一種基于單片機(jī)的可自動(dòng)關(guān)閉音樂的耳機(jī)裝置

王海濱，胡德計(jì)

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

當(dāng)人戴上耳機(jī)聽音樂時(shí)，某些時(shí)候，尤其是在晚上，會(huì)因?yàn)槔Ь脒M(jìn)入睡眠狀態(tài)，而忘記關(guān)閉手機(jī)的音樂播放器，這樣不僅浪費(fèi)了手機(jī)的電量，還會(huì)影響人們的睡眠質(zhì)量，更加嚴(yán)重的是，如果使用者長(zhǎng)時(shí)間甚至一整夜都沒有關(guān)閉音樂播放器，會(huì)對(duì)其聽力產(chǎn)生不良影響。

目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用手機(jī)播放器的睡眠定時(shí)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(huì)定時(shí)過短，即其還沒有進(jìn)入睡眠狀態(tài)音樂播放器就關(guān)閉了；也可能會(huì)定時(shí)過長(zhǎng)，即其已經(jīng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)很久音樂播放器才關(guān)閉。

針對(duì)這一問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的智能耳機(jī)，它通過檢測(cè)耳機(jī)使用者頭部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，來判別其是否進(jìn)入睡眠狀態(tài)，當(dāng)處理器判定其進(jìn)入睡眠狀態(tài)后，會(huì)發(fā)送關(guān)閉手機(jī)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(zhǔn)確設(shè)定定時(shí)時(shí)間的問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工作原理

本系統(tǒng)以單片機(jī)STC12LE2052為主控器，以三軸數(shù)字陀螺儀L3G4200D為位置檢測(cè)模塊，加以耳機(jī)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(jī)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(jī)STC12LE2052上，由單片機(jī)對(duì)信息進(jìn)行處理。結(jié)合人的生理習(xí)慣：當(dāng)耳機(jī)使用者未進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)，其頭部會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)角度變化較大；一旦耳機(jī)使用者進(jìn)入或即將進(jìn)入睡眠狀態(tài)，其頭部角度變化（正常睡眠呼吸時(shí)頭部的起伏）很小，且距下一次頭部較大角度移動(dòng)會(huì)相隔較長(zhǎng)時(shí)間。因此，若在一定時(shí)間內(nèi)，所檢測(cè)的耳機(jī)使用者頭部角度變化持續(xù)小于設(shè)置的某一微小睡眠閾值時(shí)[1]，則單片機(jī)認(rèn)為耳機(jī)使用者已經(jīng)進(jìn)入了睡眠狀態(tài)，此時(shí)單片機(jī)通過耳機(jī)控制電路模塊向手機(jī)發(fā)送關(guān)閉信號(hào)，當(dāng)手機(jī)內(nèi)的耳機(jī)檢測(cè)電路檢測(cè)到來自耳機(jī)控制電路模塊的關(guān)閉信號(hào)后，手機(jī)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(shè)計(jì)

2.1 位置檢測(cè)模塊

位置檢測(cè)模塊采用L3G4200D芯片。L3G4200D是意法半導(dǎo)體（ST）推出的一種采用一個(gè)感應(yīng)結(jié)構(gòu)檢測(cè)三條正交軸向運(yùn)動(dòng)的低功耗三軸數(shù)字陀螺儀，可以精確地檢測(cè)角速率。用戶可以設(shè)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(yùn)動(dòng)測(cè)量，而高量程則適用于測(cè)量超快速的運(yùn)動(dòng)；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(gè) 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(cè)模塊電路如圖2所示，L3G4200D的串行時(shí)鐘（SCL）口和串行數(shù)據(jù)（SDA）口與單片機(jī)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(shí)的地址（當(dāng) SDO接 VCC時(shí)，其地址為 1101001b；當(dāng) SDO接 GND時(shí)，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(cè)模塊電路

2.2 STC12LE2052簡(jiǎn)介

STC12LE2052單片機(jī)是高速、低功耗的新一代兼容8051內(nèi)核單片機(jī)。其共20個(gè)引腳，15個(gè)通用I/O口；內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路；具有2路 PWM/PCA（可編程計(jì)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(yīng)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(jī)為主控芯片，系統(tǒng)主控電路如圖3所示。單片機(jī)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(jìn)行兩芯片間的通信；XTAL1口和XTAL2口外接晶振電路；RST口外接復(fù)位電路；P1.2口做命令輸出口，連接到耳機(jī)控制電路模塊。

2.3 耳機(jī)控制電路模塊

耳機(jī)控制電路模塊的電路圖如圖3所示。在該電路中采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的3.5 mm四段式手機(jī)耳機(jī)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(jī)音樂播放器的開與關(guān)和來電的接聽與掛斷（耳機(jī)進(jìn)入音樂模式后，當(dāng)手機(jī)內(nèi)的耳機(jī)檢測(cè)電路檢測(cè)到有按鍵按下時(shí)，會(huì)將音樂暫停；耳機(jī)進(jìn)入通話模式后，當(dāng)手機(jī)內(nèi)的耳機(jī)檢測(cè)電路檢測(cè)到有按鍵按下時(shí)，會(huì)將MIC通路激活打開使其正常工作）。本系統(tǒng)中增加了一個(gè)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(jī)的P1.2口相聯(lián)，由單片機(jī)控制三極管開關(guān)的開啟與關(guān)閉，從而達(dá)到代替人工手動(dòng)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(yīng)用時(shí)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(jìn)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(gè)芯片可同時(shí)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(shè)計(jì)

3.1 初始化

初始化函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)L3G4200D工作模式的設(shè)置，其主要函數(shù)參考以下語(yǔ)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(jī)依次讀取L3G4200D所檢測(cè)的 X、Y、Z各軸的坐標(biāo)位置，每隔 0.3 s讀取一次，讀取 10次后，計(jì)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(shè)定的睡眠閾值，則計(jì)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(shè)定的睡眠閾值，則計(jì)數(shù)清零。當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá) 80（240 s）時(shí)，認(rèn)為耳機(jī)使用者已經(jīng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，此時(shí)由單片機(jī)的P1.2口發(fā)送瞬時(shí)高電平，將三極管開關(guān)瞬時(shí)開啟，從而向手機(jī)發(fā)送關(guān)閉音樂播放器的信號(hào)。最后，為了節(jié)約電量，單片機(jī)和L3G4200D進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

本設(shè)計(jì)為使用者提供了一種通過監(jiān)測(cè)人是否進(jìn)入睡眠狀態(tài)來決定是否自動(dòng)關(guān)閉手機(jī)音樂播放器的耳機(jī)裝置。該裝置成本低，電路較為簡(jiǎn)單，具有較為實(shí)用的功能，但還存在一些不足：對(duì)于睡眠閾值的設(shè)定以及計(jì)數(shù)到多長(zhǎng)時(shí)間認(rèn)為人進(jìn)入睡眠狀態(tài)等問題，還需進(jìn)一步結(jié)合醫(yī)學(xué)和大量臨床實(shí)驗(yàn)來確定；由于不同品牌，不同型號(hào)手機(jī)之間的耳機(jī)檢測(cè)電路存在一些差異，可能會(huì)導(dǎo)致手機(jī)不能識(shí)別關(guān)閉音樂播放器的信號(hào)。

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(jī)的節(jié)能型數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（5）：138-140.

[2]意法半導(dǎo)體公司.L3G4200D芯片手冊(cè)[Z].

[3]呂高.基于STC12LE2052AD和nRF2401模塊的無(wú)線通訊設(shè)計(jì)[J].電力學(xué)報(bào)，2007，22（4）：488-490.

[4]宏晶公司.STC12LE2052AD芯片手冊(cè)[Z].