基于ENC-03RC单轴陀螺仪传感器的防困倦器(Anti-sleeping)的设计和制作

徐 旸,张家豪,林 琦

(上海工程技术大学,上海 201620)

基于ENC-03RC单轴陀螺仪传感器的防困倦器(Anti-sleeping)的设计和制作

徐 旸,张家豪,林 琦∗

(上海工程技术大学,上海 201620)

防困倦器(Anti-sleeping)的设计与制作是为了提醒即将进入睡眠状态的人快速恢复到学习、工作等事务中去。该装置主要基于ENC-03RC单轴陀螺仪传感器与STC15F104W单片机,并通过外围的数字电路以实现对使用者头部运动的监控与适时提醒。

防困倦器;单轴陀螺仪传感器;单片机

随着半导体技术的日新月异,以半导体为载体的各种传感器在物理实验中开始逐步取代传统的测量仪器,发挥着越来越重要的作用[1-4]。大学生创新实验项目是新世纪我国高等教育培养当代大学生创新能力的一项重要举措,它不但能培养学生的创新意识、动手能力,而且能极大地激发学生的科研兴趣。而在生活中发现课题,通过学习新知识,应用现有的各种技术,例如传感器技术等,解决发现的课题不啻为一种现实可行且有效的培养当代大学生创新能力的途径。

随着科技的发展与生活内容越来越丰富,当今大学生的生活作息很不稳定,经常出现熬夜现象,导致上课无精打采,容易入睡,影响学习。在此情形下,做出一款便携式电子设备——防困倦器(Anti-sleeping)——以防止学生上课入睡是一种可行的应急解决方法。下面将分别从分析人体头部运动状态、防困倦器的硬件设计制作[5,6]与软件设计等方面进行论述。

1 人体苏醒及入睡初期的头部运动状态分析

众所周知,人在苏醒状态时,在绝大部分情况下头部不会长时间保持静止状态,而在入睡初期,绝大部分人的头部在一段时间内(例如15秒)处于静止状态,因此可以利用这一显著的生理区别,应用传感器检测防困倦器使用者头部的运动状态,通过单片机进行判断并驱动外围数字电路发出提示音,防止使用者进一步沉睡。

2 防困倦器硬件电路设计与制作

防困倦器在硬件上采用ENC-03RC单轴陀螺仪传感器探测使用者头部的运动状态,信号处理及外围电路驱动采用STC15F104W单片机。

2.1 硬件设计步骤

1.测试ENC-03RC单轴陀螺仪传感器。该传感器可以直接输出电压信号,静止状态下传感器输出1.40 V以上的电压,当传感器运动时,输出电压显著下降。

2.使用单片机电路软件Proteus设计电路,为方便起见,先选择传统的51内核单片机89C52RC。到最后做硬件优化时,再用STC15F104W单片机替换。

3.将电源电压分压以设置参考电压。具体实现方法为,将43 K的电阻和100K的电阻串联将5 V电源分压,得到1.38 V的参考电压。

4.在向单片机写入程序后,在外围搭建蜂鸣器以及LM393N电压比较器等电路,LM393N把ENC-03RC单轴陀螺仪传感器的输出电压作为其输入电压与参考电压做比较,当输入电压下降并低于1.38 V时,LM393N电压比较器输出低电平信号,传送给单片机,单片机将其作为外部中断信号,使单片机本身进入中断。反之,如果输入电压没有下降至1.38 V以下,那么LM393N电压比较器始终输出高电平信号,单片机无法进入中断。

防困倦器硬件电路设计示意图如图1所示,电路设计使用Proteus软件,并在此软件上进行仿真,仿真成功后进行实际电路的组建与焊接。

图1 防困倦器硬件电路设计示意图

2.2 硬件电路优化

1.使用更小的(八引脚)STC15F104W单片机替换STC89C52RC,其优势在于可以去除外部晶振和电容,以及大量多余不用的引脚,使防困倦器成品进一步小型化。

2.由于 STC15F104W 单片机可以直接输出5 V电压,因此可以使用有源蜂鸣器电路,去除三极管,使外围电路进一步精简。

2.3 供电模块设计

经过计算,整个防困倦器的平均待机功耗为0.56瓦,因此可以采用3.7 V、180mAh的小型锂电池为系统供电,利用DC-DC升压元件,将电源电压升至5 V,供电路系统使用。这样可以兼顾功耗和器件小型化两方面的要求。

3 防困倦器的软件程序设计

在设计防困倦器硬件的同时,需要对单片机进行编程,以对输入信号进行判断,并输出信号驱动外围数字电路。

3.1 软件程序设计步骤

1.初始化,定义计时变量count,每过1000个计时中断为1秒,单片机计时使用内部高精度RC振荡器提供的准确机器周期。内部晶振可以在程序烧录时进行调整,在本程序设计中使用11.059 2Mhz的机器周期。

图2 防困倦器软件程序设计流程图

2.使用外部中断判断输入电平的高低,程序设置IT0=1,单片机外部中断为下降沿中断,可以刷新变量m至0,即单片机重新开始倒计时。

3.输出电平信号控制蜂鸣器,利用高低电平的变化控制蜂鸣器是否鸣响。

3.2 程序代码(C语言)

4 结 论

综上所述,我们所设计制作的防困倦器主要基于 ENC-03RC单轴陀螺仪传感器与STC15F104W单片机,并通过外围的数字电路以实现对使用者头部运动的监控与适时提醒。

而通过该器件的设计制作过程,自学能力与自主意识得到了充分的锻炼,很好的培养了创新意识和动手能力,进一步激发了科学研究的兴趣。

[1] 王建中,黄林,王应辉.基于声音传感器的多普勒测速实验探究[J].大学物理实验,2014,27(5): 19-22.

[2] 姜芸,贾亚民,郭永利.温度传感器在测定不良导体导热系数实验中的应用[J].物理实验,2011,31 (5):26-28.

[3] 焦丽凤,陆申龙.用力敏传感器测量液体表面张力系数[J].物理实验,2002,22(7):40-42.

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[5] Floyd Thomas L.数字电子技术[M].北京:电子工业出版社,2014.

[6] 寇戈,蒋立平.模拟电路与数字电路[M].北京:电子工业出版社,2004.

[7] 李成龙.基于单片机增量式编码器的分光计设计[J].大学物理实验,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

上海工程技术大学大学生创新实验项目(cx1421006)

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