智能婴儿摇篮毕业设计.docx

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智能婴儿摇篮毕业设计

摘要

本设计以AVR单片机为核心，配合传感器测量技术、结合独特的机械结构使本设计工作起来方便快捷，平安稳定，功耗低，更加适用于对婴儿的监控护理。

通过安装在摇篮上的多种传感器和信号采集电路来产生控制信号并传输给单片机，单片机输出相应的控制信号并配合机械结构，从而实现摇篮对婴儿的智能监护等功能，满足了控制系统稳定性和精确控制的要求。

随着社会经济的开展，人们的生活也都逐步提升，许多拥有婴幼儿的家庭都希望孩子有个良好的成长环境，他们需要一个不仅舒适而且具有人工智能的摇篮，来为宝宝及其监护人提供方便。

现代大局部人都需要工作，晚上需要充足的睡眠，但宝宝的睡眠时间不稳定，这个问题困扰大局部拥有宝宝的家庭。

为了使宝宝及其监护人都能够方便，所以设计了本产品，以便监护人在晚上能够安心睡眠，而宝宝也可以及时得到体贴的照顾。

本论文就面向婴儿智能护理设计展开深入探讨和研究。

主要工作包括以下几个局部：

第一章分析智能婴儿护理技术开展现状，给出开展智能婴儿护理装置的意义，描述课题开展前景和论文研究的主要工作；第二章对智能婴儿摇篮进行需求分析，确定设计方案；第三章就智能婴儿摇篮设计进行了阐述；第四章给出测试方法与工具，进行功能模块调试；最后对本设计加以总结，并给出了进一步研究与设计的建议，以实现系统进一步优化。

关键词：

婴儿护理；智能监控；AVR单片机

ABSTRACT

ThedesignoftheAVRsingle-chipmicrocomputerasthecore,withthesensortechnology,combinedwithauniquemechanicalstructuredesignworktogethertomakethisconvenient,safeandstable,lowpowerconsumption,thesearemoresuitableforthemonitoringofnursinginfants.Installedinthecradlebyavarietyofsensorsandsignalacquisitioncircuittogeneratecontrolsignalsandtransmittedtothemicrocomputer,themicrocomputeroutputsthecorrespondingcontrolsignalandwiththemechanicalstructure,inordertoachievethecradletothecustodyofthebaby'sintelligencecapabilitiestomeetthestabilitycontrolsystemandprecisecontrolrequirements.

Withthesocialandeconomicdevelopment,people'slivesaregradually,manyfamilieswithinfantswanttheirchildrentohaveagoodgrowingenvironment,theyneednotonlycomfortbutalsoacradleofartificialintelligencetoprovideforthechildandtheirguardiansconvenient.Mostmodernpeoplehavetowork,theyneedadequatesleepatnight,buttheinstabilityofthebaby'ssleeptime,butthemostoftheproblemswiththebaby'sfamilyisthatinstabilityofthebaby'ssleeptime.Inordertobeabletofacilitatethebabyandhisguardian,sodesignedthisproductmakeguardianshavepeaceofmindsleepatnight,andthebabycanalsobetimelyandconsideratecare.

Thispaperdesignedtocareforthebabyintelligencedepthstudyandresearch.Includesthefollowingmainparts:

thefirstchapterofTechnicalDevelopmentofintelligentbabycare,babycareanddevelopmentofintelligentdevicesisgivenmeaning,andthepaperdescribesthedevelopmentprospectsoftopicsonthemainwork;secondchapterofthesmartcradlebabyneedsanalysisdeterminethedesign;thethirdchapterexpoundsthebabycradledesign;forthchaptergivesthetestmethodsandtoolsfordebuggingfunctionmodule;Finally,tosumupthisdesignandgivesrecommendationsforfurtherresearchanddesigntoachievethesystemfurtheroptimized.

KeyWords:

Babynursing;Intelligencemonitoring;AVRSCM

1引言

1.1课题背景及研究意义

随着社会经济的开展，人们的生活也都逐渐提高，许多拥有婴幼儿的家庭都希望孩子有个良好的成长环境，但是年青的父母需要同时兼顾宝宝和家庭生活感到非常疲惫,他们需要一个不仅舒适而且具有人工智能的摇篮。

智能婴儿摇篮可以提供给宝宝舒适摇晃,又可以通过音乐和玩具锻炼视力和智力发育,使得妈妈们也可腾出手来处理家务或者休息。

从而大大的减轻了婴幼儿父母的劳动负担，促进了婴儿的深度睡眠，提高了大人和小孩的睡眠质量，为婴儿的健康成长提供保证。

1.1.1课题背景

国内外婴儿摇篮的设计者主要从婴儿摇篮科学的供给婴儿正确睡姿和婴儿摇篮功能的设计两大方面来进行研究。

国内外常用的婴儿摇篮其形状略似篮子，多用木、竹、柳条以及金属制作。

摇篮的主要特点是可以有节奏地左右摇摆，使婴儿易于入睡。

早期的摇篮利用挖空的树干制成，以后又开展为各种材料制成的长方形无盖箱体，并装有可以撤除的摇杆。

随着时代的变迁，在摇篮的护栏或镶板上，也经常饰有不同类型的花纹及图案，并涂有艳丽明快的色彩。

早期的摇篮多用绳索吊于房梁或横木杆上，后来多悬挂于木制或金属制的框架内。

它的动力驱动有两种，一个是在摇篮底放一块磁铁，在支架中央放一块电磁铁，并会发出脉冲磁场，当该脉冲频率与摇篮晃动频率相同时，该脉冲磁场会对磁铁产生一个吸力与斥力，使摇晃不断得到动力而摇晃不止。

它是由一个下座连支架、一个摇篮、一个平衡块与平衡杆组成，下座的支架有一个轴承通过轴与摇篮相连接，并且可以自由转动，平衡块是可以调节重量，使摇篮的重心处于转轴上。

另一种是用一个汽车雨刷的电动机，使其每次晃动时能推动摇篮的摇晃。

动力局部是用一个汽车用雨水划水器安装在轴承处，每当划水器将滑臂划动一下，就会带动摇篮晃动一下。

如果调节划水器划动频率，即可使摇篮晃动频率改变。

这二种方法均有结构简单、平安有效的优点。

为了提高婴儿摇篮的智能性和可靠性，使其功能更加全面，摇篮应能任意调节摇篮角度，可将摇篮沿X轴与Y轴倾斜任意角度；有自动声控器，当婴儿哭时会自动晃动，一旦婴儿熟睡10分钟后会逐渐停止晃动；有电子监视探头观察婴儿睡觉状况；当婴儿大哭时会有声控器传向监护人；当婴儿尿床时会自动报警；当婴儿体温到达38℃以上时会自动报警，可以有效降低婴儿猝死综合症的发病率；能自动控温在25℃左右；床垫高度可自动调节便于家长为婴儿更换尿布。

1.1.2课题研究意义

很多父母认为，宝宝还小，总要和家人睡在一起，这样才方便照顾，随时知道他的需求，其实，与家人同床会影响宝宝的生长发育，而智能婴儿摇篮可以帮助父母会随时知晓宝宝在独睡过程中是否有状况发生。

首先，容易缺氧，大人呼出的气体中二氧化碳含量较高，而宝宝的大脑发育正需要更多的氧气，和宝宝同床睡眠时，很容易造成宝宝大脑供氧缺乏，进而影响身体的正常发育。

其次，有窒息危险，同床睡眠过程中，大人会因为身体翻动而压到宝宝，很容易导致窒息的危险。

另外，睡眠不良，两人甚至三人同床，很容易互相影响，比方打鼾、睡觉“不老实〞，特别是对神经系统尚在发育的宝宝来说，会导致睡眠不稳、半夜惊醒的状况，不利于身心的健康发育。

还有可能造成疾病传染，日常生活中，大人接触的事物环境较为复杂，即使注意清洁，身上也难免会携带很多细菌，宝宝的抵抗能力还很弱，很容易被细菌感染。

尤其要在保证婴儿充足的睡眠同时也保证监护人有充足的睡眠，有些婴儿对自然环境不适应，昼夜颠倒，父母白天上班他睡觉，父母晚上休息他闹腾，让监护人很难有良好的休息。

有些婴儿休息时间安排不当，有的晚上提前入睡，半夜睡醒，没人哄就哭闹，也影响了监护人的正常休息。

多功能婴儿摇篮是一种能自动晃动带定时、声控、MP3播放、尿床报警功能为一体的婴儿摇篮，在监护人忙于其他事情时，能有效替代监护人护理婴儿。

1.2相关问题的研究现状和开展趋势

1.2.1研究现状

智能婴儿摇篮和普通摇篮相比，功能强大，声控、遥控、电动、音乐集于一体，能够很好的为宝宝及其监护人提供很大的方便，使婴儿和监护人都能有充足的睡眠环境，使睡眠问题不再困扰婴儿的健康成长和监护人的正常作息。

随着社会经济的开展，文化的进步，越来越多拥有宝宝的家庭需要一款智能婴儿摇篮，在未来将表达其优越性。

1.2.2开展趋势

婴儿是一个相对较大的弱势群体，因此如何科学，合理的照顾婴儿是一门学问。

在国内外市场也有一些婴儿用的摇篮，功能较少，达不到智能化，摇摆幅度也没有进行过检测，我们针对天津，北京两地的婴儿市场进行考察，发现市场上的大局部摇篮摇摆幅度大小不一。

主要依靠用户主观感觉来决定系统的运行，不具有科学性，因此并没有得到太广泛的应用。

本作品将可编程控制器和传感器检测技术应用到宝宝摇篮，是目前市场上所没有的，并且本作品所采用的盛群单片机处理方式相对目前的简单的数字芯片处理方式比拟而言更加方便快捷，平安稳定，功耗低，更适用于对婴儿的监控护理。

婴儿一直是一个大的消费群体，故它具有很大开发价值，必将为有婴儿的家庭带来福音。

1.3作品功能与特色

本设计运用ATMEL公司提供的ATmega16单片机，设计一个智能婴儿摇篮来应用于短时间代替人员的护理。

本文确定了系统设计的要求，介绍了系统设计的编程软件及其开发环境，分析了系统的根本工作原理，从硬件和软件两个方面详细地阐述了系统的制作思路，并通过实验验证、测试了系统所能实现的功能和到达的技术指标。

〔1〕作品功能：

●床身为大框摇篮：

与传统摇篮床相比更宽敞、舒适、方便、平安，使用时间更长；

●具有摇摆功能的同时也更具娱乐性；

●1、低位床板可作矮床或玩具储物框使用；

2、高位床板可作茶几或桌子使用；

3、亲子床可依家长意愿或依据室内家俱、成人床摆设，按需下翻任意长

边护栏成为与成人床连接的亲子床，便于家长护理；

●弧形支架可摇可定：

专备有旋钮式支撑足，可拆可分，从而实现摇、定自如；

●功能转换简便快捷：

采用旋钮、合页、塑料锁紧套、弹簧插销、高强度活动金

属挂钩等连接方式实现功能快速自由转换，无需另配工具，非常方便。

●床板上下两档调节：

采用高强度活动金属挂钩可轻松快速实现床板两档调节；

●带加长支架：

方便孩子成长使用；

●带蚊账：

保护孩子不受蚊虫叮咬；

●带护套、床围：

婴儿床状态或矮床状态可使用护套和床围，平安又美观；

●床体设计整体造形简洁流畅、富于美感；

●配带刹车万向轮：

方便婴儿床移动和固定。

●工作方式平安简单，稳定可靠。

●软件与硬件相结合，管理、使用方便。

●盛群单片机的运用使设计具有强大的扩展性。

●安装方便，功耗小。

〔2〕作品特色：

●平稳均衡摇动,可使婴儿的大脑神经调节平稳、入睡迅速。

实验中发现,使用电动摇篮入睡的时间,比传统的手动摇篮入睡的时间可提前2-4分钟。

经专家证实,传统的手动摇篮摆幅大小不稳定,摆动速度也不稳定。

在摇动过程中,小孩平衡调节神经,不断地进行调节、复位,容易出现头昏,吐奶现象。

而自动摇篮可根据婴儿的需要而调节稳定的摆幅,匀速平衡摆动,对婴儿脑神经的起到良好的保护作用。

因此,婴儿入睡快、睡眠质量好。

●优美动听的音乐催眠,符合现代早期教育观念,对婴儿进行音乐和美的熏陶,促进婴儿脑神经发育,激发潜能。

●妈妈的好帮手，妈妈的怀抱及摇晃是给宝宝最好的抚慰,但在现在快节奏的生活方式下,年青的父母需要同时兼顾宝宝和家庭生活感到非常疲惫,而智能婴儿摇篮那么可以帮到爸爸妈妈。

智能婴儿摇篮可以提供给宝宝舒适摇晃,使妈妈们也可腾出手来处理家务或者休息。

2智能婴儿摇篮的总体设计

基于智能控制越来越普遍的开展形势，本文设计了一种智能婴儿摇篮，它能代替护理人员短时间内对婴儿进行监护，并在婴儿哭闹时对护理人员远程报警，能较好的实现无人监护功能。

2.1系统设计要求

在设计系统时，要求设计出的系统具有良好的实际应用价值。

这就要求我们能够提出一个完善的设计方案，在技术上既是可行的，又是可靠的；另一方面，又需要系统在能够较好的满足实际工作要求的同时，其实现越简单越好。

从这种平衡原那么出发，本文确定所设计的基于MCU智能婴儿摇篮的设计要求。

2.1.1系统总体框架设计

多种传感器和信号采集电路通过宝宝发出的信号进行处理，然后送给单片机，单片机对采集来的信号进行判别，假设是宝宝的啼哭声，首先会发出控制信号，促使报警线路工作，发出报警信号，提示监护人宝宝的状态；同时单片机将另外发出三路信号，其中一路控制照明线路工作，判断外部环境，如是夜晚那么翻开照明电路；其中一路控制各局部电动机的正常工作，通过机械结构实现摇篮的摇摆；另外一路控制音乐线路工作，通过音乐芯片实现在宝宝啼哭时音乐的播放。

2.1.2系统机械结构的设计

为了婴儿的生长发育，机械结构得保证摇篮参数严格符合国际标准。

所有零件都事先用UG软件进行建模，使机械结构非常直观并进行精确测试，保证制造的精准度，最大程度减少缺陷。

机械的连接采用H形铝，平行度、垂直度和同轴度均严格精度要求〔±mm〕，以到达摇摆频率和角度符合测试要求。

如图2-1所示。

图2-1婴儿摇篮摇摆机械结构

2.2AVR及其开发环境简介

本设计采用ATMEL公司的ATmega16单片机作为核心处理元件，对采集到的数据进行处理和传输。

2.2.1AVR单片机简介系统

ATMEL公司是世界上有名的生产高性能、低功耗、非易失性存储器和各种数字模拟IC芯片的半导体制造公司。

于1997年推出全新配置的、采用RISC〔ReducedInstructionSetCPU,精简指令集〕结构的新型单片机。

RISC技术综合了半导体集成技术和软件技术。

它是相对于CISC〔ComplexInstructionSetCPU，复杂指令集计算机〕而言的。

RISC通过优先使用频率最高的简单指令、防止复杂指令、采用固定指令长度、减少指令格式和寻址方式等方法来缩短指令周期，提高处理器的运算速度。

传统的CISC结构，单片机外部振荡器的时钟被分频降低到内部执行周期。

AVR单片机没有对外部时钟分频，通过一个周期内执行一条指令，因此，AVR单片机具有接近1MIPS/MHz的高速处理能力。

AVR单片机采用32个通用存放器组成的快速存取RISC存放器，每一个存放器

都可以代替一个累加器工作，使得处理器可以在执行当前指令时取出要执行的下一条指令，从而防止了传统的基于累加器的单片机因累加器和存储器之间的数据传输带来的瓶颈效应，提高了系统的性能。

所有的存放器都直接与算逻单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的存放器。

这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。

AVR单片机为了获得最高的性能以及并行性，采用哈佛〔Harvard〕总线结构，程序存储器和数据存储器是分开的，具有独立的数据和程序总线。

微处理器直接访问全部程序存储器和数据存储器。

程序存储器里的指令通过一级流水线运行。

CPU在执行一条指令的同时读取下一条指令（在本文称为预取）。

这个概念实现了指令的单时钟周期运行。

程序存储器是可以在线编程的FLASH。

此外，他还具有ISP〔InSystemProgramming，系统内编成〕的功能，即使在程序运行时，也可以对系统进行重新编程。

ATmega系列的单片机是AVR中的高端产品，在其局部单片机中集成了在线调试单元，通过JTAG即可实现在线调试与程序的下载功能。

AVR单片机支持C语言、汇编语言和Basic等高级语言编程。

其开发软件工具有ICCAVR、IARAVR和CodeVisionAVR等。

采用高级语言编程能有效的进行系统的开发和程序的移植，同时也是单片机开展的一个趋势。

AVR单片机是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。

片内ISPFlash允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。

引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区（ApplicationFlashMemory）。

在更新应用Flash存储区时引导Flash区（BootFlashMemory）的程序继续运行，实现了RWW操作。

通过将8位RISCCPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低本钱的解决方案。

因此，通过以上的介绍可见，在8位微控制领域，AVR单片机正越来越多的开始取代传统的51内核的单片机，进而成为控制领域的主流。

2.2.2ATmega16单片机的特点

ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。

其内核具有丰富的指令集和32个通用工作存放器，所有的存放器都直接与算术逻辑单元〔ALU，ArithmeticLogicalUnit〕相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的存放器。

这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器高至10倍的数据吞吐率。

由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时

间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

基于以上的优点，本设计主选ATmega16作为核心器件。

ATmega16有如下特点：

16K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作存放器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比拟模式的灵活的定时器/计数器（T/C）,片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。

工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式下那么允许振荡器和异步定时器继续工作。

〔1〕先进的RISC结构

①131条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期。

②全静态工作。

③工作于16MHz时性能高达16MIPS，只需两个时钟周期的硬件乘法器。

〔2〕非易失性程序和数据存储器

①16KB的系统内可编程Flash，擦写寿命：

10000次。

②具有独立锁存定位的可选Boot代码区，通过片上Boot程序实现系统内编程，真正的同时读写操作。

③512B的EEPROM，擦写寿命：

100000次。

④1KB的片内SRAM，可以对锁存定位进行编程以实现用户程序的加密。

〔3〕JTAG接口〔与IEEE1149.1标准兼容〕

①符合JTAG标准的边界扫描功能。

②支持扩展的片内调试功能。

③通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁存定位的编程。

〔4〕外设特点

①两个具有独立预分频器和比拟器功能的8位定时器/计数器。

②一个具有预分频器、比拟功能和捕捉功能的16位定时器/计数器。

③具有独立振荡器的实时计数器RTC。

④四通道PWM。

⑤8路10位ADC和8个单端通道。

〔5〕TQFP封装的7个差分通道

①2个具有可编程增益〔1x,10x,或200x〕的差分通道。

②面向字节的两线接口。

③两个可编程的串行USART。

④可工作于主/从机模式的SPI串行接口。

⑤具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器。

⑥片内模拟比拟器。

〔6〕特殊的处理器特点

①上电复位以及可编程的掉电检测。

②片内经过标定的RC振荡器。

③片内/片外中断源。

④6种睡眠模式：

空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及扩展的Standby模式。

〔7〕I/O和封装

40引脚PDIP封装，32个可编程的I/O口。

〔8〕工作电压

。

〔9〕速度等级

0-16MHz。

〔10〕ATmega16在1MHz、3V、25°C时的功耗

①正常模式：

1.1mA。

②空闲模式：

0.35mA。

③掉电模式:

：

<1μA。

2.2.3AVR集成开发环境的简介

ATmega16具有一整套的编程与系统开发工具，包括：

C语言编译器、宏汇编、程序调试器/软件仿真器、仿真器及评估板。

ICCAVR是一种使用符合ANSI标准的C语言来开发微控制器〔MCU〕程序的

一个工具，它有以下几个主要特点：

①ICCAVR是一个综合了编辑器和工程管理器的集成工作环境〔IDE〕，是一个纯32位的程序，其可在Windows9X/NT/2000/XP下运行。

②源文件全部被组织到工程之中，文件的编辑和工程的构筑也在IDE环境中完成。

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