基于AT89S52的婴幼儿智能助手的设计毕业设计.docx

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基于AT89S52的婴幼儿智能助手的设计毕业设计

毕业设计

基于AT89S52的婴幼儿智能助手的设计

【摘要】本设计课题来源于生活,以服务于新生代婴幼儿为中心思想，结合发散设计的设计思路,针对婴幼儿的生活习惯特点而设计的一款电子产品。

设计以AT89S52单片机为主控器件，通过MLX90614采集牛奶温度或水温信息，温度达到设定的预警温度时，控制ISD4003语音电路语音提示“适合饮用，请放心”。

通过嵌入有尿湿检测传感器的尿布检测小孩尿湿的信号；婴幼儿刚睡醒时，触摸到婴儿床的金属护栏时，通过信号放大电路检测这一触摸信号；尿湿信号和触摸信号通过无线发射电路发送给HS0038红外接收头并送至单片机实现软件解码，实现语音播放提示音“宝宝尿湿，请及时更换尿布”、“宝宝睡醒，需要照顾”。

本文自上而下，介绍了婴幼儿保姆智能助手从设计到具体实现的主要过程。

这是一款帮助新生儿父母和婴幼儿保姆的小型电子产品。

【关键词】单片机;语音录放；软件解码

【Abstract】Thisdesigntaskderivesfromlifeandisdesignedtobeaelectronicproduct,whichiscombinedwiththedesignideaofspreadandcharacteristicsofinfantslivinghabits,centeringonservingthenewgenerationinfant.ThedesignofthiselectronicproducttakesAT89S52SCMasthecontrollerdevice,collectingmilktemperatureorwatertemperaturethroughtheMLX90614.Whenthetemperaturereachesthesetwarningtemperature,thecontrolofISD4003voicecircuitwillprompt“fittodrink,pleaserestassured”.Thiselectronicproductdetectswetsignalsofchildrenthroughdiaperswithdetectionsensorinit.Whentheinfantswakeup,theirtouchtometalfenceofbabybedswillbedetectedthroughsingalamplifiercircuit.WetsignalsandtouchsignalswillbesenttoHS0038throughwirelesstransmittingcircuitandcarriedtothesinglechipmicrocomputerforsoftwaredecodingtorealizevoiceprompt“babywet,pleasechangediaperspromptly,”“thebabywokeupandneedtobetakencareof”.

Fromtop-down,thispaperintroducesthemainprocessofthenannyintelligenceinfantfromitsdesigntospecificrealization.Thisisasmallelectronicproducttohelptheparentsofnewborninfantsandnannysofinfants.

【Keywords】Single-chipmicrocomputer；Voicerecording；Softwaredecoding

1.绪论

1.1．项目背景

计划生育普及至今，越来越多的家庭仅有一独生子女，父母工作之余很少有时间照顾宝宝，很多比较富裕的家庭。

聘请保姆照帮助护理小孩，但保姆不能百分百的保证无时不刻守候在小宝宝身边，照顾宝宝的责任重大，所以开发与婴幼儿相关的电子设备有一定的市场需求。

婴儿的语言系统体系尚未形成和完备，需要读懂婴幼儿“特定的语言”，可以通过现阶段的高科技仪器，例如利用温度传感器配合单片机存储统计婴幼儿体温变化数据；通过检测嵌入湿度传感器的尿片感测其湿度情况,了解婴幼儿的排泄实时情况和排泄规律；幼儿休息时蹬被等，容易引起小孩感冒，即时报警以提醒大人；通过诸多手段和方法让看护人能有效的通过电子设备读懂小孩“语言”的同时掌握其生理规律，力求省事、省心、有效照看。

根据现实状况,随着现实生活的压力,新生儿父母不得不工作,以支撑沉重的家庭经济负担。

幼儿的抚养花费巨大,例如纸尿片、奶粉等等，数不胜数，开发这一电子产品可有效地减轻家庭经济负担。

电子设备正逐渐走向集成化，小型化，智能化。

可以将系统嵌入到婴幼儿推车里、摇篮里，甚至可以在保证安全的条件下嵌入到小孩的服装内，实现实时监控，达到有效帮助管理的效果。

1.2．项目概述

以AT89S52单片机[1]为中心控制器。

利用非接触式红外体温传感器MLX90614采集牛奶和饮用水的温度信息，也可以使体温信息，并通过LCD1602液晶显示其温度，达到一定温度值会语音提示[2][3]。

通过嵌入有湿度传感器的尿布采集小孩尿湿情况，触摸电路检测婴儿护栏被触摸的信号，并将这两个信号通过无线通信发送模块PT2262发射电路发送给单片机进行数据处理，解码到相应的信号后，利用单片机控制语音芯片播放语音提醒家人照顾小孩。

通过HS0038红外接收头接收由红外发射二极管的信息，红外接收头的数据端与单片机TXD管脚相连，对数据接收处理，数据处理完成后AT89S52控制语音芯片ISD4003播放语音提示音[4]。

利用液晶LCD1602显示实时温度。

1.3本论文主要内容

主要阐明本产品设计的由来，需要实现功能有：

温度信号采集与显示，尿湿的检测，触摸信号的检测，语音模块的语音录放及录入的语音信息的分段管理。

第二章主要描述方案的论证与方案的确定，对整体的方案进行理论分析。

第三章对硬件进行模块化设计，并通过PROTUS等电子设计辅助工具软件模拟仿真。

第四章对程序软件进行说明，通过使用KEIL编程工具编译调试使程序逻辑性更强。

并作流程图，使之一目了然。

第五章说明了本设计的实现功能，测试环境测试方法并获得相关的数据，同时补充说明了设计的不足。

论文主要解决的问题有：

尿布被尿湿时，通过湿度检测电路检测尿湿信号，并通过无线通信的方式发送给单片机处理，并语音提示。

当婴幼儿进入睡眠时，房间里无人照看时，开启触摸电路总开关，若其醒来触摸到金属护栏时，可以检测到这一触摸信号，并通过无线通信发送给单片机处理，并语音提示。

温度检测采用非接触式红外体温传感器MLX90614,可以通过其非接触除测体温的优点，进行温度的采集与测量。

2.系统方案设计与论证

本章将介绍系统的各组成单元的方案论证，以及各个模块的设计原理。

包括主控芯片的选择，温湿度传感器的选择，无线通信方案的论证，液晶显示温器的选择，ISD4003语音芯片的简单介绍。

2.1总体方案框图设计

图2-1总体方案设计

2.2温度传感器方案论证

温度的测量需要响应速率比较高，较高的精度，尽量的减少对I/O口的占用并能适用于多种场合。

方案一：

采用热电偶

测量原理是两种不同成分的导体两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应。

测温范围：

常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量。

优点是装配简单，更换方便，抗震性能较好，测量范围较大，机械强度高，耐压性能好。

缺点是：

误差因素较多，误差控制难度高，在25℃~45℃温度范围内其线性度不太好，在25℃~45℃不能很好的分辨。

方案二：

使用DS18B20

DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，型号多种多样。

耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

温范围－55℃～+125℃，在-10℃～+85℃时精度为±0.5℃可编程的分辨率为9～12位，可实现高精度测温.在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快.测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，抗干扰纠错能力极强.

方案三：

MLX90614无接触式的红外线温度感应芯片

MLX90614是一款无接触式的红外线温度感应芯片。

它在同一TO-39封装内整合了红外热电堆感应器与一款定制的信号调节芯片。

MLX90614在信号调节芯片中使用了先进的低噪音放大器，一枚17-bitADC以及功能强大的DSP元件,从而实现高精度温度测量。

MLX90614应用了SMBus和PWM两种数字输出方式。

出厂设定为SMBus。

在无特殊设定情况下,10bitPWM输出可测量-20~120°C温度范围，解析度为0.14°C。

综合上述方案，一般来说，测温方式可分为接触式和非接触式，接触式测温只能测量被测物体与测温传感器达到热平衡后的温度，所以响应时间长，且极易受环境温度的影响；而红外测温是根据被测物体的红外辐射能量来确定物体的温度，不与被测物体接触，具有影响动被测物体温度分布场，温度分辨率高、响应速度快、测温范围广、不受测温上限的限制、稳定性好等特点，近年来在家庭自动化、汽车电子、航空和军事上得到越来越广泛的应用。

考虑到无接触式测温的优越性，最终确定使用MLX90614无接触式的红外线温度感应芯片作为最终确定方案。

2.2.1MLX90614温度传感器测温原理

物体红外辐射能量的大小和波长的分布与其表面温度关系密切。

因此，通过对物体自身红外辐射的测量，能准确地确定其表面温度，红外测温就是利用这一原理测量温度的。

红外测温器由光学系统、光电探测器、信号放大器和信号处理及输出等部分组成。

光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。

红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。

该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。

PWM的全称是PulseWidthModulation（脉冲宽度调制）即通过调节脉冲的周期、宽度，以达到变压、变频的目的，数字式脉宽调制方式中，数字是控制信号，通过改变高低电平数的比值达到改变占空比的目的，PWM控制电路在开关稳压电源、不间断电源（UPS）以及直流电机调速，交流电机变频调速等控制电路中有着广泛应用。

SMBus（SystemManagementBus，）是一种高效同步串行总线，SMBus只有两根信号线:

双向数据线和时钟信号线，容许CPU与各种外围接口器件以串行方式进行通信、交换信息，即可以提高传输速度也可以减小器件的资源占用，另外即使在没有SMBus接口的单片机上也可利用软件进行模拟。

可以直接输出线性或准线性信号，具有很好的互换性，免去了复杂的校正过程。

该模块以81101热电元件作为红外感应部分。

输出是被测物体温度（TO）与传感器自身温度（Ta）共同作用的结果，理想情况下热电元件的输出电压为：

Vir=A（To4-Ta4）（式2-1）

其中温度单位均为Kelvin，A为元件的灵敏度常数。

目标温度和环境温度由81101内置的热电偶测定测量，从81101中输出的两路温度信号分别经内部MLX90302器件上高性能、低噪声的斩波稳态放大器放大再经一个17-bit的模数转换器（ADC）和强大的数字信号处理（DSP）单元后输出。

该系列模块的温度解析度可达0.01°C，体积小巧，被测目标和环境温度能通过单通道（由MLX90302内的状态机控制）输出，有两种输出方式：

PWM输出、可编程SMBus输出，适于多种应用环境

2.2.2MLX90614简介

MLX90614管脚分布图如图2-2所示：

图2-2MLX90614管脚分布图

其管脚功能名称及功能描述如表2-1所示：

表2-1MLX90614的管脚描述

功能名称

功能描述

VSS

电源地，金属外壳和该管脚相连

SCL/Vz

SMBus接口的时钟信号，或8-16V电源供电时接三极管基极

PWM/SDA

PWM或SMBus接口的数据信号，通常模式下从该管脚通过PWM输出物体温度

VDD

电源

2.4湿度传感器的选择

本设计对湿度的检测精度要求较低，仅需要辨别两种情况：

干燥和尿湿。

也就是能辨别断开和导通两种情况即可。

方案一：

湿度传感器HS1101

HS1101基于独特工艺设计的电容元件，在需要湿度补偿的场合，也可以得到很大的应用。

可靠性高，长时间稳定性高。

工作温度-40℃~100℃，供电电压5V-10V湿度范围0~100%RH。

反应时间5S，曲线精度+/-2%RH。

方案二：

自制湿度传感器

通过在两根软导线去皮包在尿布中，使两端不导通。

检测原理：

尿布干燥时，由于导线断路，无触发信号发出；当尿布被尿液淋湿的时候由于水介质导电性，两端会导通链接，有触发信号发出。

实际应用中有案例采用尿布中嵌入尿布夹层，可以学习借鉴。

方案确定，本实验需要的仅仅是检测是否尿湿，所以在精度要求和快速性上没有过高的要求，最终在取材便捷性上，方案二较为合适。

2.5无线通信方案的选择

方案一：

PT2262/PT2272通信模块

PT2262/PT2272是低功耗低价位通用编解码电路，可用于无线遥控发射电路。

编码芯片PT2262发出的编码信号由：

地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端按键一直按住，编码芯片也会连续发射。

对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100%的调幅.传输距离可以达到30米，当PT2262电压较高时可以增加传输距离。

方案二：

以PT2262为发送端，单片机软件解码接收

接收模块PT2272接收到的数据第一位极易被干扰（即零电平干扰）而引起接收到的数据误差较大。

单片机对接收模块的电磁干扰较大，利用软件解码不仅降低了硬件成本，而且在有效范围内，增加了解码成功率。

综上所述，最终选定方案二，在考虑到成本上的同时实现基本功能的基础上，方案二最合适，室内使用的最大距离不会超过30米，所以在距离上，方案二能合乎要求。

2.6信号收发设计

无线接收电路采用集成模块HS0038红外接收探头，接收红外信号频率为38kHz，周期约26μs。

HS0038黑色环氧树脂封装，不受日光、荧光灯等光源干扰，内附磁屏蔽，功耗低，灵敏度高。

在用小功率发射管发射信号情况下，其接收距离可达35m。

HS0038接收、放大、检波、整形集于一身，并且输出可以让单片机识别的TTL信号，经单片机软件解码并去执行相关对象，这样大大简化了接收电路的复杂程度和电路的设计工作，方便使用。

2.7语音录放设计

实现适时录放功能的功能，相比单一的电子录音及重放装置有效的促使功能的完善，实现即时监测安慰而无须人工操作的功能。

ISD4003语音集成电路,美国ISD公司出品的优质单片语音录放电路，由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。

一个最小的录放系统仅由一个麦克风、一个喇叭、两个按钮、一个电源、少数电阻电容组成。

录音内容存入永久存储单元，语音质量优胜,而且断电语音保护。

工作电压3V,单片录放时间8至16分钟,音质好,适用于便携式电子产品中。

操作命令可通过串行通信接口（SPI或Microwire）送入。

芯片采用多电平直接模拟量存储技术,每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和"金属声"。

采样频率可为4.0,5.3,6.4,8.0kHz,频率越低,录放时间越长,而音质则有所下降,片内信息存于闪烁存贮器中,可在断电情况下保存100年（典型值）,反复录音10万次。

可以有效地满足设计中多种声音播报功能的实现。

语音录放功能可结合温度传感器设计成为语音智能电子体温计，同时加入提示功能。

这里利用其实现智能播报功能。

2.4.1协议介绍

ISD4003工作于SPI串行接口。

SPI协议是一个同步串行数据传输协议,协议假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿动作,因此对ISD4003而言,在时钟止升沿锁存MOSI引脚的数据,在下降沿将数据送至MISO引脚。

协议的具体内容为：

（1）所有串行数据传输开始于SS下降沿。

（2）SS在传输期间必须保持为低电平,在两条指令之间则保持为高电平。

（3）数据在时钟上升沿移入,在下降沿移出。

（4）SS变低,输入指令和地址后,ISD才能开始录放操作。

（5）指令格式是8位控制码加16位地址码。

（6）ISD的任何操作（含快进）如果遇到EOM或OVF,则产生一个中断,该中断状态在下一个SPI周期开始时被清除。

使用"读"指令使中断状态位移出ISD的MISO引脚时,控制及地址数据也应同步从MOSI端移入。

因此要注意移入的数据是否与器件当前进行的操作兼容。

当然,也允许在一个SPI周期里,同时执行读状态和开始新的操作（即新移入的数据与器件当前的操作可以不兼容）。

（7）所有操作在运行位（RUN）置1时开始,置0时结束。

（8）所有指令都在SS端上升沿开始执行。

2.4.2信息快进

用户不必知道信息的确切地址,就能快进跳过一条信息。

信息快进只用于放音模式。

放音速度是正常的1600倍,遇到EOM后停止,然后内部地址计数器加1,指向下条信息的开始处。

2.4.3上电顺序

器件延时TPUD（8kHz采样时,约为25毫秒）后才能开始操作。

因此,用户发完上电指令后,必须等待TPUD,才能发出一条操作指令。

例如,从00从处发音,应遵循如下时序:

（1）发POWERUP命令;

（2）等待TPUD（上电延时）;

（3）发地址值为00的SETPLAY命令;

（4）发PLAY命令。

器件会从此00地址开始放音,当出现EOM时,立即中断,停止放音。

如果从00处录音,则按以下时序:

（1）发POWERUP命令;

（2）等待TPUD（上电延时）;

（3）发POWERUP命令;

（4）等待2倍TPUD;

（5）发地址值为00的SETREC命令;

（6）发REC命令。

器件便从00地址开始录音,一直到出现OVF（存贮器末尾）时,录音停止。

2.8显示模块设计

由于设计仅要求显示数字温度，考虑到1602能实现基本的要求，就选用了这一款液晶显示器。

工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。

（16列2行）。

2.9CPU控制模块选择

方案一：

采用32位的LPC2138作为控制CPU，

LPC2138采用了PHILIPS公司基于ARM7TDMI-S核的ARM芯片，拥有RDI标准接口、同步Flash刷新技术以及影射寄存器窗口等三项国内ARM仿真器设计最领先的3种技术，内部PLL锁相环倍频可以得到更高的CPU处理速度，硬件自带的AD、DA、捕获、匹配以及同步与异步的通信方式更方便用户的编程设计，并且可以达到很高的实时性，但是价格较昂贵。

方案二：

采用AT89S52为控制核心

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，价格低廉、使用广泛，适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

综上所述，考虑到性价比与设计的便利性本系统选择使用AT89S52的单片机作为CPU的控制核心。

本设计要用到较多的I/O口[5]，液晶的显示至少需要占用到P0口和P2的2个端口，语音芯片采用ISD4003,需要用到6个I/O口，所以在CPU主控芯片的选择上采用了AT89S52作为主控器件。

2.10本章总结

在对比各种方案下，做出了最终方案的确定，理论分析整体的电路，理论上能实现设计要求。

对器件的选择上综合各种因素以及设计要求，最终方案选定，采用AT89S52为主控芯片，MLX90614无接触式的红外线温度感应器件测量温度，自制简单的湿度传感电路，还有设计的并结合LCD1602液晶实现实时温度显示。

语音电路达到语音提醒的功能。

需要结合软件设计，是系统能有组织的运行，这里可以采用C语言编程实现，它比汇编语言的逻辑性强，指令精简[6]。

3.系统硬件电路设计

本章主要讲述单片机最小系统、测温度湿度、液晶显示、语音录放电路、电源电路等硬件电路的设计。

3.1系统硬件结构框图

图3-1系统硬件结构框图

3.2单片机最小系统设计

此单片机最小系统由AT89S52单片机、时钟电路及复位电路组成，时钟电路采用内部时钟利用单片机内部一个高增益的反向放大器，把一个晶振和两个电容器组成的自激振荡电路接到XTAL1（18脚）和XTAL2（19脚）之间。

振荡器发出的脉冲直接送入内部时钟电路。

本最小系统采用的晶振频率是12M，起振电容采用30pF。

CPU第9管脚为复位（RST）功能键，本设计具有按键和手动复位功能。

按键S1为复位按键，在单片机最小系统上电或按下S1复位键时，利用R1和C3充放电原理，从外部给RST脚2个机器周期以上的高电平，以达到实现的单片机最小系统的复位。

如图3-2所示：

图3-2单片机最小系统模块电路图

3.3温度测量电路设计

系统采用非接触式红外温度传感器MLX90614对婴儿体温进行测量。

MLX90614模块外围电路如图3-3所示。

它由红外温度传感器、低噪声放大器、A/D转换器、DSP单元、脉宽调制电路及逻辑控制电路构成。

热电耦输出的温度信号经过内部高性能、低噪声的运算放大器放大后送给模/数转换器（ADC），ADC输出的17位数字量经过可编程FIR和IIR低通滤波器处理后输出，该输出作为测量结果保存在MLX90614内部RAM存储单元中，可以通过SMBus协议读取。

其中模块引脚MCU_SCL（SMBus串行时钟输入）连到单片机的时钟脚上；MCU_SDA（数字输出）连到单片机的I/O口上；VDD是模块的供电引脚；VSS接地，为增强模块的测量精确性，在VDD和VSS间串接了一个电容来提高滤波效果。

如下图3-3所示：

图3-3温度检测电路

数据输入到单片机，把检测到的数据转换成编码写到单片机并用LCDl602动态显示温度。

单片机对温度进行软件控制，但接受到的限定温度值时会提示“温度适宜，请放心饮用...”

3.4湿度传感器电路设计

湿度传感器为自制，无水时，两端断开，当有水时，会使两端导通。

这里应用电解电容C5和电阻R5的充放电原理，设计的尿湿检测电路[7][8]，为了避免小孩尿湿后无人及时为其更换干燥的尿布，而发射电路持续的发射尿湿这一信号，加入了这一微分ＲＣ充放电电路[9]，这里还额外加入了两个按键开关，要换尿片前，先断开开关S2然后闭合开关S3，将电容的电量通过回路放掉，换好干燥的尿布后，闭合开关S2断开开关S3。

一阶RC微分电路图如下：

图3-4一阶RC微分电路

τ=RC（式3-1）

这里电阻阻值设置为1MΩ，电容取10μF，及设置在τ=10s内，由于电容充放电“电压—时间”曲线的关系如图3-5所示，估算充电时间：

y=x（-t/10）的曲线图如下：

u2（t）≈VCC×е（-t/τ）（式