智能婴儿床的设计与实现

谢斌盛;邝维威

【摘 要】为了提高宝宝的睡眠质量，减轻父母的负担，以 ATmega16芯片为核心，设计并实现一种智能型婴儿床。通过语音识别、温湿度检测等电路随时检测监控婴儿的睡眠环境。主要讨论了该婴儿床的硬件和软件部分的设计思想及实现方法，并提供了测试实验数据，试验验证了方案的可行性和合理性，并具有一定的实用性。%An intelligent babycrib with ATmega16 as the core is designed and realized to improve the sleep quality and re⁃duce burdens of parents. By using speech recognition and temperature and humidity dectection circuits,baby′s sleeping environ⁃ment is tested and monitored at any time. The paper discusses the design idea and method of the crib′s hardware and software, and provides test data. The experiment verifies the feasibility and rationality of the design scheme and the intelligent crib has very strong practicality.

【期刊名称】《现代电子技术》 【年(卷),期】2013(000)005 【总页数】3页(P125-127)

【关键词】ATmega16芯片;智能型婴儿床;语音识别;温湿度检测 【作 者】谢斌盛;邝维威

【作者单位】广州大学 实验中心，广东 广州 510006;章和电气设备有限公司，广东 广州 510507

【正文语种】中 文 【中图分类】TN911.7-34 0 引言

随着智能家居的逐步实现，一种新型的婴儿床跃入了新生家庭的眼球，受到越来越多人的关注。新生婴儿常夜半啼哭，父母们往往为了照顾婴儿而焦虑疲惫。近年来，国内外有很多研究者开始致力于研究开发智能型婴儿床，这可为父母们提供不少便利。

本文设计了一种以ATmega芯片为主控MCU的智能型婴儿床系统，它主要通过检测环境声音等信息，从而实现了根据婴儿哭闹声改变其睡眠环境的功能，给婴儿提供贴心关怀的同时，也给父母带来了方便。在本文中，从硬件设计、软件设计及机械部分对该系统的设计思想和实现方法进行了阐述，并对系统进行了性能测试试验，试验结果表明所设计的智能型婴儿床系统的性能达到了设计具体要求。 1 婴儿床系统的设计构思

系统由机械和电路两部分组成。机械部分的床架四角下方装有滑轮，有一个小吊床装在床架内。吊床一端接传动杆，传动杆固定在传动轴上，然后传动轴又与摆杆相连接；吊床的另一端与从动杆相接，从动杆固定在转轴上，转轴固定在床架上。元器件和传感器组成的电路控制部分安装在床架上。智能婴儿床克服了传统四腿固定式床和四腿下装轮活动式床在婴儿哭闹的时候需要人抱或推动哄孩子的不足，可自动摇床。并且采用智能的语音识别技术，能识别出孩子的声音与大人的声音，从而判别是否需要摇床，以及根据孩子的哭声大小控制摇床的速度。此外，该系统还具有尿床报警功能，系统安装的湿度传感器能感应到婴儿是否尿床，并通过蜂鸣器报警以及在LED显示屏上告示父母宝宝尿床了。智能婴儿床与以往传统的智能

婴儿床相比有着性的创新，结构简单实用，大大减轻了父母的负担。 2 系统硬件设计

智能婴儿床在硬件上总体可分成以下几大模块：LED点阵模块、数码管显示模块、语音识别模块、电机驱动模块、按键模块、主控制模块。每部分都不是运行，是相互交织的。系统总框图如图1所示，系统中主控制芯片用ATmega16，语音识别模块用SPCE061A芯片，其内部集成DSP内核。尿床检测通过传感器DHT11实现。 图1 系统总框图

2.1 ATmega16主控芯片的介绍

ATmega16是一款高性能、低功耗的8位AVR微控制器。具有先进的RISC结构，数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，内部有16 KB的FLASH Memory，1 KB的SRAM，还带有512 B在线可编程E2PROM，方便数据存储，且支持ISP功能。同时具有8路10位A/D转换器，对于数据采集系统而言，外部无需单独的A/D转换器，从而降低了成本。故AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。 2.2 语音识别芯片的介绍

SPCE061A是继μ′nSPTM系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款性价比很高的16位微控制器。内嵌32 KB的FLASH，两路DAC，能实现少量语音的存储、放音；同时该芯片自带8路10位精度的ADC，其中一路为音频转换通道，并且内置有自动增益电路，这为实现语音录入提供了方便的硬件条件；具有较高的处理速度，能够非常容易、快速地处理复杂的数字信号。与SPCE500A相比，以μ′nSPTM为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。 2.3 检测系统

检测系统包括温度、湿度、语音三方面的检测，其中语音的检测是由语音识别芯片来实现，而温湿度的检测是采用DHT11作为信号获取传感器。DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。在本设计中DHT11通过一条双工数据线外接一个上拉电阻连接到ATmega16上，经过一系列的握手通信后，才能进行数据传输；ATmega16接收到DHT11发过来的温度、湿度数据后，把它们分别显示在数码管上，而且尿床报警也是通过检测DHT11上的湿度变化来判别的。为了防止梅雨天气的湿度比较高而出现的误判，在此采用一种科学的方法，即每隔10 s采集一次湿度进行对比，如果10 s内湿度上升7点视为尿床，如此一来可避免梅雨天气误报的情况。 2.4 电机控制部分

由于单片机无法直接驱动直流电机，本电路中采用了L298N芯片进行驱动，如图2所示。L298N是SGS公司的产品，其内部包含4通道逻辑驱动电路，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46 V，2 A以下的电机。L298N可驱动2个电机，OUTl、OUT2 和OUT3、OUT4 之间可各接1个电动机。INPUT1、INPUT2和INPUT3、INPUT4接输入控制电平，控制2个电机的正反转，ENA、ENB为使能端，控制电机的停转。在本设计中，只需要一个电机进行摇床控制，电机的运行控制情况如表1所示。在图2电机驱动电路中，L298N与ATmega16控制连接部分采用了光耦隔离，控制端和驱动端电气完全隔离，它们之间不共地，信号传输完全通过光传输，电机采用12 V供电，考虑到电机运行时可能引起的过压，在其输出端加了保护二极管，当其电压超过12 V并到达二极管的开启电压时，其电位将会钳定在12 V与开启电压之和上，从而保护了电机以及芯片。 图2 电机驱动电路图

表1 电机运行情况表? 3 系统软件设计

在系统硬件构架完成后，系统软件完成整个检测、控制功能，其总体结构可由以下几部分构成：温湿度检测模块，显示控制模块，语音识别模块，主程序控制模块。以下为软件系统设计的部分代码（温湿度检测程序）：

//==============温度湿度显示函数===============// void delay1（void） {int k；

for（k=0；k<400；k++）； }

void dataout（unsigned char temp）//温度读取函数 {

unsigned char i，temp1； temp1=tab[temp]；

for（i=0；i<8；i++）//8位的数据流 {scloff；

if（（temp1&0x80）!=0x80）dioff； else dion； sclon； temp1<<=1； scloff； } }

//=============按键读取========================//

unsigned char get_key（void） {

static unsigned char key_time=0； static unsigned char key_value=0； unsigned char key_n=0； key_n=～（PIND|ALL_KEY）； if（key_n==key_value）//按键防抖 {

if（key_time<10） key_time++；

else if（key_time==10） {

key_time++； return key_value； } }

else key_time=0； key_value=key_n； return 0； }

//==================主程序====================// void main（void） {

uchar value_back=99；

uchar value_after； uchar warn=35； uchar competion； uint count_s； uchar k；

DDRD=0X7A； //配置I/O寄存器 PORTD=0X9F； DDRA=0XFF； PORTA=0XFF； DDRB=0XFF； PORTB=0XFF；

OCR1A=500； //配置定时器 TIMSK|=（1<TCCR1B|=（1<4 系统测试

在系统硬件与软件部分设计完成后，对其进行测试，部分测试情况如图3（a），图3（b）所示。 图3 部分测试情况 5 结论

智能婴儿床的开发涉及到电子、计算机、电气、机械等多个学科领域，是一个综合

性的应用课题。本文着重以智能为前提，介绍了智能婴儿床的设计思想及硬件实现方法，试验证明了整个系统的可靠性较高，实用性较强，而且易于维护和扩展，若能在摇床的舒适度以及成本这两方面再加以研究，将具有产品化、市场化的意义。 参考文献

[1]古玉年，赵志强.基于MSP430的智能婴儿床的设计与实现[J].苏州市职业大学学报，2009，20（1）：32-36.

[2]田国栋，李强.基于ATmega16单片机的实时温度采集与分析系统[J].电子设计工程，2012，20（7）：151-153.

[3]李付军.一种基于80C196KC和L298N的直流电机PWM控制技术[J].自动化技术与应用，2012，31（3）：78-81.

[4]孙绪才.L298N在直流电机PWM调速系统中的应用[J].潍坊学院学报，2009，9（4）：19-21.

[5]卓晓丹.基于SPCE061A的语音识别系统设计[J].计量与测试技术，2012，39（3）：5-8.

[6]李晶皎.嵌入式语音技术及凌阳16位单片机应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[7]ARNOLD B.嵌入式系统设计[M].吕骏，译.北京：电子工业出版社，2002. [8]沈建良，赵文宏.ATmega128单片机[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[9]华英成，童诗白.模拟电子技术基础[M].4版.北京：清华大学出版社，2006. [10]阎石.数字电子技术基础[M].5版.北京：清华大学出版社，2005.