基于單片機應用的智能嬰兒車

周恒 孟祥佳

摘? 要：以單片機為智能嬰兒車的控制核心，主要由環境監測系統、智能安全服務系統兩大系統組成。其中環境檢測系統功能包括：通過采用溫度、濕度、光照強度、PM傳感器來實現對周圍環境數據指標的實時監控;安全服務系統功能包括：智能檢測嬰兒尿床，根據光照強度來實現對嬰兒車罩的制動開關，智能充電。智能嬰兒車緊跟當下技術潮流，采用最具穩定的51系列單片機作為控制中樞，結合物聯網相關技術，采用單元化控制，將各部分功能通過不同傳感器獨立化，將技術與家長需求完美融合，最大程度方便和減輕家長帶嬰兒的負擔。

關鍵詞：單片機;智能嬰兒車;環境檢測;安全服務;物聯網;傳感器;獨立化

中圖分類號：TM383? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

智能嬰兒車主要有兩大系統組成：智能環境檢測系統、智能安全服務系統。其中環境檢測系統包括對溫度、濕度、光照強度、環境PM2.5的數據采集并顯示在屏幕上。對環境的檢測可以讓家長實時的了解到孩子所處的環境狀況，當不適宜時能夠快速做出改變。安全服務系統包括：可遮光車罩制動升降系統、安全智能充電系統、太陽能供電系統、嬰兒尿床報警系統。這些功能不僅提高了嬰兒的舒適度，也在很大程度上減少了父母的負擔。

2 系統功能概述

2.1 智能環境檢測系統

本系統由一個STC89C51單片機單獨控制，片內各部件通過片內單一總線連接而成，其基本結構依舊是CPU加上外圍芯片的傳統微型計算機結構模式，但CPU對各種外圍部件的控制是采用特殊功能寄存器SFR的集中控制方式[1]。

幾組傳感器原理：溫濕度傳感器是指能將溫度量和濕度量轉換成容易被測量處理的電信號的設備或裝置。低功耗片上溫度傳感器，將與溫度成正比的電流輸入到振蕩器，產生與溫度成正比的頻率，再利用計數器來實現頻率到數字的轉換[2]。濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類[3]。PM2.5傳感器光學方法分為紅外法和激光法兩種方法，本次我們使用的為紅外法，紅外法由于光線強度不夠，只能用濁度法測量。

最后將上述傳感器所測量的值顯示出來，顯示屏連接在單片機輸出端口，接收來至各個傳感器所收集到的數據。

2.2 智能安全服務系統

2.2.1 制動升降裝置

該裝置用于可遮光車罩制動升降系統，裝置的核心是采用12V-5A步進電機帶動車罩的升降。而本裝置的創新之處在于車罩的升降是由感光元件進行控制，及感光元件控制步進機的轉動。感光元件中受光可增加電荷量，這些電荷量在外加電場的作用下， 自由電子受正電荷的吸引奔向電源的正極， 空穴則奔向電源的負極， 由此形成電流， 從而促使電路中的電流增大[4]。利用智能環境檢測系統中的光照感應元件，連接出第二引腳接入本系統控制中樞。設定某一光照值Lx1，當光照感應元件超出設定值Lx1時，控制中樞發出高電平信號，步進機正轉帶動車罩下降;此時若光照值小于設定值Lx2，控制中樞發出低電平信號，步進機反轉帶動車罩上升。若在光照值沒有達到設定值時，人為想降下或是升起，也可按取消按鍵，進行人工操作。

步進電機由光照感應器控制，由直流電提供動力。步進電機的速度控制是通過單片機發出的步進脈沖頻率來實現， 對于軟脈沖分配方式， 可以采用調整兩個控制字之間的時間間隔來實現調速， 對于硬脈沖分配方式， 可以控制步進脈沖的頻率來實現調速[5]。通常步進電機的轉子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產生矢量磁場。轉子也隨著該磁場轉一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比、轉速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉。所以可用控制脈沖數量、頻率及電動機各相繞組的電信號順序來控制步進電機的轉動。利用這一原理我們就能根據高低電平來控制步進電機的正轉與反轉。

2.2.2 智能電源

采用硅系列太陽能電池中，單晶硅太陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟[6]，太陽能供電裝置安置在嬰兒車前方下部，在外出時將其拉出，可以在行駛中制動充電，免去了充電器插電源的繁瑣性。為了在陰雨天也能夠供電，我們在嬰兒車的底部安裝了儲蓄電池，將電能儲蓄在電池中以便在沒有太陽天的使用。更可以在直接用家庭220V電源為蓄電池直接充電。

2.2.3 智能充電裝置

該裝置在車的后方顯示屏旁邊，接有3個USB接口，在父母推嬰兒上街時，如果父母手機沒電，可以臨時為手機充電。更可以為諸多智能用品臨時提供電源，保證出行電量安全。無外接充電時電路處于斷開狀態，當有充電裝置插入，連通電路使之電路通電。該電路設計主要參考安全插座的設計理念;電流支路檢測是用于插座空閑時，提供一個微弱電流檢測待接負載，是否正確連接用戶供電的同一相零回路，若有漏電或人體電阻存在，使其發出控制電壓，使下級電路不工作[7]。

2.2.4 嬰兒尿床報警系統

該裝置一直飽受各界爭議，擔心當嬰兒尿濕時會漏電對嬰兒造成傷害。在此完全不用擔心此類事情發生，因為在該裝置中采用低電位控制電阻式濕度傳感器，將濕度傳感器作為模擬數字電路，在干燥環境下電路中電阻很大，電流幾乎忽略。當有水滴或是濕度很大時，濕度感應器電阻變小，電路導通，導通后模擬電路會發出高電位到控制中樞，控制中樞接受高電位后，再向蜂鳴器發出模擬信號，蜂鳴器接受控制信號，然后發出聲音來提醒家長嬰兒尿床。

我們采用壓電式蜂鳴器，壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。當接通電源后（1.5～15V直流工作電壓），多諧振蕩器起振，輸出1.5～2.5kHz的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發聲。壓電蜂鳴片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成。在陶瓷片的兩面鍍上銀電極，經極化和老化處理后，再與黃銅片或不銹鋼片粘在一起。當發聲時我們給它的電壓值控制在1.5V-3V之間，可見這一電壓對人體絕對是安全的[8]。

3 功能測試及結果分析

結合各模塊功能與原理分析，各個模塊間功能的相互配合程度，以及各個模塊是否完全遵從核心程序的調用。整套系統由C51單片機進行控制，各感應模組分工合作，經過對智能嬰兒車測試可以實現如下功能：

（1）能夠對智能嬰兒車周圍102m的環境質量監控并將數據顯示在嬰兒車所載的顯示屏上。讓家長實時了解周圍環境狀況。

（2）當光照強度大于某值時，車罩制動放下，當光照強度小于某值時車罩制動升起。

（3）太陽能板為蓄電池充電供其整車系統用電，并在出門時為父母提供應急移動電源。

（4）智能監控嬰兒是否尿床，當嬰兒尿床時提醒父母為其更換尿布。

4 結束語

在本次制作過程中，我們共實現了智能環境檢測系統、智能安全服務系統兩大功能系統，在兩大功能系統的基礎上我們繼續實現了對常見環境指標（溫度、濕度、PM2.5、光照強度）的檢測功能，和安全服務系統包括：可遮光車罩制動升降功能、智能充電功能、嬰兒尿床報警功能。這些功能的實現極大方便了家長帶嬰兒的負擔，同時也提高了嬰兒的舒適度和安全度。

在本課題的制作過程中不僅對技術方面有了更深一層的了解，也在制作過程中鍛煉了我們專業研究能力和團隊合作的能力。過程總會充滿各種不可預測的困難，我們只有不怕艱辛，勇于創新、敢于探索才能在困難中取勝。這種不怕吃苦的精神是在我們平時無法體會得到的，只有在實際的過程中我們才能逐步培養這種精神，并將其內化于心外化于行。整個制作過程也是對我們將來工作的一個良好鋪墊，培養了我們“尋找問題、發現問題、解決問題”的良好工作素養。

參考文獻：

[1]張毅剛.單片機原理與應用設計[M].北京：電子工業出版社，2015：13-14.

[2]張祎，何洪楷，趙野，等.一種工藝誤差校準的低功耗溫度傳感器[J].微電子學，2019，49（03）：360-365.

[3]華仔.濕度傳感器工作原理[Z].華強電子網，2017.

[4]馬愛霞，梁妍.光敏電阻及其應用[J].科技資訊，2017，15（14）：33+35.

[5]常毅.基于單片機的步進機控制研究[J].制造業自動化，2011，33（09）：16-18+64.

[6]曾群，白占旗，劉武燦，等.電子化學品在光伏電池產業中的應用及發展[J].低溫與特氣，2019，37（05）：1-6.

[7]陳俊，李祥.人體智能安全插座設計[J].電源學報，2012（01）：80-83.

[8]劉光林，吳志明，沈禮勝.蜂鳴器控制電路及蜂鳴器[P].中國：CN207690234U，2018.