一種基于單片機控制的多功能兒童床

張瀚文　盧歡　劉潤湘　孔磊　郝奕涵

摘? 要：幼兒床對孩子的健康成長有著重要的影響，是一種在當今社會不能缺少的兒童生活用品。基于此，主要針對孩子踢被易生病的情況，意圖將自動化檢測技術(shù)、紅外線測控技術(shù)以及其他的功能結(jié)合起來，通過單片機的信號處理機械臂和其他元器件對信號的接收及反饋，完成為孩子蓋被、提醒父母孩子的狀態(tài)等其他一系列附加的功能，從而實現(xiàn)在一定程度上幫助父母看護孩子的可能。

關(guān)鍵詞：幼兒床? 自動化? 程序控制

中圖分類號：TS664.01 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）02（c）-0011-03

隨著社會的發(fā)展，父母越來越重視孩子的成長發(fā)育，但在當今社會發(fā)展的快節(jié)奏之下，百忙之中抽出時間來照顧孩子無疑是給父母增加了無形的壓力。

所以，為了減輕父母負擔，同時提高育兒質(zhì)量，幼兒床似乎是父母不約而同的選擇。雖市場上已有諸多類型幼兒床，但大多存在功能單一、不具備智能化等問題，父母仍然需要付出很多的精力看護孩子。

因此，我們便萌生了這樣的想法：設(shè)計出一款可以保證幼兒在睡眠中不因踢被子而受凍驚醒、具有紅外線感觸亮燈的幼兒床，從而給予父母更多的睡眠時間，減輕父母育兒的生活壓力。做到讓孩子睡得舒心，讓家長睡得安心。

1? 正文

1.1 理論基礎(chǔ)

人口出生率指某地在一個時期之內(nèi)（通常指一年）出生人數(shù)與平均人口之比，它反映出人口的出生水平。而改革開放以來，如表1所示，我國的人口出生率從起初的18.25‰到2018年的10.94‰，長此以往，預計到2050年，將會下降到0左右[1]。因此，為防止人口老齡化這一嚴重問題的出現(xiàn)，保證充足的勞動力，國家開放了二孩政策，新生兒的數(shù)量也將因此逐漸增加，嬰幼兒用品也將愈發(fā)重要。

而且，隨著社會的發(fā)展，人們在外的工作、應(yīng)酬時間也在增加。基于凡勃侖效應(yīng)和中國實際，采用2014年CFPS數(shù)據(jù)，針對收入不平等對勞動者工時的影響進行實證分析。結(jié)果表明，從我國25個省市來看，收入不平等對勞動者工時有顯著的正向影響，收入差距越大，越會延長勞動者的工時[2]。這就導致了他們?yōu)榱双@得更多的財富，無力抽出更多時間撫育孩子。所以，設(shè)計出一款能夠緩解父母育兒壓力的幼兒床就顯得很有必要。

1.2 預實現(xiàn)功能

這款幼兒床主要針對的是孩子夜晚睡覺踢被子的問題，所以圍繞這個主題，產(chǎn)品將被期待完成以下功能。

（1）實現(xiàn)保溫功能，給孩子以舒適的睡眠環(huán)境。

（2）孩子踢掉被子時，自動為孩子蓋被。

（3）若孩子醒來，自動發(fā)出聲音提示父母孩子醒來的狀態(tài)。

（4）在聲音提醒的同時，亮起柔和燈光，方便父母在夜里視物。

1.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)具體見圖1、圖2。

1.4 產(chǎn)品原理

1.4.1 產(chǎn)品工作原理

（1）小孩踢被，紅外線發(fā)射器的信號收到阻擋，接收器無法接收信號，控制LED燈發(fā)出柔和光照，蜂鳴器發(fā)出輕柔悅耳鈴音，持續(xù)一段時間;床被中的磁性物質(zhì)與床墊上的永磁鐵分離，床墊上的壓力傳感器1因壓力減小而傳送信號給單片機，單片機發(fā)送指令。

（2）單片機給電路通電，控制機械臂上的電機1使短臂抬高至水平（此時電機2的正下方為永磁鐵），電機2工作使動臂緩慢下降，單片機同時控制驅(qū)動轉(zhuǎn)盤按一定角度來回轉(zhuǎn)動，使機械臂開始蛇形掃動。

（3）機械臂開始蛇形掃動的同時，單片機給電磁鐵通電，使得電磁鐵通過機械臂的蛇形掃動在床上的預定高度來回移動尋找磁性物質(zhì)。

（4）磁性物質(zhì)與電磁鐵吸附，機械臂上的壓力傳感器2因壓力增大傳送信號給單片機，使驅(qū)動轉(zhuǎn)盤停止工作，從而控制電機2使得動臂自然下垂，然后單片機給電磁鐵斷電，磁性物質(zhì)自由下落，與床墊上的永磁鐵吸附。

（5）床墊上的壓力傳感器1因為壓力增大而傳送信號給單片機，單片機發(fā)送指令。

（6）單片機控制機械臂的電機2工作，使得動臂抬升至水平，單片機再控制電機1工作，使得機械臂恢復初始狀態(tài)，完成一次蓋被任務(wù)。

1.4.2 機械臂工作原理

機械臂是最基本的機器人，其一個重要的性能指標就是冗余關(guān)節(jié)的有無與數(shù)量的多少。沒有冗余關(guān)節(jié)的機械臂會在靈活性方面有所欠缺，在規(guī)避機械臂存在的奇異構(gòu)型、關(guān)節(jié)運動極限、任務(wù)空間的障礙物時不能做出理想的調(diào)整，所以機械臂使用的關(guān)鍵之處就在于對機械臂運動的合理規(guī)劃[3]。但由于該產(chǎn)品只需令其進行蛇形掃動和簡單的運動，故兩個自由度已是足夠。

因為機械臂就是該產(chǎn)品的主要工作方式，所以其工作原理與上文產(chǎn)品工作原理相差不大，此處不作過多贅述。

1.4.3 夜晚照明工作原理

產(chǎn)品中用到的紅外線測控儀器主要采用對射式紅外線傳感器（以下簡稱對射式傳感器）。該傳感器的工作原理為：兩端發(fā)射紅外信號，假如中間無遮擋時， 則接收端就能收到正常的信號;假如有人觸碰到布防區(qū)域時， 信號被擋住， 此時接收端便無法接收到信號，此時就可以產(chǎn)生一個報警信號并經(jīng)過放大整形電路放大、編碼電路進行編碼和發(fā)射等環(huán)節(jié)發(fā)射出去[4]。采用此裝置，通過在幼兒床的橫向兩側(cè)固定高度，安裝數(shù)對對射式傳感器，感應(yīng)橫向范圍距離兒童的設(shè)定高度以達到測控的作用。數(shù)對對射式傳感器并聯(lián)后串聯(lián)一個0.09W或0.23W暖光LED燈，當兒童半夜醒來起床時，達到設(shè)定高度后，遮擋住紅外線，暖光LED燈開始工作，已達到夜晚照明的效果，具體情況見圖3。

1.4.4 電動機工作原理

電動機（Motors）是一種旋轉(zhuǎn)式電動機器，它將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，通過磁場與電流之間的關(guān)系產(chǎn)生的力的作用，從而使自身轉(zhuǎn)動。因為使用了直流電源，所以將使用直流電動機，即電動機的做功部分做直線運動，圖4為直流電動機工作原理圖。

在電機的兩電刷端加上直流電壓，由于電刷和換向器的作用將電能引入電樞線圈中，并保證了同一個極下線圈邊中的電流始終是一個方向，繼而保證了該極下線圈邊所受的電磁力方向不變，保證了電動機能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)，當導體在磁場內(nèi)切割磁力線時，在導體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流和磁場的聯(lián)合作用向電機轉(zhuǎn)子施加驅(qū)動力，以實現(xiàn)將電能轉(zhuǎn)換成機械能以拖動生產(chǎn)機械。

注意：每個線圈邊中的電流方向是交變的。

1.4.5 恒溫系統(tǒng)原理

該產(chǎn)品的恒溫系統(tǒng)利用的是水循環(huán)的原理，利用水比熱容大的特性，由Q=cmΔT可知：在放出相同的熱量之后，溫度變化更小，更有利于溫度的保持。通電后，以電熱管為核心的加熱器收到電信號，對一部分水進行加熱，通過水循環(huán)系統(tǒng)，利用一種類似環(huán)流的原理，從而將全部液體的溫度提升起來，當其中的電子溫度計感受到限定溫度的信號時，發(fā)出信號令加熱器功率降低，只需保持溫度不變即可[5]。

2? 項目前景

由于國家政策的實行，未來一段時間內(nèi)，人口出生率將會呈現(xiàn)上漲的趨勢，兒童用品市場的缺口將會逐步增大。并且現(xiàn)有市場流通的幼兒床尚未實現(xiàn)過類似的功能，智能幼兒床市場仍處于技術(shù)成熟度曲線中的觸發(fā)期階段。若抓住先機，在今后的市場上占據(jù)較大份額是有可能的。但要注意的是，正是由于沒有相關(guān)產(chǎn)品作為參考，在經(jīng)驗和方向上自動化、智能化同時會有很大的劣勢，行之需謹慎。

3? 結(jié)語

幼兒床的設(shè)計不是一種無目的的行為。時代在發(fā)展，人們看待事物的角度也在發(fā)生著變化。在日趨智能化的當下，僅僅設(shè)計一款幼兒床是遠遠不夠的。還需要考慮受眾心理，尤其是要著重思索方便大眾的設(shè)計。這樣，以此為核心開發(fā)出的功能才能符合現(xiàn)代社會的可持續(xù)發(fā)展要求，才能將幼兒床與顧客需求結(jié)合起來，做出一款緊跟時代科技，緊隨大眾意愿的兒童床。

參考文獻

[1] 中華人民共和國國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒[M].北京：中國統(tǒng)計出版社，2018.

[2] 逯曉翠.論收入不平等對工作時間的影響——基于凡勃侖效應(yīng)的分析[J].知識經(jīng)濟，2018（9）：21，23.

[3] 王占鵬.受限空間機械臂運動規(guī)劃研究[D].北京郵電大學，2017.

[4] 歐海寧，楊敏英，郭小芳，等.一種對射式紅外線傳感器控制無線報警的設(shè)計[J].電子技術(shù)，2018，47（3）：42-44.

[5] 鄭兆志.制冷裝置電氣控制系統(tǒng)原理與檢修[M].北京：人民郵電出版社，2007.