全自动摇篮的设计资料.docx
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全自动摇篮的设计资料
全自动摇篮的设计
摘要
随着社会经济的发展，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，又可以通过音乐启发智力发育，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。
本次毕业设计拟采用单片机作为全自动摇篮的核心控制部件，硬件电路分声控电路、电机驱动、液晶显示模块和人机交互等模块。
人机交互是由定时按键和LCD1602组成，摇篮晃动的时间是由按键预置的；LCD1602可以显示计数时间和定时时间。
软件部分应用单片机C语言实现了本设计的全部控制功能，包括定时设置、电机驱动、状态显示、音乐播放等。
关键字：
单片机；声控；电机驱动；定时
DesignofAutomaticCradle
ABSTRACT
Withthesocialandeconomicdevelopment，people'slivesarealsograduallyimproved，manyhouseholdswhichhaveinfantchildrenwanttohaveagoodgrowthenvironment，butmanyyoungparentsneednotonlyworkingbutalsotakingcareofthebaby，theyfeelverytiredandlookforwardacomfortableandartificialintelligencecradle．Anintelligentbabycradlecanprovidecomforttothebabyshaking，andinspireintellectualdevelopmentthroughmusic．Thenmomshaveafreetimetodealwithhouseholdchoresandrest．Withtheintelligentcradle，theinfantsburdenofparentswillbereducedgreatly，andsleepqualityofbabyandparentswillbeimproved，andbabypromotesdeepsleepforthehealthygrowth．
Thedesignisdiscussedinthispaper，whichintendstousemicro-controllerasthecoreofthecradleautomaticcontrolcomponents，hardwarecircuitofvoicecircuits，motordrives，LCDmodulesandinteractivemodules．Human-computerinteractioniscomposedbythetimingbuttonsandLCD，thecradleofshakingtimeispresetbuttons;LCDcandisplaythecounttimeandregulartime．Softwarepartoftheapplicationmicro-controllerClanguagetoimplementallthecontrolfunctionsofthedesign，includingthetimingsettings，motordrives，statusdisplay，musicplayerandsoon．
Keywords:
MICROCONTRLLER;VOICE;MOTORDRIVE;TIMED
1引言
1．1研究背景
现代家庭大多是独生子女家庭，父母对子女的婴儿期培育非常重视。
然而养育婴儿是一件非常消耗时间和精力的事情，常常会与父母快节奏的工作生活产生冲突。
有些父母因为夜间照顾婴儿，长时间不能得到很好的休息，甚至严重影响了健康和正常的工作。
据了解，有很多的上班族父母都会为照顾婴儿而苦恼[1]。
中国人在养育婴儿的传统方式上，都是怀抱着婴儿轻轻拍打摇动或者使用人力推动摇篮，使婴儿安静下来进行睡眠，但是这样做有很多方面不利于婴儿发育和成长。
由于传统的摇篮都是采人工推摇方式，有吊篮、摇桶、摇床等，使用起来不仅费时费力，增加了许多劳动负担，而且产生较大的噪音，使婴儿很难进行深度睡眠。
同时，传统看护婴儿的有些方式不当，会使婴儿的大脑处于失重、充血状态等现象，严重影响了婴儿的大脑发育和骨骼生长[2]。
对于婴幼儿来说，睡觉和吃奶一样，是他们生长过程中的头等大事。
一款合适的摇篮不仅能保证婴儿的健康成长，也能在很大程度上减轻父母的负担，使父母不必为整夜照顾婴儿而劳烦，从而保证大人和孩子都拥有更高的生活质量。
使用传统婴儿摇篮，需要看护者一直陪伴在婴儿旁边，不仅耗时而且往往使看护者很疲惫[3]。
多功能婴儿摇篮控制模块通过单片机的控制，实现了自动控制，减轻了婴儿看护者的劳动负担，促进了婴儿的健康睡眠，提高了大人和小孩的生活质量。
1．2目的与意义
传统婴儿摇篮，都是人工控制摇篮，需要看护者一直陪伴在婴儿旁边。
新生婴儿还比较柔软，睡觉不会翻身，长时间同一边侧睡也会使孩子头型歪偏，看护者全程照看能给婴儿一个更安全、更良好的生活环境，但这样一来不仅耗时而且往往使看护者很疲惫。
随着社会经济的发展，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[4]。
智能婴儿摇篮可以提供给宝宝舒适摇晃，又可以通过音乐启发智力发育，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，亦保证父母的正常生活和工作。
本次毕业设计拟采用单片机作为全自动摇篮的核心控制部件，实现婴儿哭闹时自动摇动摇篮，并能改变摇动的频率以及播放柔和的音乐能起到催眠、娱乐等功能。
应用单片机设计，具有低功耗、成本低、控制简单等优点，具有一定的市场应有前景。
1．3论文结构安排
本论文以全自动摇篮的设计的硬件设计为主要内容，以单片机STC89C52RC作为主控制器的硬件设计方案，并对系统工作原理等进行了简单介绍。
全文共分为5个章节：
第1章是引言。
简单陈述研究背景、目的与意义。
第2章是系统原理及单元电路设计。
这章主要是介绍系统硬件设计方案的总体框图，分析各单元电路的设计。
包括声音传感器、单片机最小系统、LCD1602液晶显示模块、人机交互模块、电机控制模块和音乐播放模块。
第3章是软件设计。
简要介绍系统的软件设计框图。
第4章是系统调试。
主要讲述系统硬件电路调试过程、问题及解决办法。
最后一章是结论。
简述设计的优、缺点，以及改进的建议。
2系统原理及单元电路设计
2．1系统原理框图
系统主要由声音传感器模块、单片机控制模块、LCD1602液晶显示模块、人机交互模块、电机控制模块和音乐播放模块组成。
系统的原理框图如图2．1所示。
硬件系统以单片机STC89C52RC作为主控制器，以声音传感器模块为数据采集器，LCD1602液晶显示模块信息显示器，从而实现数据采集、计时信息显示等功能。
通过声音触发单片机，进而控制步进电机的启动，音乐模块音乐的播放。
人机交互模块用来实现对系统的手工控制，LCD1602可以显示当前系统工作模式和定时时间。
图2．1系统原理框图
2．2声音传感器
声音传感器的原理同于麦克风的基本原理，就是有一个金属膜片经过声音的震动以后，在磁铁内运动，从而产生电信号。
将震动转换成讯号的方式基本上有两种，一种是动圈式，也就是将振膜连到一个线圈的尾端，然后整个线圈套在一个磁铁上，就好像喇叭一样，当振膜震动时，在线圈里面就会产生讯号[5]。
另外一种是所谓的电容式，就好像电话的受话器一样，藉着振膜的震动来改变电容值，因而改变电阻，就能改变电流，变成讯号。
电容式的因为需要电流才能变成讯号，所以需要电源，比动圈式使用成本高。
主要参数：
1．尺寸：
长32mmX宽17mmX高15mm;
2．主要芯片：
LM393、驻极体话筒;
3．工作电压：
直流4至6V。
主要特点：
1．具有信号输出指示；
2．单路信号输出；
3．输出有效信号为低电平；
4．当有声音时输出低电平，信号灯亮；
5．可以用于声控灯，配合光敏传感器做声光报警，以及声音控制，声音检测的场合；
6．电路板输出开关量[6]。
声音检测电路如下图2．2所示：
图2．2声音检测电路
2．3单片机最小系统
单片机的最小系统是由组成单片机系统必需的一些元件构成的，除了单片机外，还需要包括电源供电电路、时钟电路、复位电路[7]。
如下图2．3所示：
图2．3单片机最小系统[8]
2．3．1STC89C52RC介绍
STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择[9]。
主要参数特性：
1．增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051；
2．工作电压：
5．5V～3．3V（5V单片机）/3．8V～2．0V（3V单片机）；
3．工作频率范围：
0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz；
4．用户应用程序空间为8K字节；
5．片上集成512字节RAM；
6．通用I/O口（32个），复位后为：
P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻；
7．ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3．0，TxD/P3．1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；
8．具有EEPROM功能；
9．具有看门狗功能；
10．共3个16位定时器/计数器。
即定时器T0、T1、T2；
11．外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；
12．通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART；
13．工作温度范围：
-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）；
14．PDIP封装。
主要工作模式
1．掉电模式：
典型功耗<0．1μA，可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序；
2．空闲模式：
典型功耗2mA；
3．正常工作模式：
典型功耗4mA～7mA；
4．掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备[10]。
引脚功能说明，引脚图如下图2．4所示：
图2．4STC89C52RC引脚图[10]
VCC（40引脚）：
电源电压。
VSS（20引脚）：
接地。
P0端口（P0．0～P0．7，39～32引脚）：
P0口是一个漏极开路的位双向/口。
P1端口（P1．0～P1．7，1～8引脚）：
P1口是一个带内部上拉电阻的位双向/口。
P1．0和P1．1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（P1．0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1．1/T2EX），具体参见下表2．1：
表2．1P1．0和P1．1引脚复用功能
引脚号
功能特性
P1．0
T2（定时器/计数器2外部计数输入），时钟输出
P1．1
T2EX（定时器/计数器2捕获/重装触发和方向控制）
P2端口（P2．0～P2．7，21～28引脚）：
P2口是一个带内部上拉电阻的位双向/端口。
P3端口（P3．0～P3．7，10～17引脚）：
P3口是一个带内部上拉电阻的位双向/端口。
P3口除作为一般I/O口外，还有其他一些复用功能，如下表2．2所示：
表2．2P3口引脚复用功能
引脚号
复用功能
P3．0
RXD（串行输入口）
P3．1
TXD（串行输出口）
P3．2
（外部中断0）
P3．3
（外部中断1）
P3．4
T0（定时器0的外部输入）
P3．5
T1（定时器1的外部输入）
P3．6
（外部数据存储器写选通）
P3．7
（外部数据存储器读选通）
RST（9引脚）：
复位输入。
ALE/
（30引脚）：
地址锁存控制信号（ALE/
）是访问外部程序存储器时，锁存低位地址的输出脉冲。
（引脚）：
外部程序存储器选通信号（
）是外部程序存储器选通信号。
/VPP（31引脚）：
访问外部程序存储器控制信号。
XTAL1（19引脚）：
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2（18引脚）：
振荡器反相放大器的输入端。
中断源[10]
STC89C52RC有6个中断源：
两个外部中断（
和
），三个定时中断（定时器0、1、2）和一个串行中断。
如图2，每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。
IE还包括一个中断允许总控制位EA，它能一次禁止所有中断。
图2．5为中断允许控制寄存器（IE）
图2．5中断允许控制寄存器（IE）
中断允许控制位=1，允许中断；
中断允许控制位=0，禁止中断。
表2．3IE各位功能
符号
位地址
功能
EA
IE．7
中断总允许控制位。
EA=0，中断总禁止；EA=1，各中断，由各自的控制位设定
IE．6
预留
ET2
IE．5
定时器2中断允许控制位
ES
IE．4
串行口中断允许控制位
ET1
IE．3
定时器1中断允许控制位
EX1
IE．2
外部中断1允许控制位
ET0
IE．1
定时器0中断允许控制位
EX0
IE．0
外部中断0允许控制位
2．3．2时钟电路
单片机工作时，从取指令到译码再到微操作，都必须在时钟信号控制下才能进行，时钟电路为单片机工作提供基本时钟的。
单片机时钟信号通常的产生方式有两种：
内部时钟方式和外部时钟方式[11]。
XTAL1和XTAL2是独立的输入和输出反相放大器，它们可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器，或者是器件直接由外部时钟驱动。
图2．3为内部时钟方式，在单片机XTAL1和XTAL2引脚上跨接一个晶振和两个稳频电容，可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器[12]。
晶振的取值范围一般为0MHZ至24MHZ。
外接电容的作用是对振荡器进行频率微调，使振荡信号与晶振频率一致，同时起到稳定频率的作用，一般选用20pF至30pF的瓷片电容。
外部时钟方式是在单片机XTAL1引脚上外接一个稳定的时钟信号，一般用于多片单片机同时工作的时候，同一时钟信号可以保证单片机的工作同步。
2．3．3复位电路
在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序运行不正常或停止运行时，就需要进行复位，复位电路将单片机内部各电路的状态恢复到一个确定的初始值，并从这个状态开始工作[13]。
单片机的复位条件，必须使其RST引脚上持续出现两个或两个以上的机器周期的高电平。
复位操作通常有两种基本形式：
上电复位和开关复位。
上电复位电路中，利用电容充电来实现复位。
在电源接通的瞬间，RST引脚上的电位是高电平，电源接通后对电容进行快速充电，随着充电的进行，RST引脚上的电位会逐渐降为低电平。
只要保证RST引脚上高电平出现得时间大于两个机器周期，就可以实现复位[14]。
2．4LCD1602液晶显示模块
LCD1602液晶显示模块与单片机连接，由P0口输出控制，显示系统状态，包括当前状态、工作模式和计数时间。
其电路如下图2．6所示：
图2．6LCD1602液晶显示电路
2．4．1LCD1602介绍
LCD1602分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。
LCD1602主要技术参数：
1．显示容量:
16×2个字符；
2．芯片工作电压:
4．5—5．5V；
3．工作电流:
2．0mA（5．0V）；
4．模块最佳工作电压:
5．0V；
5．字符尺寸:
2．95×4．35（W×H）mm。
引脚功能说明：
LCD1602采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表2．4所示：
表2．4引脚接口说明表
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据[15]。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极[15]。
LCD1602的指令说明及时序：
LCD1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表2．5所示：
表2．5控制命令表
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
——
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
——
——
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
——
——
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM）
1
0
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据内容
1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
指令1：
清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置。
指令2：
光标复位，光标返回到地址00H。
指令3：
光标和显示模式设置I/D：
光标移动方向，高电平右移，低电平左移S：
屏幕上所有文字是否左移或者右移。
高电平表示有效，低电平则无效。
指令4：
显示开关控制。
D：
控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：
控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：
控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。
指令5：
光标或显示移位S/C：
高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。
指令6：
功能设置命令DL：
高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：
低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:
低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。
指令7：
字符发生器RAM地址设置。
指令8：
DDRAM地址设置。
指令9：
读忙信号和光标地址BF：
为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。
指令10：
写数据。
指令11：
读数据。
与HD44780相兼容的芯片时序表2．6如下：
表2．6基本操作时序表
读状态
输入
RS=L，R/W=H，E=H
输出
D0—D7=状态字
写指令
输入
RS=L，R/W=L，D0—D7=指令码，E=高脉冲
输出
无
读数据
输入
RS=H，R/W=H，E=H
输出
D0—D7=数据
写数据
输入
RS=H，R/W=L，D0—D7=数据，E=高脉冲
输出
无
液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。
要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，LCD1602的内部显示地址如下图2．7所示：
图2．7LCD1602内部显示地址[15]
LCD1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，CGROM和CGRAM中字符代码与图形对应图如下图2．8所示：
图2．8CGROM和CGRAM中字符代码与图形对应图[15]
2．5人机交互模块
人机交互模块是切换摇篮工作模式的一个操作平台，通过按键电路，可以根据需要选择不同的工作模式。
另外，还可以设置定时时间。
按键电路如下图2．9所示：
图2．9按键电路
该系统的键盘设计是采用扫描方式实现的矩阵键盘。
这样在没有按键按下的情况下，管脚电平为高电平，如果有按键按下，则相应的列线管脚为低电平，从而触发中断进入中断服务程序，进而获得输入的数据。
2．5．1按键电路功能
如上图2．9所示，由上到下分别命名为按键1、按键2、按键3和按键4。
不同按键对应不同的功能。
按键1：
模式切换。
按下按键，可以切换不同的工作模式。
按键2：
在自动模式下，该键空置。
在手动模式下，该键为切换设置，设置字段为时、分、秒。
按键3：
在自动模式下，按下按键，设置为步进电机快速转动。
在手动模式下，设置为对预设时间的“加”。
按键4：
在自动模式下，按下按键，设置为步进电机慢速转动。
在手动模式下，设置为对预设时间的“减”。
2．6电机控制模块
电机控制模块是本次设计的核心部分。
电机主要通过ULN2003A芯片增大电流驱动，在实际编程中，通过控制脉冲的顺序来控制电机的正反转，利用软件延时实现对电机的转速的控制。
电机驱动电路如下图2．10所示：
图2．10电机驱动电路
2．6．1ULN2003A芯片介绍
ULN2003A电路是美国TexasInstruments公司和Sprague公司开发的高压大电流达林顿晶体管阵列电路。
具有电流增益高
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