智能家用唤醒系统设计

吴瑞智 李欢敏 屈俊青 王超 袁新栋

摘要：采用STC89C51单片机作为主控制芯片，计了一款带有闹钟并具有语音唤醒功能的智能家用唤醒系统。此系统采用时钟芯片DS1302记录日期和时间信号，DS18B20温度传感器作为温度采集模块，LCD12864字符液晶显示器作为显示模块，利用PWM波调节唤醒灯亮度，ISD1760语音模块播报当前温度和穿衣建议，通过按键设置具体的时间和日期及闹钟等。本系统通过单片机控制，可在设定闹钟的时间到达之前启动唤醒灯，待唤醒灯亮度最大时闹钟开始响起，并且语音提醒温度和时间等信息。这款设计有一定的可行性和人性化等特点，不仅可以用在满足普通人的唤醒需求，又可以用于老年人以及有耳疾的残疾人的唤醒需求等场合，在一定程度上体现了智能化。

关键词：液晶显示；STC89C51； ISD1760； DS18B20；唤醒灯

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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

普通的响铃闹钟设计缺乏的是人性化关怀这一理念，比如人们还在熟睡中就会被刺耳的闹铃叫醒，这种唤醒方式不仅会使人感到厌烦、浑身不舒服，更重要的是会影响人们的身体健康，因此，人性化的智能唤醒系统显得相当不可忽视。近年来，智能系统的研究已经带领社会进入了更为人性化的领域，这一现状引起了国内外学者及企业的广泛重视[1]。国外有一款地毯闹钟Reggie，这款闹钟功能是在唤醒时倘若不站上去，那么它就会一直响直到将人们唤醒，如此就解决了起床困难户的问题；Baboomi智能闹钟既有为闹钟充电的功能，在一定程度上又有震动的功能。临睡前在枕头下放置智能闹钟的震动设备，早上熟睡的人就会被它人性化地震动声音而慢慢唤醒，这种传达起床信息的方式更加智能化；倘若在智能手机上安装智能闹钟的App，也可以实现智能化的语音闹钟，通过设置起床时间，在早上就能感受到舒适地被唤醒。国内，浙江大学提出了一种人性化控制的智能家居若干关键技术研究；中国信息界提出的一款智能闹钟，每天早上能够温柔的唤醒熟睡中的人们；另外，杭州电子科技大学、吉林大学、山东大学等众多学者也进行了智能唤醒系统的相关研究。其研究成果填补了国内在相关领域的多项空白，为人性化的智能家居设计提供了新的思路和技术支持，在很大程度上推动了国内智能化系统的发展进步[2]。

针对目前功能比较大众化的闹钟设计中存在的人性化关怀不够，以及没有充分考虑到消费者的使用体验等问题[3-5]，本设计做出了进一步的改进，主要体现在在唤醒系统的视觉、听觉等方面。家用智能唤醒系统，可根据人们预先设定的起床时间，慢慢调整周围的光照闹钟响起唤醒熟睡中的人们，同时，以温柔的语音提示当天的室外温度来提醒人们穿衣厚度指数等。本系统不仅能满足普通人的唤醒需求，也能满足老年人以及有耳疾的残疾人的唤醒需求。

2 系统的设计方案

一款智能家用唤醒系统必须具备基本的电子时钟功能，这可以根据不同的需求设定不同的操作从而实现不同的功能。智能闹钟在设定的起床时间还没到达之前，自动调光灯由暗变亮，闹钟开始响铃，并进入语音提醒模式，和普通闹钟相比较有很大的创新。如果人们还未从熟睡中醒来，那么闹钟就会持续响起直至手动关闭闹钟。本智能家用唤醒系统核心硬件是以STC89C51单片机为主控芯片，根据主控芯片的外围接口这一特点，在外围加以其他硬件电路，然后根据单片机的指令设计要求，在编译软件中采用C语言设计程序，并通过执行一定的程序来实现此系统的功能。系统设计主要由单片机最小系统、温度检测、实时时钟模块、PWM波调光、具有语音提醒功能的闹钟模块、显示和按键模块等几个部分组成。STC89C51单片机最小系统作为主控模块，时间、日期信息的采集由DS1302时钟芯片来完成，温度的获取用DS18B20温度传感器来实现，时間和温度等的显示主要是在LCD12864液晶显示器中完成的；通过按键完成日期、时间的初始化设置和闹钟的设定；借助PWM波的变化实现唤醒灯自动调光；采用语音模块完成闹钟唤醒和温度提醒功能。家用智能唤醒系统设计原理框图如图1所示。

根据设计方案，系统的原理图设计如图2所示。总体原理图以单片机STC89C51为核心的控制电路[6]，外围辅以时钟电路、温度传感器电路、PWM唤醒灯电路、液晶显示电路及语音播报电路等。通过按键设置闹钟，单片机将温度传感器和实时时钟传来的信息处理后送到液晶显示器显示，按照设定的时间，单片机会提前一段时间控制唤醒灯打开，语音模块与单片机进行通信协议，从而实现各个功能。

3 硬件电路设计

4 软件系统设计

该智能家用唤醒系统软件部分所用的编程语言是C语言。

4.1 系统主程序

为实现系统功能，系统软件各部分功能必须按要求编程。智能家用唤醒系统的软件部分主要包括：单片机主控部分、LCD12864液晶显示部分、时钟控制部分、语音播报、温度检测部分、调光及按键部分等。主程序对模块进行初始化，而后调用DS1302时间处理子程序、读温度、处理温度、显示、按键及语音录放子程序等模块。系统的整体程序流程图如图3所示。

4.3 子程序设计

子程序设计包括顯示、时间、温度、语音、调光及按键等。各个模块所实现的功能大体可由模块的流程图表示，主要给出显示、时间和温度的工作流程。

LCD显示子程序的设计，程序主要实现对需要的信息的显示，显示包括时间及温度等信息。需要在写程序时注意它的读写控制指令，对显示进行初始化，调用时间、温度及农历转公历等子程序，将温度值和时间数据转换为液晶字符显示。通过液晶显示程序能够实现时钟的实时显示以及温度值的显示，也可以实现万年历功能。使用串口方式将液晶显示与控制芯片通信，程序比并口方式简单易实现。子程序LCD12864显示模块子程序的流程图如图4所示。

DS1302子程序的设计，在将时钟初始化后写入时钟的初值，时钟模块开始计时并读出数据送至显示器显示，其流程图如图5。

DS18B20温度子程序，主要包括初始化，检测温度的存在与否，进行读写操作并转换读取温度，其程序流程图如图6所示。

5 结束语

这款基于单片机的智能唤醒系统从硬件和软件两大方面解决了普通闹钟的不足，在加入光度调节从而使熟睡中的人们能够在设定的时刻醒来。闹钟会在设定时间前将唤醒灯打开，调节人体生物钟，在人们浅睡眠时闹钟响起并播报温度等信息。该系统以单片机为控制芯片，外接时钟电路、语音电路、温度采集电路、自动调光电路等来实现各项功能。这款智能唤醒系统不仅能够更人性化的唤醒熟睡中的人们，还能提高人们的工作效率。

参考文献：

[1] 李倩倩.闹钟的人性化设计分析[J].第十一届全国包装工程学术会议论文集，2007，11（8）：74-76.

[2] 朱汉敏.一种多功能智能电子钟[J].福建电脑，2016，8（11）：33-35.

[3] 唐宇，刘传菊，肖明明.智能数字无线控制计时时钟的设计[J].2009，30（1）：46-48.

[4] 陈奕枫，郝家胜，林继祥.基于ZigBee技术的智能家居控制系统设计与实现[J].2014，23（5）：77-86.

[5] 张燃.基于人性化控制的智能家居若干关键技术研究[D].浙江大学，2015（12）：87-90.

[6] 任帅，杨添福，吴宏亮.基于STC89C51的温测型多功能电子万年历设计[J].中国新技术新产品，2016（9）：84-86.