一种基于单片机控制的多功能儿童床

来源:用户上传      作者:张瀚文　卢欢　刘润湘　孔磊　郝奕涵

　　摘  要：幼儿床对孩子的健康成长有着重要的影响，是一种在当今社会不能缺少的儿童生活用品。基于此，主要针对孩子踢被易生病的情况，意图将自动化检测技术、红外线测控技术以及其他的功能结合起来，通过单片机的信号处理机械臂和其他元器件對信号的接收及反馈，完成为孩子盖被、提醒父母孩子的状态等其他一系列附加的功能，从而实现在一定程度上帮助父母看护孩子的可能。
　　关键词：幼儿床  自动化  程序控制
　　中图分类号：TS664.01    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）02（c）-0011-03
　　随着社会的发展，父母越来越重视孩子的成长发育，但在当今社会发展的快节奏之下，百忙之中抽出时间来照顾孩子无疑是给父母增加了无形的压力。
　　所以，为了减轻父母负担，同时提高育儿质量，幼儿床似乎是父母不约而同的选择。虽市场上已有诸多类型幼儿床，但大多存在功能单一、不具备智能化等问题，父母仍然需要付出很多的精力看护孩子。
　　因此，我们便萌生了这样的想法：设计出一款可以保证幼儿在睡眠中不因踢被子而受冻惊醒、具有红外线感触亮灯的幼儿床，从而给予父母更多的睡眠时间，减轻父母育儿的生活压力。做到让孩子睡得舒心，让家长睡得安心。
　　1  正文
　　1.1 理论基础
　　人口出生率指某地在一个时期之内（通常指一年）出生人数与平均人口之比，它反映出人口的出生水平。而改革开放以来，如表1所示，我国的人口出生率从起初的18.25‰到2018年的10.94‰，长此以往，预计到2050年，将会下降到0左右[1]。因此，为防止人口老龄化这一严重问题的出现，保证充足的劳动力，国家开放了二孩政策，新生儿的数量也将因此逐渐增加，婴幼儿用品也将愈发重要。
　　而且，随着社会的发展，人们在外的工作、应酬时间也在增加。基于凡勃仑效应和中国实际，采用2014年CFPS数据，针对收入不平等对劳动者工时的影响进行实证分析。结果表明，从我国25个省市来看，收入不平等对劳动者工时有显著的正向影响，收入差距越大，越会延长劳动者的工时[2]。这就导致了他们为了获得更多的财富，无力抽出更多时间抚育孩子。所以，设计出一款能够缓解父母育儿压力的幼儿床就显得很有必要。
　　1.2 预实现功能
　　这款幼儿床主要针对的是孩子夜晚睡觉踢被子的问题，所以围绕这个主题，产品将被期待完成以下功能。
　　（1）实现保温功能，给孩子以舒适的睡眠环境。
　　（2）孩子踢掉被子时，自动为孩子盖被。
　　（3）若孩子醒来，自动发出声音提示父母孩子醒来的状态。
　　（4）在声音提醒的同时，亮起柔和灯光，方便父母在夜里视物。
　　1.3 产品结构
　　产品结构具体见图1、图2。
　　1.4 产品原理
　　1.4.1 产品工作原理
　　（1）小孩踢被，红外线发射器的信号收到阻挡，接收器无法接收信号，控制LED灯发出柔和光照，蜂鸣器发出轻柔悦耳铃音，持续一段时间;床被中的磁性物质与床垫上的永磁铁分离，床垫上的压力传感器1因压力减小而传送信号给单片机，单片机发送指令。
　　（2）单片机给电路通电，控制机械臂上的电机1使短臂抬高至水平（此时电机2的正下方为永磁铁），电机2工作使动臂缓慢下降，单片机同时控制驱动转盘按一定角度来回转动，使机械臂开始蛇形扫动。
　　（3）机械臂开始蛇形扫动的同时，单片机给电磁铁通电，使得电磁铁通过机械臂的蛇形扫动在床上的预定高度来回移动寻找磁性物质。
　　（4）磁性物质与电磁铁吸附，机械臂上的压力传感器2因压力增大传送信号给单片机，使驱动转盘停止工作，从而控制电机2使得动臂自然下垂，然后单片机给电磁铁断电，磁性物质自由下落，与床垫上的永磁铁吸附。
　　（5）床垫上的压力传感器1因为压力增大而传送信号给单片机，单片机发送指令。
　　（6）单片机控制机械臂的电机2工作，使得动臂抬升至水平，单片机再控制电机1工作，使得机械臂恢复初始状态，完成一次盖被任务。
　　1.4.2 机械臂工作原理
　　机械臂是最基本的机器人，其一个重要的性能指标就是冗余关节的有无与数量的多少。没有冗余关节的机械臂会在灵活性方面有所欠缺，在规避机械臂存在的奇异构型、关节运动极限、任务空间的障碍物时不能做出理想的调整，所以机械臂使用的关键之处就在于对机械臂运动的合理规划[3]。但由于该产品只需令其进行蛇形扫动和简单的运动，故两个自由度已是足够。
　　因为机械臂就是该产品的主要工作方式，所以其工作原理与上文产品工作原理相差不大，此处不作过多赘述。
　　1.4.3 夜晚照明工作原理
　　产品中用到的红外线测控仪器主要采用对射式红外线传感器（以下简称对射式传感器）。该传感器的工作原理为：两端发射红外信号，假如中间无遮挡时， 则接收端就能收到正常的信号;假如有人触碰到布防区域时， 信号被挡住， 此时接收端便无法接收到信号，此时就可以产生一个报警信号并经过放大整形电路放大、编码电路进行编码和发射等环节发射出去[4]。采用此装置，通过在幼儿床的横向两侧固定高度，安装数对对射式传感器，感应横向范围距离儿童的设定高度以达到测控的作用。数对对射式传感器并联后串联一个0.09W或0.23W暖光LED灯，当儿童半夜醒来起床时，达到设定高度后，遮挡住红外线，暖光LED灯开始工作，已达到夜晚照明的效果，具体情况见图3。
　　1.4.4 电动机工作原理
　　电动机（Motors）是一种旋转式电动机器，它将电能转变为机械能，通过磁场与电流之间的关系产生的力的作用，从而使自身转动。因为使用了直流电源，所以将使用直流电动机，即电动机的做功部分做直线运动，图4为直流电动机工作原理图。 　　在电机的两电刷端加上直流电压，由于电刷和换向器的作用将电能引入电枢线圈中，并保证了同一个极下线圈边中的电流始终是一个方向，继而保证了该极下线圈边所受的电磁力方向不变，保证了电动机能连续地旋转，当导体在磁场内切割磁力线时，在导体内产生感应电流，感应电流和磁场的联合作用向电机转子施加驱动力，以实现将电能转换成机械能以拖动生产机械。
　　注意：每个线圈边中的电流方向是交变的。
　　1.4.5 恒温系统原理
　　该产品的恒温系统利用的是水循环的原理，利用水比热容大的特性，由Q=cmΔT可知：在放出相同的热量之后，温度变化更小，更有利于温度的保持。通电后，以电热管为核心的加热器收到电信号，对一部分水进行加热，通过水循环系统，利用一种类似环流的原理，从而将全部液体的温度提升起来，当其中的电子温度计感受到限定温度的信号时，发出信号令加热器功率降低，只需保持温度不变即可[5]。
　　2  项目前景
　　由于国家政策的实行，未來一段时间内，人口出生率将会呈现上涨的趋势，儿童用品市场的缺口将会逐步增大。并且现有市场流通的幼儿床尚未实现过类似的功能，智能幼儿床市场仍处于技术成熟度曲线中的触发期阶段。若抓住先机，在今后的市场上占据较大份额是有可能的。但要注意的是，正是由于没有相关产品作为参考，在经验和方向上自动化、智能化同时会有很大的劣势，行之需谨慎。
　　3  结语
　　幼儿床的设计不是一种无目的的行为。时代在发展，人们看待事物的角度也在发生着变化。在日趋智能化的当下，仅仅设计一款幼儿床是远远不够的。还需要考虑受众心理，尤其是要着重思索方便大众的设计。这样，以此为核心开发出的功能才能符合现代社会的可持续发展要求，才能将幼儿床与顾客需求结合起来，做出一款紧跟时代科技，紧随大众意愿的儿童床。
　　参考文献
　　[1] 中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴[M].北京：中国统计出版社，2018.
　　[2] 逯晓翠.论收入不平等对工作时间的影响——基于凡勃仑效应的分析[J].知识经济，2018（9）：21，23.
　　[3] 王占鹏.受限空间机械臂运动规划研究[D].北京邮电大学，2017.
　　[4] 欧海宁，杨敏英，郭小芳，等.一种对射式红外线传感器控制无线报警的设计[J].电子技术，2018，47（3）：42-44.
　　[5] 郑兆志.制冷装置电气控制系统原理与检修[M].北京：人民邮电出版社，2007.
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