王海濱，胡德計

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學 機械工程學院，天津 300222）

當人戴上耳機聽音樂時，某些時候，尤其是在晚上，會因為困倦進入睡眠狀態(tài)，而忘記關(guān)閉手機的音樂播放器，這樣不僅浪費了手機的電量，還會影響人們的睡眠質(zhì)量，更加嚴重的是，如果使用者長時間甚至一整夜都沒有關(guān)閉音樂播放器，會對其聽力產(chǎn)生不良影響。

目前，國內(nèi)外普遍采用手機播放器的睡眠定時功能來避免這一情況的出現(xiàn)，但是，這一方法存在一定缺陷：使用者可能會定時過短，即其還沒有進入睡眠狀態(tài)音樂播放器就關(guān)閉了；也可能會定時過長，即其已經(jīng)進入睡眠狀態(tài)很久音樂播放器才關(guān)閉。

針對這一問題，本文設計了一種基于單片機的智能耳機，它通過檢測耳機使用者頭部的運動狀態(tài)，來判別其是否進入睡眠狀態(tài)，當處理器判定其進入睡眠狀態(tài)后，會發(fā)送關(guān)閉手機音樂播放器的命令，將其關(guān)閉，這樣較好地解決了使用者不能準確設定定時時間的問題。

1 系統(tǒng)設計和工作原理

本系統(tǒng)以單片機STC12LE2052為主控器，以三軸數(shù)字陀螺儀L3G4200D為位置檢測模塊，加以耳機控制電路模塊和電源模塊組成。該系統(tǒng)的工作原理如下：按下電源供電開關(guān)，系統(tǒng)開始工作，利用三軸數(shù)字陀螺儀L3G4200D獲取耳機使用者頭部位置 X、Y、Z三軸方向的角度變化信息，這些信息通過I2C總線傳送到單片機STC12LE2052上，由單片機對信息進行處理。結(jié)合人的生理習慣：當耳機使用者未進入睡眠狀態(tài)時，其頭部會在較短的時間內(nèi)運動，且運動角度變化較大；一旦耳機使用者進入或即將進入睡眠狀態(tài)，其頭部角度變化（正常睡眠呼吸時頭部的起伏）很小，且距下一次頭部較大角度移動會相隔較長時間。因此，若在一定時間內(nèi)，所檢測的耳機使用者頭部角度變化持續(xù)小于設置的某一微小睡眠閾值時[1]，則單片機認為耳機使用者已經(jīng)進入了睡眠狀態(tài)，此時單片機通過耳機控制電路模塊向手機發(fā)送關(guān)閉信號，當手機內(nèi)的耳機檢測電路檢測到來自耳機控制電路模塊的關(guān)閉信號后，手機的音樂播放器則暫停播放。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設計

2.1 位置檢測模塊

位置檢測模塊采用L3G4200D芯片。L3G4200D是意法半導體（ST）推出的一種采用一個感應結(jié)構(gòu)檢測三條正交軸向運動的低功耗三軸數(shù)字陀螺儀，可以精確地檢測角速率。用戶可以設定量程，量程范圍從±250 dps～±2 000 dps[2]，低量程數(shù)值適用于高精度慢速運動測量，而高量程則適用于測量超快速的運動；它體積很小，僅為 4 mm×4 mm×1 mm；具有 I2C/SPI數(shù)字輸出口，提供一個 16位數(shù)據(jù)輸出；工作電壓2.4 V～3.6 V；并具備省電睡眠模式。

位置檢測模塊電路如圖2所示，L3G4200D的串行時鐘（SCL）口和串行數(shù)據(jù)（SDA）口與單片機連接；CS口控制 I2C/SPI模式選擇 （1： 啟用 I2C模式；0： 啟用 SPI模式），本系統(tǒng)中CS口通過上拉電阻接VCC，啟用I2C模式；SDO口可以修改L3G4200D作為I2C從站時的地址（當 SDO接 VCC時，其地址為 1101001b；當 SDO接 GND時，其地址為 1101000b）；PLL口外接濾波電路（C1，C2，R7 的典型值分別為 470 nF，10 nF，10 kΩ）。

圖2 位置檢測模塊電路

2.2 STC12LE2052簡介

STC12LE2052單片機是高速、低功耗的新一代兼容8051內(nèi)核單片機。其共20個引腳，15個通用I/O口；內(nèi)部集成MAX810專用復位電路；具有2路 PWM/PCA（可編程計數(shù)陣列）；用戶可用程序空間為 2 KB；片上集成256 B RAM；支持 ISP（在系統(tǒng)可編程）/IPA（在應用可編程）；工作電壓 2.4～3.8 V[3]；具有 DIP/SOP/TSSOP（超小封裝 6.4 mm×6.4 mm）3種封裝形式[4]。

本系統(tǒng)以STC12LE2052單片機為主控芯片，系統(tǒng)主控電路如圖3所示。單片機的P1.0口和P1.1口分別與L3G4200D的SDA口和SCL口相連，通過軟件模擬I2C總線進行兩芯片間的通信；XTAL1口和XTAL2口外接晶振電路；RST口外接復位電路；P1.2口做命令輸出口，連接到耳機控制電路模塊。

2.3 耳機控制電路模塊

耳機控制電路模塊的電路圖如圖3所示。在該電路中采用國際標準的3.5 mm四段式手機耳機插頭，其共有四條引線，依次是：L左聲道、R右聲道、控制端和公共地，控制端和公共地回路間并接有按鍵和麥克，按鍵控制著手機音樂播放器的開與關(guān)和來電的接聽與掛斷（耳機進入音樂模式后，當手機內(nèi)的耳機檢測電路檢測到有按鍵按下時，會將音樂暫停；耳機進入通話模式后，當手機內(nèi)的耳機檢測電路檢測到有按鍵按下時，會將MIC通路激活打開使其正常工作）。本系統(tǒng)中增加了一個與按鍵并聯(lián)的三極管開關(guān)，其發(fā)射極與控制端相連，集電極與公共地相連，基極與單片機的P1.2口相聯(lián)，由單片機控制三極管開關(guān)的開啟與關(guān)閉，從而達到代替人工手動控制按鍵的目的。

圖3 系統(tǒng)主控電路

2.4 電源模塊

電源模塊由鋰電池充電電路和電壓轉(zhuǎn)換電路組成，鋰電池充電電路選用CN3052芯片，它可以提供4.2 V的工作電壓，應用時只需極少的外圍器件，且符合USB總線技術(shù)規(guī)范，可用USB數(shù)據(jù)線進行充電，其電路圖如圖4所示。

圖4 鋰電池充電電路

由于本系統(tǒng)中選用的兩個芯片可同時在3.3 V的電壓正常工作，因此電壓轉(zhuǎn)換電路選用能輸出3.3 V穩(wěn)定電壓的LDO芯片，它可以將可充電鋰電池提供的4.2 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V，其電路圖如圖5所示。

圖5 電壓轉(zhuǎn)換電路

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 初始化

初始化函數(shù)主要實現(xiàn)對L3G4200D工作模式的設置，其主要函數(shù)參考以下語句：

3.2 程序流程

系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示，程序初始化后，由單片機依次讀取L3G4200D所檢測的 X、Y、Z各軸的坐標位置，每隔 0.3 s讀取一次，讀取 10次后，計算 3 s內(nèi)X、Y、Z各軸的最大位移量。如果 X、Y、Z各軸 3 s內(nèi)的最大位移量全部小于所設定的睡眠閾值，則計數(shù)值加1；如果X、Y、Z任意一軸 3 s內(nèi)的最大位移量大于所設定的睡眠閾值，則計數(shù)清零。當計數(shù)達 80（240 s）時，認為耳機使用者已經(jīng)進入睡眠狀態(tài)，此時由單片機的P1.2口發(fā)送瞬時高電平，將三極管開關(guān)瞬時開啟，從而向手機發(fā)送關(guān)閉音樂播放器的信號。最后，為了節(jié)約電量，單片機和L3G4200D進入睡眠狀態(tài)。

本設計為使用者提供了一種通過監(jiān)測人是否進入睡眠狀態(tài)來決定是否自動關(guān)閉手機音樂播放器的耳機裝置。該裝置成本低，電路較為簡單，具有較為實用的功能，但還存在一些不足：對于睡眠閾值的設定以及計數(shù)到多長時間認為人進入睡眠狀態(tài)等問題，還需進一步結(jié)合醫(yī)學和大量臨床實驗來確定；由于不同品牌，不同型號手機之間的耳機檢測電路存在一些差異，可能會導致手機不能識別關(guān)閉音樂播放器的信號。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖

[1]冒曉莉，楊博，楊靜秋，等.基于MSP430單片機的節(jié)能型數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機[J].電子技術(shù)應用，2013，39（5）：138-140.

[2]意法半導體公司.L3G4200D芯片手冊[Z].

[3]呂高.基于STC12LE2052AD和nRF2401模塊的無線通訊設計[J].電力學報，2007，22（4）：488-490.

[4]宏晶公司.STC12LE2052AD芯片手冊[Z].