蘇心玥

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基于紅外感知的智能鬧鐘的設計

蘇心玥

（金陵中學，南京 210006）

在生活中，如何保證學生按時起床是一個讓家長頭疼的問題。常常鬧鐘響了，孩子迷迷糊糊中關掉鬧鈴，接著又睡著了，結(jié)果就是上學遲到，不能養(yǎng)成很好的學習習慣。為了提升按時起床的保險系數(shù)，基于GP2Y0A02YK0F紅外測距傳感器來感知判斷鬧鐘響后人是否已經(jīng)起床、采用STC89C52單片機作為鬧鐘控制中心、采用DS1302作為時鐘控制芯片，設計了一種智能鬧鐘。設計的鬧鐘可以根據(jù)實時情況進行不同處理，能有效防止再次睡著，體現(xiàn)了一定的“智能性”。設計的智能鬧鐘性能穩(wěn)定、使用簡單方便，實用性強。

STC89C52；GP2Y0A02YK0F；紅外感知；智能鬧鐘

0 引言

鬧鐘，常常是日常生活中的一種必需品，按時提醒參加學習、工作等，特別是對于按時提醒起床有重要作用。但目前常用的鬧鐘缺少“智能性”，當用戶關掉鬧鈴后，鬧鐘就不能感知判斷用戶是否已經(jīng)起床，在用戶沒有起床時也就不能再一次響鈴叫醒他，等到自然醒來時，可能上課、上班等都已經(jīng)來不及了。針對以上問題，本文引入紅外測距傳感器，設計了一種智能鬧鐘。設計的鬧鐘不同于普通鬧鐘的是：設定的起床時間到了鬧鈴響了，當用戶按掉鬧鈴后，設定的鬧鐘并沒有最終結(jié)束，如果在一定的時間后，紅外測距傳感器沒有感知到用戶已經(jīng)起床，鬧鐘將再一次響起，直到紅外測距傳感器感知到用戶已經(jīng)起床，鬧鐘才最終停止，可以更為有效的防止人們懶床。

1 智能鬧鐘總體設計

1.1 總體設計思路

本設計的主要思路是利用單片機控制系統(tǒng)構(gòu)成整個電路的核心，控制整個鬧鐘系統(tǒng)的運行。利用放置在床頭柜上的紅外測距傳感器感知用戶是否起床，單片機根據(jù)紅外測距傳感器的感知信息進入不同的鬧鐘處理程序，實現(xiàn)鬧鐘的智能性。本文設計的智能鬧鐘系統(tǒng)的實現(xiàn)方案主要如下：

（1）時間判斷

如果系統(tǒng)設定的起床時間到了，鬧鈴響起。

（2）按掉鬧鈴判斷

如果用戶在鬧鈴持續(xù)時間內(nèi)（如設定為30秒）按掉了鬧鈴，則鬧鐘處理進入（3）；如果用戶在鬧鈴持續(xù)時間（如設定為30秒）內(nèi)沒有按掉鬧鈴，則在設定的30秒后，鬧鐘處理進入（3）。

（3）起床判斷

如果鬧鈴暫停一段時間（如設定為5分鐘）內(nèi)，紅外測距傳感器沒有檢測到用戶起床，則鬧鐘系統(tǒng)控制在5分鐘后進行響鈴，并進入（2）；如果鬧鈴暫停一段時間（如設定為5分鐘）內(nèi)，紅外測距傳感器檢測到用戶起床，則鬧鐘系統(tǒng)控制最終結(jié)束。

1.2 總體設計

依據(jù)總體設計思路，本設計主控模塊選用STC89C52單片機[1,2]。感知模塊采用GP2Y0A02YK0F紅外測距傳感器，實現(xiàn)用戶是否已經(jīng)起床的判斷。時鐘控制芯片采用DS1302[1]作為時鐘芯片，保證準確的實時時鐘功能，在配備了后備電池的前提下，時間數(shù)據(jù)斷電不丟失。鬧鈴采用無源蜂鳴器，通過輸送不同頻率的脈沖信號發(fā)出不同音色的聲音，并編排成音樂放出。顯示模塊采用液晶LCD1602顯示器，可以顯示時間、日期、鬧鐘等。鍵盤與按鈕模塊主要實現(xiàn)包括校時功能鍵、定時功能鍵、加時按鍵、減時按鍵和鬧鐘開關鍵等5個功能。電源模塊采用直流電源供電來實現(xiàn)。系統(tǒng)的總體設計框架，如圖1所示。

圖1 智能鬧鐘系統(tǒng)總體設計框架圖

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 主控模塊

（1）STC89C52單片機介紹

STC89C52單片機是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器。其具有128*8位內(nèi)部RAM、32可編程I/O線、兩個16位定時器/計數(shù)器、6個中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路等特點，為嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。STC89C52芯片引腳圖，如圖2所示。

圖2 STC89C52芯片引腳圖

（2）STC89C52單片機具體實現(xiàn)功能

平時智能鬧鐘在STC89C52單片機的控制下處于與普通鐘表一樣的工作狀態(tài)，但是當鬧鐘顯示時間為人為設定的起床時間時，STC89C52單片機就會通過I/O的P3.7對外發(fā)送鈴音控制信號，由于信號功率很小不足以驅(qū)動蜂鳴器，故需先將信號經(jīng)驅(qū)動電路放大，然后驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出起床鬧鈴聲。鈴聲響起后，鬧鐘自動進入計時模式，控制鬧鐘系統(tǒng)流程，直到單片機掃描到GP2Y0A02YK0F紅外測距傳感器檢測到人起床信號，最終停止鬧鈴。主控模塊的STC89C52單片機具體實現(xiàn)功能包括：

要及時響應鍵盤引起的中斷信號；

不斷循環(huán)將時間顯示在數(shù)碼管上；

對設置的鬧鐘時間與實時時間比較，如時間相同則鬧鈴開啟；

根據(jù)鬧鈴開啟后用戶是否按掉鬧鐘、是否起床進行鬧鐘系統(tǒng)流程控制。

所有情況下鬧鐘系統(tǒng)控制流程，都直到感知到用戶已經(jīng)起床鬧鐘流程才最終結(jié)束。

（3）STC89C52芯片引腳連接設計

根據(jù)需求，STC89C52芯片引腳連接設計具體如下：

VCC是主電源引腳，接電源電路，提供+5V工作電壓，VSS接地。

XTAL1和XTAL2是振蕩器控制引腳，接晶體振蕩電路，因采用外部振蕩器，XTAL2引腳接外部振蕩器的信號，把外部信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。

RST是電路復位引腳，接復位電路，完成系統(tǒng)初始化。

P1.5-P1.7是雙向8位I/O口引腳，接時鐘芯片DS1302，完成時鐘功能。

P0.0-P0.7是雙向8位I/O口引腳，接顯示控制電路，完成時間等信息顯示。

P3.7是雙向8位I/O口引腳，接蜂鳴器電路，完成鬧鐘的鬧鈴功能。

P3.0-P3.4是雙向8位I/O口引腳，接鍵盤與按鈕電路，完成鬧鐘的定時設置和鬧鐘開關功能。

P3.6/WR是外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通引腳，接紅外測距傳感器，完成用戶是否起床的感知判斷功能。

2.2 紅外感知模塊

紅外測距傳感器GP2Y0A02YK0F是夏普的一款距離測量傳感器模塊，由位置靈敏探測器PSD和紅外發(fā)光二極管IRED以及信號處理電路三部分組成，可以測量20-150CM距離范圍，供電電壓4.5-5.5V。由于采用了三角測量方法，被測物體的環(huán)境溫度以及測量時間都不會影響傳感器的測量精度。傳感器輸出電壓值對應探測的距離，通過測量電壓值就可以感知用戶是否起床。GP2Y0A02YK0F紅外測距傳感器的具體電路圖，如圖3所示。

圖3 GP2Y0A02YK0F與單片機連接電路

GP2Y0A02YK0F紅外測距傳感器的輸出電路接入單片機的P3.6/WR引腳。

2.3 時鐘控制模塊

時鐘控制模塊采用Dallas公司的DS1302時鐘芯片。DS1302與DS1202 相互兼容，可對秒、分、時、周、日、月、年等進行計時，有閏年補償?shù)墓δ埽哂兄麟娫碫cc2 和后備電源Vcc1雙電源的引腳，工作電壓為2.5~5.5 V。

DS1302 采用三線接口與單片機進行同步通信。DS1302 的時鐘信號輸出SCLK、數(shù)據(jù)輸入輸出I /O、復位/片選線RST引腳分別接入單片機的P1.5、P1.6、P1.7引腳。該模塊的電路圖，如圖4所示。

圖4 DS1302時鐘芯片與單片機連接電路

2.4 LCD顯示模塊

顯示模塊主要由點陣型液晶LCD1602顯示屏組成，可以顯示兩行字符和數(shù)字，每行16個字符。LCD1602液晶顯示模塊與單片機連接電路，如圖5所示。

圖5 LCD1602與單片機連接電路

2.5 鬧鈴模塊

鬧鈴模塊采用蜂鳴器實現(xiàn)，通過單片機的引腳P3.7輸出的電平變化來控制蜂鳴器的導通與否，如當前時間與鬧鈴時間相同，蜂鳴器發(fā)出起床鬧鈴聲。鈴聲響起后，鬧鐘自動進入計時和掃描紅外傳感信息模式，要最終停止鬧鈴，就必須通過紅外傳感器掃描到用戶已經(jīng)起床，紅外傳感器將電平信號送回單片機，單片機對其與設定值進行比較、判斷，一旦達到設定值，單片機就會終止向蜂鳴器發(fā)送信號，響鈴停止。鬧鈴電路設計，如圖6所示。

圖6 鬧鈴模塊與單片機連接電路

2.6 鍵盤與按鈕模塊

鍵盤與按鈕模塊[2,3]設計為校時功能鍵S1、定時功能鍵S2、加時按鍵S3、減時按鍵S4和鬧鐘開關鍵S5五個按鍵，實現(xiàn)人機交互，通過對相應按鍵的不同操作實現(xiàn)對鬧鐘的年、月、日、時、分、秒的設置和調(diào)整，通過開關鍵來開啟和關閉鬧鐘。S1、S2、S3、S4、S5分別接入P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4。

當按下時間調(diào)整鍵S1時，系統(tǒng)可進行年、月、日、時、分、秒的設置和調(diào)整，具體設置情況如表1所示。

表1 校時功能鍵S1設置情況表

按鍵次數(shù)1234567 功能設置年份設置月份設置日期設置小時設置分鐘設置秒鐘返回，恢復正常時間顯示

當按下設置定時鍵S2時，系統(tǒng)可進行鬧鐘定時時間的日、時、分、秒設置，具體設置情況如表2所示。

表2 定時功能鍵S2設置情況表

按鍵次數(shù)1234 功能設置日期設置小時設置分鐘返回，恢復正常時間顯示

不論是校時還是定時的時間設置都通過加時按鍵S3和減時按鍵S4進行控制。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)流程圖

本文系統(tǒng)的主程序[3,4]主要包括初始化、按鍵掃描、始終參數(shù)設置、時鐘顯示時間、鬧鐘響鈴、紅外感知等功能，其中基于紅外感知的鬧鐘響鈴控制流程是創(chuàng)新點，也是難點。系統(tǒng)的主程序流程具體，如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

系統(tǒng)的基于紅外感知的鬧鐘響鈴控制流程具體，如圖8所示。

圖8 鬧鐘響鈴流程圖

3.2 系統(tǒng)功能模塊

根據(jù)系統(tǒng)流程圖設計系統(tǒng)功能模塊，系統(tǒng)功能分為以下幾個子功能模塊:

（1）時間調(diào)整子功能模塊；

（2）鬧鐘時間設置子功能模塊；

（3）顯示器顯示子功能模塊；

（4）蜂鳴器響鈴子功能模塊；

（5）紅外測距傳感器感知子功能模塊。

4 總結(jié)

本文設計的基于紅外感知的智能鬧鐘，功能齊全，可以作為時鐘也可以作為鬧鐘，并且能夠簡單、方便、有效的解決懶床造成的遲到等問題，具有市場推廣應用前景。

[1] 龔虹瑞，黃小莉. 具有鬧鐘和短信提醒功能的智能藥盒設計[J].西華大學學報( 自然科學版)，2014，33( 5) : 85-88.

[2] 郭進,彭惠東,劉浩, 等. 一種基于STC89C52單片機的智能鬧鐘的設計[J]. 中國科技信息年刊，2013,11: 160-161．

[3] 戴明. 基于單片機AT89C2051 的智能電子鬧鐘的設計[J].長沙通信職業(yè)技術(shù)學院學報,2013, 12(2) : 39-42.

[4] 曾力,劉煒,曹龍. 基于AT89C51 單片機的數(shù)字時鐘設計與仿真[J].信息通信,2015, 第10期: 4-5.

Design of Smart Alarm Clock Based on Infrared Perception

Su Xinyue

(Jinling High School, Nanjing 210006, China)

In the life, how to ensure that students get up on time is a headache for parents. Often the alarm clock rings, the children turn off the alarm clock in a daze, and then fall asleep again. The result is late for school, and good learning habits can’t be developed. In order to improve the insurance factor of getting up on time, whether the person has got up after the alarm clock ring is sensed and judged based on GP2Y0A02YK0F infrared distance sensor. Using STC89C52 single-chip microcomputer as the control center, and using DS1302 as a clock control chip, a smart alarm clock is designed in this paper. The alarm clock designed can have different processing according to the real-time situation so that falling asleep again can be effectively prevened, and can be with certain intelligence. The alarm clock designed also has stable performance, simple and convenient use, strong practicability.

STC89C52; GP2Y0A02YK0F; Infrared Perception; Alarm Clock

1007-757X(2016)12-0047-03

TP311

A

蘇心玥（1998-），女，江蘇南京金陵中學，南京 210006

（2016.08.10）