一種防霧霾智能口罩的設(shè)計(jì)

徐 磊，周淵平，黃思遠(yuǎn)，劉 權(quán)

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610000)

0 引言

當(dāng)前，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速持續(xù)發(fā)展，日益惡劣的空氣質(zhì)量給廣大人民的工作和生活帶來(lái)不便,甚至嚴(yán)重威脅人們的健康。我國(guó)已經(jīng)有許多城市出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的霧霾，在大街上也有越來(lái)越多的人穿戴口罩出門(mén)，目前市面上的口罩大多只有防霧霾功能一種，并且不會(huì)把人們呼出的廢氣及時(shí)地排出保持空氣流通。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，許多人在穿戴口罩時(shí)接聽(tīng)電話會(huì)對(duì)通話質(zhì)量有一定影響。為了消除這一影響，人們或者選擇提高音量，或者選擇摘下口罩。而且許多年輕人在穿戴口罩的同時(shí)還有使用耳機(jī)聽(tīng)音樂(lè)的習(xí)慣。無(wú)論是使用藍(lán)牙耳機(jī)還是有線耳機(jī)，它們都有各自的弊端。人們?cè)谑褂脽o(wú)線藍(lán)牙耳機(jī)時(shí)會(huì)有耳機(jī)丟失的擔(dān)憂(yōu)；在使用有線耳機(jī)時(shí)又會(huì)有耳機(jī)線纏繞帶來(lái)的煩惱。為此，本文設(shè)計(jì)了一種防霧霾的智能口罩，擬解決上述的問(wèn)題，并給使用者創(chuàng)造一種新的實(shí)用型口罩體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)成部分

智能口罩主要由PCB主控板、電源、風(fēng)扇、麥克風(fēng)、耳機(jī)、口罩和可更換濾芯組成，如圖1所示。

智能口罩以PCB主控板為核心，包括藍(lán)牙控制模塊、電源模塊和風(fēng)扇及按鍵。使用者在穿戴口罩后開(kāi)啟電源，系統(tǒng)啟動(dòng)并與移動(dòng)端通過(guò)藍(lán)牙連接，風(fēng)扇開(kāi)啟主動(dòng)排氣，能夠把口罩內(nèi)呼出的廢氣全部排掉，促進(jìn)新鮮空氣從其他方向經(jīng)過(guò)濾片過(guò)濾后流進(jìn)，以達(dá)到持續(xù)新風(fēng)的目的。在口罩外部嵌入有高拾音的麥克風(fēng)和高品質(zhì)的耳機(jī)，使用者在防霧霾的同時(shí)也能享受到動(dòng)聽(tīng)的音樂(lè)，在通話時(shí)也可以有更好的通話質(zhì)量。另外為口罩專(zhuān)配有長(zhǎng)度較短的高品質(zhì)耳機(jī)從而解決了耳機(jī)線纏繞帶來(lái)的煩惱。整個(gè)系統(tǒng)均安裝在口罩右外側(cè)，在右外側(cè)開(kāi)了一個(gè)2 cm2的小口并將風(fēng)扇嵌入密閉，由于盡量采用較小的器件，減少不必要的配件，最后將整個(gè)系統(tǒng)安裝在口罩上后，并不會(huì)影響到使用者的舒適度。

圖1 口罩整體結(jié)構(gòu)框圖

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性對(duì)比分析

與當(dāng)前流行的口罩相比，該智能口罩在以下兩個(gè)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)：一是具有風(fēng)扇支持的空氣循環(huán)系統(tǒng)，可以給用戶(hù)更舒適的體驗(yàn)；二是具有藍(lán)牙功能，可以支持藍(lán)牙接聽(tīng)電話和播放音樂(lè)，可以給用戶(hù)更全面的實(shí)用體驗(yàn)。文獻(xiàn)[1]采用了防霧霾面罩，同時(shí)也有風(fēng)扇循環(huán)口罩內(nèi)空氣，但并未整合藍(lán)牙，不能接聽(tīng)電話和播放音樂(lè)。文獻(xiàn)[2]結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本過(guò)高。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

圖2 藍(lán)牙控制模塊電路

2.1 C8051F020介紹

C8051F020的內(nèi)部電路包括CIP-51微控制器內(nèi)核及RAM、ROM、I/O口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、ADC、DAC、SPI和SMBus等部件，即把計(jì)算機(jī)的基本組成單元以及模擬和數(shù)字外設(shè)集成在一個(gè)芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的片上系統(tǒng)。雖然其與80C51在指令系統(tǒng)上完全一樣，但是其在運(yùn)行速度、I/O端口配置方式、內(nèi)部功能和外部接口上都有著很大程度的改進(jìn)和提高，從而廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域[3]。

2.2 藍(lán)牙控制模塊

藍(lán)牙控制模塊電路圖如圖2所示。藍(lán)牙控制模塊主要由藍(lán)牙芯片、音頻輸出部分和音頻獲取部分組成。藍(lán)牙芯片選用BEKEN的BK8000L芯片[4-5]，該塊芯片不僅具有成本低、性?xún)r(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，還為藍(lán)牙模塊提供了更高品質(zhì)的音樂(lè)和兼容性。該芯片的藍(lán)牙規(guī)格為Bluetooth2.0。出于耳機(jī)功率放大的考慮，選用了TPA6132芯片，該芯片為一款立體聲耳機(jī)放大器。其特點(diǎn)是無(wú)需使用外部直流阻隔電容器，擁有卓越的低頻保真度，并能抑制喀噠/噼啪噪聲。為了能識(shí)別藍(lán)牙連接狀態(tài)，設(shè)計(jì)了一藍(lán)一紅兩個(gè)LED(D2、D3)，當(dāng)兩燈交替閃爍時(shí)表示藍(lán)牙未連接并正在嘗試連接，當(dāng)藍(lán)牙已連接時(shí)，藍(lán)燈慢閃。S6-S10為藍(lán)牙的控制按鍵，在播放音樂(lè)時(shí)分別控制音樂(lè)的上一曲、下一曲、音量增、音量減、播放與暫停功能；來(lái)電時(shí)由播放與暫停鍵負(fù)責(zé)接聽(tīng)功能，并由播放與接聽(tīng)鍵負(fù)責(zé)語(yǔ)音監(jiān)聽(tīng)的開(kāi)啟。C13-C25起到隔絕直流噪聲的作用。耳機(jī)功放電路如圖3所示。

2.3 風(fēng)扇、按鍵及LED

口罩右部嵌有微型風(fēng)扇，采用+5 V驅(qū)動(dòng)。此風(fēng)扇用戶(hù)將使用者呼出的廢氣排出，起到清新空氣的作用。PCB主控板內(nèi)具有5個(gè)按鍵與2個(gè)LED。所有的按鍵及LED都集成在PCB主控板上，其中有5個(gè)按鍵位于藍(lán)牙控制模塊，分別為上一曲、下一曲、音量增、音量減和暫停/接通[6]，其中暫停按鍵兼具接通鍵和語(yǔ)音監(jiān)聽(tīng)，會(huì)自動(dòng)根據(jù)場(chǎng)景選擇不同功能。其余5個(gè)用于單片機(jī)的控制，最后4個(gè)作為PCB主控板的外圍控件，用于以后的功能擴(kuò)展。一個(gè)LED燈作為系統(tǒng)啟動(dòng)指示燈，在通電開(kāi)啟時(shí)保持常亮。此LED指示PCB主控板是否工作，為了降低功耗，另外兩個(gè)LED燈(一藍(lán)一紅)作為連接藍(lán)牙芯片指示燈，在藍(lán)牙未連接(即搜索狀態(tài))時(shí)兩燈交替閃爍，當(dāng)藍(lán)牙連接上時(shí)轉(zhuǎn)換為一個(gè)藍(lán)燈慢閃爍。將常亮的藍(lán)牙指示燈變?yōu)殚W爍式的指示燈可以有效地減少能源的消耗。

圖3 耳機(jī)功放電路

2.4 電源模塊

智能口罩的電源模塊負(fù)責(zé)風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)和PCB主控板的電源供給，電源模塊采用+5 V的直流電源，在向PCB主控板供電時(shí)，為了盡可能減少功耗，一是通過(guò)降低電壓可以成平方級(jí)別地降低電能消耗，所以采用AMS111芯片將+5 V轉(zhuǎn)變?yōu)?3.3 V，該芯片輸出電流為100 mA；二是可以進(jìn)行手動(dòng)控制風(fēng)扇的開(kāi)啟與關(guān)閉，減少電能消耗；三是將藍(lán)牙連接狀態(tài)指示燈設(shè)計(jì)成慢閃形式，摒棄長(zhǎng)亮模式從而減少功耗。以上三點(diǎn)均為低功耗設(shè)計(jì)?？紤]到口罩需要頻繁使用，在電源模塊內(nèi)有USB接口的充電模塊，能夠?yàn)榭谡痔峁├m(xù)航。5 V轉(zhuǎn)3.3 V電源轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

圖4 5 V轉(zhuǎn)3.3 V電源轉(zhuǎn)換電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PCB主控板軟件流程圖如圖5所示，PCB主控板開(kāi)啟后，首先進(jìn)行晶振初始化、引腳初始化和串口初始化與使能。之后程序進(jìn)入循環(huán)，對(duì)按鍵的觸發(fā)做出響應(yīng)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，會(huì)對(duì)按鍵進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)識(shí)別為語(yǔ)音按鍵時(shí)，系統(tǒng)會(huì)先發(fā)送SPP數(shù)傳開(kāi)啟指令給移動(dòng)端開(kāi)啟數(shù)據(jù)傳輸，之后若有數(shù)據(jù)從移動(dòng)端通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送過(guò)來(lái)，藍(lán)牙會(huì)將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給單片機(jī)，此時(shí)會(huì)引起串口中斷，串口中斷時(shí)會(huì)引起程序中斷并執(zhí)行串口中斷子程序[7]。該程序會(huì)將發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)以字節(jié)的形式全部接收并保存，退出子程序后會(huì)繼續(xù)主程序的執(zhí)行，主程序?qū)⒈４娴臄?shù)據(jù)進(jìn)行解析，通過(guò)解析提取里面的有用信息，若有用信息有與之對(duì)應(yīng)的指令，則執(zhí)行指令完成語(yǔ)音控制；當(dāng)識(shí)別為風(fēng)扇控制按鍵時(shí)，按鍵按下會(huì)把控制開(kāi)關(guān)倒置達(dá)到控制風(fēng)扇開(kāi)閉的效果。

圖5 PCB主控板軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在系統(tǒng)完成后，進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。完成后的口罩如圖6所示。分別對(duì)通風(fēng)情況、藍(lán)牙連接情況、音樂(lè)播放效果和麥克風(fēng)通信等功能進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:使用者對(duì)通風(fēng)效果給予了高度評(píng)價(jià)，藍(lán)牙連接的成功率非常高，只需一次手動(dòng)連接，之后便可以自動(dòng)連接且不會(huì)發(fā)生連接中斷的情況，移動(dòng)端音樂(lè)播放后使用者可以通過(guò)耳機(jī)聽(tīng)到高品質(zhì)的音樂(lè)，用戶(hù)體驗(yàn)較好。最后驗(yàn)證了藍(lán)牙連接下的通話質(zhì)量，結(jié)果表明此系統(tǒng)完全支持正常的通話。

圖6 口罩成果圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種防霧霾的智能口罩。該系統(tǒng)由移動(dòng)端、PCB主控板、風(fēng)扇、麥克風(fēng)、電源和耳機(jī)等部件組成。本文給出了整體結(jié)構(gòu)圖，并對(duì)該系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等難點(diǎn)進(jìn)行了必要的闡述說(shuō)明，在硬件中選擇了易于調(diào)試的CF8051F020單片機(jī)模塊和BK8000L藍(lán)牙芯片。該智能口罩一方面可以有效地防止霧霾，并排出呼出的廢氣給使用者更舒適的新風(fēng)體驗(yàn)；另一方面可實(shí)現(xiàn)更加可靠的通話指令和更舒適的音樂(lè)享受。本系統(tǒng)因其基本脫離了對(duì)手部的過(guò)分依賴(lài)，適合于很多場(chǎng)景，例如手腳不便的殘障人士、正在駕駛的快遞人員等，因此具有較好的實(shí)用性[8]。