the main control chip. D-S1302is used to record the date and time signals， and DS18B20 is adopted as the temperature acquisition modula.LCD12864 is used as a display module， and PWM is used t-o change the lamp brightness. ISD1760 voice module is used to broadcast the current tem-perature and give wearing suggestions. The alarm time can be set by button. The wakeup la-mp works before the setting time， and the alarm clock starts to ring when the lamp reac-hes its maximum. Meanwhile， the temperature and time are broadcast. The system can b-e used for ordinary people and some disabled people with ear diseases， which reflects t-he intelligence in some extent.

Key words： Liquid crystal displays； STC89C51； ISD1760； DS18B20； Wake up light

1 概述

普通的響鈴鬧鐘設(shè)計(jì)缺乏的是人性化關(guān)懷這一理念，比如人們還在熟睡中就會(huì)被刺耳的鬧鈴叫醒，這種喚醒方式不僅會(huì)使人感到厭煩、渾身不舒服，更重要的是會(huì)影響人們的身體健康，因此，人性化的智能喚醒系統(tǒng)顯得相當(dāng)不可忽視。近年來(lái)，智能系統(tǒng)的研究已經(jīng)帶領(lǐng)社會(huì)進(jìn)入了更為人性化的領(lǐng)域，這一現(xiàn)狀引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者及企業(yè)的廣泛重視[1]。國(guó)外有一款地毯鬧鐘Reggie，這款鬧鐘功能是在喚醒時(shí)倘若不站上去，那么它就會(huì)一直響直到將人們喚醒，如此就解決了起床困難戶(hù)的問(wèn)題；Baboomi智能鬧鐘既有為鬧鐘充電的功能，在一定程度上又有震動(dòng)的功能。臨睡前在枕頭下放置智能鬧鐘的震動(dòng)設(shè)備，早上熟睡的人就會(huì)被它人性化地震動(dòng)聲音而慢慢喚醒，這種傳達(dá)起床信息的方式更加智能化；倘若在智能手機(jī)上安裝智能鬧鐘的App，也可以實(shí)現(xiàn)智能化的語(yǔ)音鬧鐘，通過(guò)設(shè)置起床時(shí)間，在早上就能感受到舒適地被喚醒。國(guó)內(nèi)，浙江大學(xué)提出了一種人性化控制的智能家居若干關(guān)鍵技術(shù)研究；中國(guó)信息界提出的一款智能鬧鐘，每天早上能夠溫柔的喚醒熟睡中的人們；另外，杭州電子科技大學(xué)、吉林大學(xué)、山東大學(xué)等眾多學(xué)者也進(jìn)行了智能喚醒系統(tǒng)的相關(guān)研究。其研究成果填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域的多項(xiàng)空白，為人性化的智能家居設(shè)計(jì)提供了新的思路和技術(shù)支持，在很大程度上推動(dòng)了國(guó)內(nèi)智能化系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)步[2]。

針對(duì)目前功能比較大眾化的鬧鐘設(shè)計(jì)中存在的人性化關(guān)懷不夠，以及沒(méi)有充分考慮到消費(fèi)者的使用體驗(yàn)等問(wèn)題[3-5]，本設(shè)計(jì)做出了進(jìn)一步的改進(jìn)，主要體現(xiàn)在在喚醒系統(tǒng)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等方面。家用智能喚醒系統(tǒng)，可根據(jù)人們預(yù)先設(shè)定的起床時(shí)間，慢慢調(diào)整周?chē)墓庹蒸[鐘響起喚醒熟睡中的人們，同時(shí)，以溫柔的語(yǔ)音提示當(dāng)天的室外溫度來(lái)提醒人們穿衣厚度指數(shù)等。本系統(tǒng)不僅能滿(mǎn)足普通人的喚醒需求，也能滿(mǎn)足老年人以及有耳疾的殘疾人的喚醒需求。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

一款智能家用喚醒系統(tǒng)必須具備基本的電子時(shí)鐘功能，這可以根據(jù)不同的需求設(shè)定不同的操作從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。智能鬧鐘在設(shè)定的起床時(shí)間還沒(méi)到達(dá)之前，自動(dòng)調(diào)光燈由暗變亮，鬧鐘開(kāi)始響鈴，并進(jìn)入語(yǔ)音提醒模式，和普通鬧鐘相比較有很大的創(chuàng)新。如果人們還未從熟睡中醒來(lái)，那么鬧鐘就會(huì)持續(xù)響起直至手動(dòng)關(guān)閉鬧鐘。本智能家用喚醒系統(tǒng)核心硬件是以STC89C51單片機(jī)為主控芯片，根據(jù)主控芯片的外圍接口這一特點(diǎn)，在外圍加以其他硬件電路，然后根據(jù)單片機(jī)的指令設(shè)計(jì)要求，在編譯軟件中采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序，并通過(guò)執(zhí)行一定的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、溫度檢測(cè)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、PWM波調(diào)光、具有語(yǔ)音提醒功能的鬧鐘模塊、顯示和按鍵模塊等幾個(gè)部分組成。STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)作為主控模塊，時(shí)間、日期信息的采集由DS1302時(shí)鐘芯片來(lái)完成，溫度的獲取用DS18B20溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，時(shí)間和溫度等的顯示主要是在LCD12864液晶顯示器中完成的；通過(guò)按鍵完成日期、時(shí)間的初始化設(shè)置和鬧鐘的設(shè)定；借助PWM波的變化實(shí)現(xiàn)喚醒燈自動(dòng)調(diào)光；采用語(yǔ)音模塊完成鬧鐘喚醒和溫度提醒功能。家用智能喚醒系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)的原理圖設(shè)計(jì)如圖2所示。總體原理圖以單片機(jī)STC89C51為核心的控制電路[6]，外圍輔以時(shí)鐘電路、溫度傳感器電路、PWM喚醒燈電路、液晶顯示電路及語(yǔ)音播報(bào)電路等。通過(guò)按鍵設(shè)置鬧鐘，單片機(jī)將溫度傳感器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘傳來(lái)的信息處理后送到液晶顯示器顯示，按照設(shè)定的時(shí)間，單片機(jī)會(huì)提前一段時(shí)間控制喚醒燈打開(kāi)，語(yǔ)音模塊與單片機(jī)進(jìn)行通信協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該智能家用喚醒系統(tǒng)軟件部分所用的編程語(yǔ)言是C語(yǔ)言。

4.1 系統(tǒng)主程序

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，系統(tǒng)軟件各部分功能必須按要求編程。智能家用喚醒系統(tǒng)的軟件部分主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)主控部分、LCD12864液晶顯示部分、時(shí)鐘控制部分、語(yǔ)音播報(bào)、溫度檢測(cè)部分、調(diào)光及按鍵部分等。主程序?qū)δK進(jìn)行初始化，而后調(diào)用DS1302時(shí)間處理子程序、讀溫度、處理溫度、顯示、按鍵及語(yǔ)音錄放子程序等模塊。系統(tǒng)的整體程序流程圖如圖3所示。

4.3 子程序設(shè)計(jì)

子程序設(shè)計(jì)包括顯示、時(shí)間、溫度、語(yǔ)音、調(diào)光及按鍵等。各個(gè)模塊所實(shí)現(xiàn)的功能大體可由模塊的流程圖表示，主要給出顯示、時(shí)間和溫度的工作流程。

LCD顯示子程序的設(shè)計(jì)，程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)需要的信息的顯示，顯示包括時(shí)間及溫度等信息。需要在寫(xiě)程序時(shí)注意它的讀寫(xiě)控制指令，對(duì)顯示進(jìn)行初始化，調(diào)用時(shí)間、溫度及農(nóng)歷轉(zhuǎn)公歷等子程序，將溫度值和時(shí)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為液晶字符顯示。通過(guò)液晶顯示程序能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)鐘的實(shí)時(shí)顯示以及溫度值的顯示，也可以實(shí)現(xiàn)萬(wàn)年歷功能。使用串口方式將液晶顯示與控制芯片通信，程序比并口方式簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。子程序LCD12864顯示模塊子程序的流程圖如圖4所示。

DS1302子程序的設(shè)計(jì)，在將時(shí)鐘初始化后寫(xiě)入時(shí)鐘的初值，時(shí)鐘模塊開(kāi)始計(jì)時(shí)并讀出數(shù)據(jù)送至顯示器顯示，其流程圖如圖5。

DS18B20溫度子程序，主要包括初始化，檢測(cè)溫度的存在與否，進(jìn)行讀寫(xiě)操作并轉(zhuǎn)換讀取溫度，其程序流程圖如圖6所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

這款基于單片機(jī)的智能喚醒系統(tǒng)從硬件和軟件兩大方面解決了普通鬧鐘的不足，在加入光度調(diào)節(jié)從而使熟睡中的人們能夠在設(shè)定的時(shí)刻醒來(lái)。鬧鐘會(huì)在設(shè)定時(shí)間前將喚醒燈打開(kāi)，調(diào)節(jié)人體生物鐘，在人們淺睡眠時(shí)鬧鐘響起并播報(bào)溫度等信息。該系統(tǒng)以單片機(jī)為控制芯片，外接時(shí)鐘電路、語(yǔ)音電路、溫度采集電路、自動(dòng)調(diào)光電路等來(lái)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。這款智能喚醒系統(tǒng)不僅能夠更人性化的喚醒熟睡中的人們，還能提高人們的工作效率。

參考文獻(xiàn)：

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