基于STM32单片机的智能婴儿床设计*

2021-10-11潘铭志陈嘉欣刘慧玲

机械工程与自动化 2021年5期

潘铭志，陈嘉欣，刘慧玲

(晋中学院机械系，山西晋中 030619)

0 引言

近几年来，智能家居发展迅速，不论冰箱、空调还是门锁、窗帘，全都朝着智能化方向发展。其目的都是为了节省人力，而对于照顾婴儿这项工作，智能化产品在节省时间、减少精力耗费方面起到了关键作用。

本文主要介绍一种智能化的婴儿床，该产品以STM32单片机作为核心控制器，运用网络通信技术、机械制造技术、嵌入式开发技术，结合声音传感器、温湿度传感器以及步进电机，将传统婴儿床进行综合升级，实现了互连互通、以人为本的全新设计，并且配备安卓软件，保障育儿生活更加安全省心、智能便利。通过手机端可以控制婴儿床摇晃、调整婴儿床的姿势、检测婴儿是否小便，以及可以开启无需实时照看的睡眠模式。

1 总体设计

该智能婴儿床由机械部分和电路部分组成，主要以STM32F1单片机作为核心控制器，连接温湿度传感器和声音传感器，将数据采集后进行处理，并通过Wi-Fi模块发送至手机端，可检测婴儿小便、具有睡眠模式、能及时提醒监护人并反馈婴儿的一些实时状况。该婴儿床整体结构简单，采用步进电机、减速齿轮箱、传动轴实现摇篮功能，并且在已有婴儿床的基础上降低了床体重心和婴儿床的摆幅、增加了护栏高度、将床板边缘或者床板上空气流通口的边缘进行了光滑处理，在可摇摆、可通风的基础上增加了美观、安全系数高等优点。智能婴儿床的总体框图如图1所示。

图1 智能婴儿床的总体框图

2 系统设计

该系统分为电源模块、摇篮模块、调整座椅模块、检测模块、睡眠模块和小风扇等几个部分。

2.1 电源模块

电源模块采用LM2596可调电源模块，外接12 V锂电池。该模块可将电源转换为12 V以内的任意电压，STM32F1单片机连接5 V电源，温湿度传感器DHT11、声音传感器LM386连接5 V电源，步进电机驱动器TB6600连接12 V电源。该模块装有4个自恢复保险丝，可对过热、过流进行保护，且具有自动恢复的功能。此外还带有电源指示灯，若灯灭，说明负载有短路，可提醒及时拔掉电源。

2.2 摇篮模块

42步进电机与齿轮组中的主动轮连接进行动力传动，从动轮与传动轴连接，由传动轴连接床体。首先在单片机中设置好步进电机步数后，收到指令，步进电机开始转动，转子带动齿轮组运动，齿轮组带动传动轴运动，最后由传动轴带动床体进行单方向、小角度、低速度的摇摆。婴儿床两侧的传动轴与前、后两端床体中的轴承连接，增加了传动的稳定性。齿轮组为减速齿轮，传动比为0.8，过快的速度摇摆影响婴儿的身体健康，会造成不适感。步进电机驱动器采用TB6600，该驱动器可用拨码开关选择8挡电流，具有过热、过流短路保护功能，能够小噪声、低震动、高速地驱动电机。

在单片机中已设置好多种摇篮模式，根据调查，将单侧摇摆角度设置为13°，摇摆周期为3 s，是最适合2周岁以下的婴儿，不会对婴儿造成危害。监护人可以通过手机端并根据婴儿年龄的不同选择合适的模式。此处采用两个步进电机，分别与驱动器1和驱动器2连接，摇篮模块电路如图2所示。

图2 摇篮模块电路

2.3 调整座椅模块

该婴儿床的床位分为三部分，中间部分固定于床架，前、后两部分分别与一个转轴连接。使用联轴器将步进电机转子和转轴连接，转轴与床板连接，在另一侧转轴与轴承连接。利用单片机设置好步进电机步数，收到指令后，步进电机提供动力带动转轴运动，使床板开始旋转，此时可以通过手机端将床板固定在任意倾斜状态，由此完成从睡姿到坐姿的转换，同理，也可在休息时将床板恢复到水平状态。

此处采用两个步进电机，分别与驱动器3和驱动器4连接。调整座椅模块电路如图3所示。

图3 调整座椅模块电路

2.4 检测模块

将温湿度传感器DHT11与单片机连接，实时监测婴儿是否尿床，并进行判断。将温湿度传感器置于床板上，提前对其设置适当阈值，当婴儿尿床时，温度湿度超出传感器阈值，传感器会反馈到单片机，从而提醒监护人及时处理。

该数字温湿度传感器功耗极低，信号传输距离可达20 m以上，具有体积小、响应速度快、控制简单等特点。与单片机连接后，一直读取外界温湿度数据，若超过阈值，发生中断，将提示发送至手机端。温湿度传感器DHT11电路原理图如图4所示。

图4 DHT11电路原理图

2.5 睡眠模块

监护人可在婴儿入睡后开启睡眠模式，声音传感器LM386将监测婴儿睡醒后是否哭泣或拍打床体。声音传感器放置于床头，提前对其设置适当阈值，当婴幼儿睡醒后，若发出的声音超过传感器阈值，传感器会反馈到单片机，从而将提醒发送至手机端，防止婴儿在没有人监管的情况下发生危险。同时，监护人可提前设置好哭泣后是否自动开启摇篮模式，若检测到哭声，提醒监护人的同时也会开始摇晃婴儿床。

该声音传感器功耗低、谐波失真小，可检测的频段为50 Hz～20 kHz。婴儿的哭声可达到600 Hz～1 200 Hz左右，而环境中的噪声频率小于200 Hz，因此需在传感器前连接一个低频滤波器，防止环境噪声干扰声音传感器的正常工作，阻断400 Hz以下的声音。LM386的DATA接单片机的PB6引脚，该引脚为TIM4_CH1，利用中断对外界声音进行捕获，若产生一次上升沿，即捕获了一次外界高于400 Hz的声音。LM386的电路原理图如图5所示。

图5 LM386电路原理图

2.6 小风扇

使用电机马达带动两个小风扇，内置于婴儿床护栏的一侧，解决夏季炎热的问题，提升婴儿的舒适感，并且安装了风扇保护罩，避免对婴儿造成危险。电机使用L9110驱动器，该驱动器为两通道推挽式功率放大器件，TTL/CMOS输出电平兼容，可直接连CPU，并且利用PWM脉冲调制对电机进行调速。可通过手机端对转速进行设置，控制风力的强弱，满足不同年龄段婴儿的需要。小风扇模块电路如图6所示。