基于ENC-03RC單軸陀螺儀傳感器的防困倦器(Anti-sleeping)的設(shè)計(jì)和制作

徐 旸,張家豪,林 琦

(上海工程技術(shù)大學(xué),上海 201620)

基于ENC-03RC單軸陀螺儀傳感器的防困倦器(Anti-sleeping)的設(shè)計(jì)和制作

徐 旸,張家豪,林 琦?

(上海工程技術(shù)大學(xué),上海 201620)

防困倦器(Anti-sleeping)的設(shè)計(jì)與制作是為了提醒即將進(jìn)入睡眠狀態(tài)的人快速恢復(fù)到學(xué)習(xí)、工作等事務(wù)中去。該裝置主要基于ENC-03RC單軸陀螺儀傳感器與STC15F104W單片機(jī),并通過外圍的數(shù)字電路以實(shí)現(xiàn)對(duì)使用者頭部運(yùn)動(dòng)的監(jiān)控與適時(shí)提醒。

防困倦器;單軸陀螺儀傳感器;單片機(jī)

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的日新月異,以半導(dǎo)體為載體的各種傳感器在物理實(shí)驗(yàn)中開始逐步取代傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器,發(fā)揮著越來越重要的作用[1-4]。大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是新世紀(jì)我國(guó)高等教育培養(yǎng)當(dāng)代大學(xué)生創(chuàng)新能力的一項(xiàng)重要舉措,它不但能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、動(dòng)手能力,而且能極大地激發(fā)學(xué)生的科研興趣。而在生活中發(fā)現(xiàn)課題,通過學(xué)習(xí)新知識(shí),應(yīng)用現(xiàn)有的各種技術(shù),例如傳感器技術(shù)等,解決發(fā)現(xiàn)的課題不啻為一種現(xiàn)實(shí)可行且有效的培養(yǎng)當(dāng)代大學(xué)生創(chuàng)新能力的途徑。

隨著科技的發(fā)展與生活內(nèi)容越來越豐富,當(dāng)今大學(xué)生的生活作息很不穩(wěn)定,經(jīng)常出現(xiàn)熬夜現(xiàn)象,導(dǎo)致上課無精打采,容易入睡,影響學(xué)習(xí)。在此情形下,做出一款便攜式電子設(shè)備——防困倦器(Anti-sleeping)——以防止學(xué)生上課入睡是一種可行的應(yīng)急解決方法。下面將分別從分析人體頭部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、防困倦器的硬件設(shè)計(jì)制作[5,6]與軟件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行論述。

1 人體蘇醒及入睡初期的頭部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

眾所周知,人在蘇醒狀態(tài)時(shí),在絕大部分情況下頭部不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間保持靜止?fàn)顟B(tài),而在入睡初期,絕大部分人的頭部在一段時(shí)間內(nèi)(例如15秒)處于靜止?fàn)顟B(tài),因此可以利用這一顯著的生理區(qū)別,應(yīng)用傳感器檢測(cè)防困倦器使用者頭部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),通過單片機(jī)進(jìn)行判斷并驅(qū)動(dòng)外圍數(shù)字電路發(fā)出提示音,防止使用者進(jìn)一步沉睡。

2 防困倦器硬件電路設(shè)計(jì)與制作

防困倦器在硬件上采用ENC-03RC單軸陀螺儀傳感器探測(cè)使用者頭部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),信號(hào)處理及外圍電路驅(qū)動(dòng)采用STC15F104W單片機(jī)。

2.1 硬件設(shè)計(jì)步驟

1.測(cè)試ENC-03RC單軸陀螺儀傳感器。該傳感器可以直接輸出電壓信號(hào),靜止?fàn)顟B(tài)下傳感器輸出1.40 V以上的電壓,當(dāng)傳感器運(yùn)動(dòng)時(shí),輸出電壓顯著下降。

2.使用單片機(jī)電路軟件Proteus設(shè)計(jì)電路,為方便起見,先選擇傳統(tǒng)的51內(nèi)核單片機(jī)89C52RC。到最后做硬件優(yōu)化時(shí),再用STC15F104W單片機(jī)替換。

3.將電源電壓分壓以設(shè)置參考電壓。具體實(shí)現(xiàn)方法為,將43 K的電阻和100K的電阻串聯(lián)將5 V電源分壓,得到1.38 V的參考電壓。

4.在向單片機(jī)寫入程序后,在外圍搭建蜂鳴器以及LM393N電壓比較器等電路,LM393N把ENC-03RC單軸陀螺儀傳感器的輸出電壓作為其輸入電壓與參考電壓做比較,當(dāng)輸入電壓下降并低于1.38 V時(shí),LM393N電壓比較器輸出低電平信號(hào),傳送給單片機(jī),單片機(jī)將其作為外部中斷信號(hào),使單片機(jī)本身進(jìn)入中斷。反之,如果輸入電壓沒有下降至1.38 V以下,那么LM393N電壓比較器始終輸出高電平信號(hào),單片機(jī)無法進(jìn)入中斷。

防困倦器硬件電路設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示,電路設(shè)計(jì)使用Proteus軟件,并在此軟件上進(jìn)行仿真,仿真成功后進(jìn)行實(shí)際電路的組建與焊接。

圖1 防困倦器硬件電路設(shè)計(jì)示意圖

2.2 硬件電路優(yōu)化

1.使用更小的(八引腳)STC15F104W單片機(jī)替換STC89C52RC,其優(yōu)勢(shì)在于可以去除外部晶振和電容,以及大量多余不用的引腳,使防困倦器成品進(jìn)一步小型化。

2.由于 STC15F104W 單片機(jī)可以直接輸出5 V電壓,因此可以使用有源蜂鳴器電路,去除三極管,使外圍電路進(jìn)一步精簡(jiǎn)。

2.3 供電模塊設(shè)計(jì)

經(jīng)過計(jì)算,整個(gè)防困倦器的平均待機(jī)功耗為0.56瓦,因此可以采用3.7 V、180mAh的小型鋰電池為系統(tǒng)供電,利用DC-DC升壓元件,將電源電壓升至5 V,供電路系統(tǒng)使用。這樣可以兼顧功耗和器件小型化兩方面的要求。

3 防困倦器的軟件程序設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)防困倦器硬件的同時(shí),需要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程,以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行判斷,并輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)外圍數(shù)字電路。

3.1 軟件程序設(shè)計(jì)步驟

1.初始化,定義計(jì)時(shí)變量count,每過1000個(gè)計(jì)時(shí)中斷為1秒,單片機(jī)計(jì)時(shí)使用內(nèi)部高精度RC振蕩器提供的準(zhǔn)確機(jī)器周期。內(nèi)部晶振可以在程序燒錄時(shí)進(jìn)行調(diào)整,在本程序設(shè)計(jì)中使用11.059 2Mhz的機(jī)器周期。

圖2 防困倦器軟件程序設(shè)計(jì)流程圖

2.使用外部中斷判斷輸入電平的高低,程序設(shè)置IT0=1,單片機(jī)外部中斷為下降沿中斷,可以刷新變量m至0,即單片機(jī)重新開始倒計(jì)時(shí)。

3.輸出電平信號(hào)控制蜂鳴器,利用高低電平的變化控制蜂鳴器是否鳴響。

3.2 程序代碼(C語言)

4 結(jié) 論

綜上所述,我們所設(shè)計(jì)制作的防困倦器主要基于 ENC-03RC單軸陀螺儀傳感器與STC15F104W單片機(jī),并通過外圍的數(shù)字電路以實(shí)現(xiàn)對(duì)使用者頭部運(yùn)動(dòng)的監(jiān)控與適時(shí)提醒。

而通過該器件的設(shè)計(jì)制作過程,自學(xué)能力與自主意識(shí)得到了充分的鍛煉,很好的培養(yǎng)了創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力,進(jìn)一步激發(fā)了科學(xué)研究的興趣。

[1] 王建中,黃林,王應(yīng)輝.基于聲音傳感器的多普勒測(cè)速實(shí)驗(yàn)探究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2014,27(5): 19-22.

[2] 姜蕓,賈亞民,郭永利.溫度傳感器在測(cè)定不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].物理實(shí)驗(yàn),2011,31 (5):26-28.

[3] 焦麗鳳,陸申龍.用力敏傳感器測(cè)量液體表面張力系數(shù)[J].物理實(shí)驗(yàn),2002,22(7):40-42.

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[5] Floyd Thomas L.數(shù)字電子技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014.

[6] 寇戈,蔣立平.模擬電路與數(shù)字電路[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[7] 李成龍.基于單片機(jī)增量式編碼器的分光計(jì)設(shè)計(jì)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2015(3):22-23.

Design and Production of“Anti-sleeping”Based on ENC-03RC Single Axis Gyroscope Sensor

XU Yang,ZHANG Jia-hao,LIN Qi
(Shanghai University of Engineering Science,Shanghai201620)

Design and production of“Anti-sleeping”is purposed to remind people to recover learn and work affairs quickly for those entering the sleep state.The device can detect the movement of user’s head and remind the user,which is based on ENC-03RC single axis gyroscope sensor and STC15F104W single chipmicrocomputer assisted with the outside digital circuit.

anti-sleeping;single axis gyroscope sensor;single chip microcomputer

O 4-33

B

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.005.011

1007-2934(2015)05-0036-03

2015-04-17

上海工程技術(shù)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(cx1421006)

?通訊聯(lián)系人