基于单片机的宝宝智能呵护器的设计

汤鹏飞，任玄明，李建荣，薛亚平

（扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225127）

基于单片机的宝宝智能呵护器的设计

汤鹏飞，任玄明，李建荣，薛亚平

（扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225127）

本设计采用STC低功耗增强型51单片机作为控制器，采用医用高精度体温传感器和高精度数字式温度传感器进行宝宝体温和环境温度测量，一旦测量结果异常则报警提示。本设计有效解决了宝宝看护过程中温度监控的问题，减轻了宝宝看护人员的工作量，具有较高的实用价值。

宝宝呵护器；单片机；体温测量；环境温度测量；报警提示

引言

2015年两会上，李克强总理在政府工作报告中指出要把“大众创业、万众创新”打造成推动中国经济继续前行的“双引擎”之一，在神州大地上掀起了创新创业的新浪潮。随着“二孩”政策的全面放开，孩子的问题再次成为人们关注的焦点。其中，“带孩子”一直是家长最关注也是最头疼的问题。本设计是专为爱心小宝贝设计的一款具有体温检测、被窝温度检测以及实时报警提示等功能的智能爱心宝贝呵护器，功能新颖，使用方便，具有较高的实用价值和广阔的市场前景。

1 工作原理

宝宝智能呵护器将体温监测、环境温度监测、报警提示等多种功能集于一身，是一种新型的可穿戴设备。硬件系统由智能控制器、环境温度测量、体温测量、报警等模块组成，可以不间断测量环境温度、宝宝体温。当环境温度过低或过高时，呵护器将报警提示家长给宝宝增减衣物；当测量到宝宝体温异常时及时报警，提示家长进行相应的处理[1][2]。系统硬件结构如图1所示：

图1 智能呵护器硬件系统结构图

2 硬件设计

硬件系统的核心控制器选用STC低功耗增强型51单片机15W404，此款单片机工作电压宽，功耗低，可以直接采用锂电池供电。内部集成时钟电路、复位电路以及看门狗电路，可以简化系统的硬件电路，系统时钟工作频率可以在下载程序时设定，精度比外接时钟电路高。此外，此款芯片为1T型51单片机，理论运行速度为传统12T单片机的12倍，完全满足本系统对控制器的要求。

实时时间的获取选用RTC管理芯片DS1302。此款芯片具有自动计秒、分、时、日、周月、年功能，只需要设定好当前时间，芯片内部将根据设定值自动走时，使用此芯片可以大大减轻CPU的负担，同时也降低软件开发的复杂度。

体温测量选用专用的医用体温传感器，如图2所示。此传感器温度测量时间不超过1秒钟，测量精度可达0.02℃，测量误差不超过±0.05℃，完全满足测量准确度的要求，测量数据准确可信[3]。

图2 医用体温传感器

环境温度测量选用高精度数字式温度传感器，温度测量时间不超过750毫秒，测量误差不超过± 0.5℃，反应灵敏，测量结果准备可靠[4]。

此外，智能呵护器可以设定环境温度报警提示的温度范围，当环境温度高于温度上限或低于温度下限时，呵护器会立即报警提示[5]，如图3所示。宝宝看护人员可以根据提示实时给宝宝增减衣服，可以有效避免宝宝过热不舒服或者过冷受凉生病。

图3 温度上下限自行设定报警提示

图4 智能呵护器电路原理图

在明确系统关键器件的基础上，设计系统硬件电路，如图4所示。图4中STC15W404AS为系统核心控制器，DS1302芯片为实时时间管理芯片，DS18B20芯片为环境温度采集芯片，R20为体温采集传感器，Head6为OLED显示器的接口电路，Buzzer为报警提示的蜂鸣器，两只微动开关为功能键和调节键，用于系统参数的设定。

3 软件设计

根据系统的功能需求以及系统硬件电路的设计，本设计软件工作流程包括系统初始化、实时时间读取、环境温度检测、体温检测、预警提示等工作流程[6]。系统软件工作流程如图5所示：

系统初始化过程是系统对资源进行分配、定义、设定等操作的过程，在此过程中需要完成RTC实时时钟芯片的初始化、环境温度传感器的初始化、AD转换初始化等过程。

读取时间流程主要实现系统时间的更新，通过读取DS1302指定单元的数据获取年、月、日、时、分、秒等信息，并实时更新显示[7]。时间读取程序段如下所示：

……

nian=Read_DS1302(0x8d);

yue=Read_DS1302(0x89);

ri=Read_DS1302(0x87);

shi=Read_DS1302(0x85);

fen=Read_DS1302(0x83);

miao=Read_DS1302(0x81);

……

测量环境温度流程实现了对环境温度数据的获取，通过读取数字式温度传感器DS18B20转换结果获得。温度数据读取过程为固定流程，首先初始化DS18B20，然后依次发送0xCC和0x44指令，短暂延时后再次初始化，然后依次发送0xCC和0xBE指令，最后连续读取两个字节的温度高低位数值获得温度值。具体编程过程中，根据最终需要的温度值精度要求进行高低位数据合并，得出实际温度值，DS18B20最小温度变化阶跃为0.0625摄氏度。

体温测量流程通过对高精度体温专用温度传感器温度转换电路进行AD转换，换算出温度传感器的电阻值，根据温度传感器电阻值与温度对应关系，换算出当前的体温数据，此操作核心是AD转换，AD转换函数如下所示：

BYTE GetADCResult(BYTE ch)

{

ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ch| ADC_START;

_nop_();//等待4个NOP

……

while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG));//等待ADC转换完成

ADC_CONTR&=～ADC_FLAG； //CloseADC

return ADC_RES； //返回ADC结果

}

根据环境温度测量流程的结果，比对环境温度报警上下限值，决定是否报警提示家长给宝宝增减衣物。根据体温测量流程测得的结果，比对人体体温正常温度范围，决定是否报警提示宝宝体温异常，从而达到替家长看护宝宝冷暖的目的。

4 结语

基于单片机的宝宝智能呵护器是集环境温度测量、体温测量、数据异常报警等功能于一身的智能宝宝保姆，在它的帮助下可以及时监测宝宝的体温，环境温度，并自动给予提示报警，有利于宝宝的健康成长。此呵护器功能新颖，具有较高的实用价值[8]。

[1]范江波，杨丽.基于STC11F04E的智能限电器设计[J].三门峡职业技术学院学报，2012.6(2):53-55.

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

[3]冯雅莉，郝宁生.基于单片机的全自动智能鱼缸清理器系统设计[J].韶关学院学报，2015.8(4):22-26.

[4]汤鹏飞，李建荣，薛亚平.基于单片机的城市公共长凳智能清洁器的设计[J].重庆电力高等专科学校学报，2016.6(3):1-4.

[5]孙立辉，王海.基于单片机的宿舍多功能用电监控系统的设计[J].现代电子技术，2016.2(4):135-139.

[6]宋春焕，杨雪芹，王丽娟.基于STC单片机油路控制器的设计[J].机电信息.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]李建荣，钱松.基于VFD显示触屏定时器的分析与设计[J].江苏建筑职业技术学院学报，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

江苏省2016年高等学校大学生创新创业训练计划立项项目“一款智能爱心宝贝呵护器的设计与制作”（项目编号：201613754003Y）

汤鹏飞（1996-），男，江苏邳州人，扬州工业职业技术学院电气与信息工程学院，研究方向：电子信息工程技术。