一種基于單片機(jī)控制的多功能兒童床

張瀚文　盧歡　劉潤(rùn)湘　孔磊　郝奕涵

摘? 要：幼兒床對(duì)孩子的健康成長(zhǎng)有著重要的影響，是一種在當(dāng)今社會(huì)不能缺少的兒童生活用品?；诖?，主要針對(duì)孩子踢被易生病的情況，意圖將自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)、紅外線測(cè)控技術(shù)以及其他的功能結(jié)合起來(lái)，通過(guò)單片機(jī)的信號(hào)處理機(jī)械臂和其他元器件對(duì)信號(hào)的接收及反饋，完成為孩子蓋被、提醒父母孩子的狀態(tài)等其他一系列附加的功能，從而實(shí)現(xiàn)在一定程度上幫助父母看護(hù)孩子的可能。

關(guān)鍵詞：幼兒床? 自動(dòng)化? 程序控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TS664.01 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）02（c）-0011-03

隨著社會(huì)的發(fā)展，父母越來(lái)越重視孩子的成長(zhǎng)發(fā)育，但在當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的快節(jié)奏之下，百忙之中抽出時(shí)間來(lái)照顧孩子無(wú)疑是給父母增加了無(wú)形的壓力。

所以，為了減輕父母負(fù)擔(dān)，同時(shí)提高育兒質(zhì)量，幼兒床似乎是父母不約而同的選擇。雖市場(chǎng)上已有諸多類(lèi)型幼兒床，但大多存在功能單一、不具備智能化等問(wèn)題，父母仍然需要付出很多的精力看護(hù)孩子。

因此，我們便萌生了這樣的想法：設(shè)計(jì)出一款可以保證幼兒在睡眠中不因踢被子而受凍驚醒、具有紅外線感觸亮燈的幼兒床，從而給予父母更多的睡眠時(shí)間，減輕父母育兒的生活壓力。做到讓孩子睡得舒心，讓家長(zhǎng)睡得安心。

1? 正文

1.1 理論基礎(chǔ)

人口出生率指某地在一個(gè)時(shí)期之內(nèi)（通常指一年）出生人數(shù)與平均人口之比，它反映出人口的出生水平。而改革開(kāi)放以來(lái)，如表1所示，我國(guó)的人口出生率從起初的18.25‰到2018年的10.94‰，長(zhǎng)此以往，預(yù)計(jì)到2050年，將會(huì)下降到0左右[1]。因此，為防止人口老齡化這一嚴(yán)重問(wèn)題的出現(xiàn)，保證充足的勞動(dòng)力，國(guó)家開(kāi)放了二孩政策，新生兒的數(shù)量也將因此逐漸增加，嬰幼兒用品也將愈發(fā)重要。

而且，隨著社會(huì)的發(fā)展，人們?cè)谕獾墓ぷ鳌?yīng)酬時(shí)間也在增加。基于凡勃侖效應(yīng)和中國(guó)實(shí)際，采用2014年CFPS數(shù)據(jù)，針對(duì)收入不平等對(duì)勞動(dòng)者工時(shí)的影響進(jìn)行實(shí)證分析。結(jié)果表明，從我國(guó)25個(gè)省市來(lái)看，收入不平等對(duì)勞動(dòng)者工時(shí)有顯著的正向影響，收入差距越大，越會(huì)延長(zhǎng)勞動(dòng)者的工時(shí)[2]。這就導(dǎo)致了他們?yōu)榱双@得更多的財(cái)富，無(wú)力抽出更多時(shí)間撫育孩子。所以，設(shè)計(jì)出一款能夠緩解父母育兒壓力的幼兒床就顯得很有必要。

1.2 預(yù)實(shí)現(xiàn)功能

這款幼兒床主要針對(duì)的是孩子夜晚睡覺(jué)踢被子的問(wèn)題，所以圍繞這個(gè)主題，產(chǎn)品將被期待完成以下功能。

（1）實(shí)現(xiàn)保溫功能，給孩子以舒適的睡眠環(huán)境。

（2）孩子踢掉被子時(shí)，自動(dòng)為孩子蓋被。

（3）若孩子醒來(lái)，自動(dòng)發(fā)出聲音提示父母孩子醒來(lái)的狀態(tài)。

（4）在聲音提醒的同時(shí)，亮起柔和燈光，方便父母在夜里視物。

1.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)具體見(jiàn)圖1、圖2。

1.4 產(chǎn)品原理

1.4.1 產(chǎn)品工作原理

（1）小孩踢被，紅外線發(fā)射器的信號(hào)收到阻擋，接收器無(wú)法接收信號(hào)，控制LED燈發(fā)出柔和光照，蜂鳴器發(fā)出輕柔悅耳鈴音，持續(xù)一段時(shí)間;床被中的磁性物質(zhì)與床墊上的永磁鐵分離，床墊上的壓力傳感器1因壓力減小而傳送信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)送指令。

（2）單片機(jī)給電路通電，控制機(jī)械臂上的電機(jī)1使短臂抬高至水平（此時(shí)電機(jī)2的正下方為永磁鐵），電機(jī)2工作使動(dòng)臂緩慢下降，單片機(jī)同時(shí)控制驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)按一定角度來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)械臂開(kāi)始蛇形掃動(dòng)。

（3）機(jī)械臂開(kāi)始蛇形掃動(dòng)的同時(shí)，單片機(jī)給電磁鐵通電，使得電磁鐵通過(guò)機(jī)械臂的蛇形掃動(dòng)在床上的預(yù)定高度來(lái)回移動(dòng)尋找磁性物質(zhì)。

（4）磁性物質(zhì)與電磁鐵吸附，機(jī)械臂上的壓力傳感器2因壓力增大傳送信號(hào)給單片機(jī)，使驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)停止工作，從而控制電機(jī)2使得動(dòng)臂自然下垂，然后單片機(jī)給電磁鐵斷電，磁性物質(zhì)自由下落，與床墊上的永磁鐵吸附。

（5）床墊上的壓力傳感器1因?yàn)閴毫υ龃蠖鴤魉托盘?hào)給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)送指令。

（6）單片機(jī)控制機(jī)械臂的電機(jī)2工作，使得動(dòng)臂抬升至水平，單片機(jī)再控制電機(jī)1工作，使得機(jī)械臂恢復(fù)初始狀態(tài)，完成一次蓋被任務(wù)。

1.4.2 機(jī)械臂工作原理

機(jī)械臂是最基本的機(jī)器人，其一個(gè)重要的性能指標(biāo)就是冗余關(guān)節(jié)的有無(wú)與數(shù)量的多少。沒(méi)有冗余關(guān)節(jié)的機(jī)械臂會(huì)在靈活性方面有所欠缺，在規(guī)避機(jī)械臂存在的奇異構(gòu)型、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)極限、任務(wù)空間的障礙物時(shí)不能做出理想的調(diào)整，所以機(jī)械臂使用的關(guān)鍵之處就在于對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的合理規(guī)劃[3]。但由于該產(chǎn)品只需令其進(jìn)行蛇形掃動(dòng)和簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)，故兩個(gè)自由度已是足夠。

因?yàn)闄C(jī)械臂就是該產(chǎn)品的主要工作方式，所以其工作原理與上文產(chǎn)品工作原理相差不大，此處不作過(guò)多贅述。

1.4.3 夜晚照明工作原理

產(chǎn)品中用到的紅外線測(cè)控儀器主要采用對(duì)射式紅外線傳感器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)對(duì)射式傳感器）。該傳感器的工作原理為：兩端發(fā)射紅外信號(hào)，假如中間無(wú)遮擋時(shí)， 則接收端就能收到正常的信號(hào);假如有人觸碰到布防區(qū)域時(shí)， 信號(hào)被擋住， 此時(shí)接收端便無(wú)法接收到信號(hào)，此時(shí)就可以產(chǎn)生一個(gè)報(bào)警信號(hào)并經(jīng)過(guò)放大整形電路放大、編碼電路進(jìn)行編碼和發(fā)射等環(huán)節(jié)發(fā)射出去[4]。采用此裝置，通過(guò)在幼兒床的橫向兩側(cè)固定高度，安裝數(shù)對(duì)對(duì)射式傳感器，感應(yīng)橫向范圍距離兒童的設(shè)定高度以達(dá)到測(cè)控的作用。數(shù)對(duì)對(duì)射式傳感器并聯(lián)后串聯(lián)一個(gè)0.09W或0.23W暖光LED燈，當(dāng)兒童半夜醒來(lái)起床時(shí)，達(dá)到設(shè)定高度后，遮擋住紅外線，暖光LED燈開(kāi)始工作，已達(dá)到夜晚照明的效果，具體情況見(jiàn)圖3。

1.4.4 電動(dòng)機(jī)工作原理

電動(dòng)機(jī)（Motors）是一種旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)器，它將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，通過(guò)磁場(chǎng)與電流之間的關(guān)系產(chǎn)生的力的作用，從而使自身轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)槭褂昧酥绷麟娫?，所以將使用直流電?dòng)機(jī)，即電動(dòng)機(jī)的做功部分做直線運(yùn)動(dòng)，圖4為直流電動(dòng)機(jī)工作原理圖。

在電機(jī)的兩電刷端加上直流電壓，由于電刷和換向器的作用將電能引入電樞線圈中，并保證了同一個(gè)極下線圈邊中的電流始終是一個(gè)方向，繼而保證了該極下線圈邊所受的電磁力方向不變，保證了電動(dòng)機(jī)能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)，當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)切割磁力線時(shí)，在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流和磁場(chǎng)的聯(lián)合作用向電機(jī)轉(zhuǎn)子施加驅(qū)動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能以拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械。

注意：每個(gè)線圈邊中的電流方向是交變的。

1.4.5 恒溫系統(tǒng)原理

該產(chǎn)品的恒溫系統(tǒng)利用的是水循環(huán)的原理，利用水比熱容大的特性，由Q=cmΔT可知：在放出相同的熱量之后，溫度變化更小，更有利于溫度的保持。通電后，以電熱管為核心的加熱器收到電信號(hào)，對(duì)一部分水進(jìn)行加熱，通過(guò)水循環(huán)系統(tǒng)，利用一種類(lèi)似環(huán)流的原理，從而將全部液體的溫度提升起來(lái)，當(dāng)其中的電子溫度計(jì)感受到限定溫度的信號(hào)時(shí)，發(fā)出信號(hào)令加熱器功率降低，只需保持溫度不變即可[5]。

2? 項(xiàng)目前景

由于國(guó)家政策的實(shí)行，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，人口出生率將會(huì)呈現(xiàn)上漲的趨勢(shì)，兒童用品市場(chǎng)的缺口將會(huì)逐步增大。并且現(xiàn)有市場(chǎng)流通的幼兒床尚未實(shí)現(xiàn)過(guò)類(lèi)似的功能，智能幼兒床市場(chǎng)仍處于技術(shù)成熟度曲線中的觸發(fā)期階段。若抓住先機(jī)，在今后的市場(chǎng)上占據(jù)較大份額是有可能的。但要注意的是，正是由于沒(méi)有相關(guān)產(chǎn)品作為參考，在經(jīng)驗(yàn)和方向上自動(dòng)化、智能化同時(shí)會(huì)有很大的劣勢(shì)，行之需謹(jǐn)慎。

3? 結(jié)語(yǔ)

幼兒床的設(shè)計(jì)不是一種無(wú)目的的行為。時(shí)代在發(fā)展，人們看待事物的角度也在發(fā)生著變化。在日趨智能化的當(dāng)下，僅僅設(shè)計(jì)一款幼兒床是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。還需要考慮受眾心理，尤其是要著重思索方便大眾的設(shè)計(jì)。這樣，以此為核心開(kāi)發(fā)出的功能才能符合現(xiàn)代社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展要求，才能將幼兒床與顧客需求結(jié)合起來(lái)，做出一款緊跟時(shí)代科技，緊隨大眾意愿的兒童床。

參考文獻(xiàn)

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