一种基于单片机控制的定时唤醒眼罩

徐鑫茹 袁阳芸 吴梦甜 胡晓铮 姜雪松

摘  要：针对目前困扰人们的睡眠问题，例如佩戴耳塞听不到闹钟铃声和闹钟铃声过大影响同一室内休息者的问题，设计了一种定时唤醒眼罩，主要包括眼罩主体、隔音耳机。眼罩主体上设置有按钮、显示屏和闹钟系统，隔音耳机与眼罩内部的闹钟系统电性连接。使用者可自行设置闹钟响起的时间，闹钟铃声通过隔音耳机传递至人耳。

关键词：眼罩  隔音耳机  STC89C52单片机  闹钟系统  蜂鸣器

中图分类号：TP27                               文献标识码：A                   文章编号：1674-098X（2021）02（b）-0055-04

A Timing Wake-up Eye Mask Based on MCU Control

XU Xinru  YUAN Yangyun  WU Mengtian  HU Xiaozheng  JIANG Xuesong*

（College of engineering technology， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang Province， 150040 China）

Abstract： Aiming at the sleep problems that currently plague people， such as the inability to hear the alarm bell when wearing earplugs and the problem that the alarm bell is too loud to affect the rest of the same room， a timing wake-up eye mask is designed. It includes an eye mask body， soundproof earphones. The eye mask body is provided with a display screen and an alarm clock system. The soundproof earphones are electrically connected to the alarm clock system， and the display screen is electrically connected to the alarm clock system. The user can set the time of the alarm by himself， and the alarm is transmitted to the human ear through the soundproof earphone.

Key Words： Eye mask; Soundproof earphone; STC89C52 single chip microcomputer;  Alarmclock system; Buzzer

社會的快速发展使人们身处在快节奏、大压力的工作和生活环境里，身处不良的自然环境和浮躁的社会氛围中，拥有健康的体魄显得尤为重要[1]。随着人们面对的压力不断增大，睡眠质量不断下降，睡眠障碍严重影响人们的日常生活[2]。大多数人会采取一些物理方法辅助睡眠，比如佩戴耳塞和眼罩，耳塞的佩戴可以很好的隔绝外界声音，但同时也屏蔽了闹钟的声音，使用者使用耳塞时会很难被闹钟唤醒。为了解决这一问题，现如今有一些发明设计“蓝牙耳塞”与手机或者闹钟通过蓝牙进行连接从而起到唤醒使用者的效果，但这样设计大大增加了耳塞的成本[3]，同时也浪费手机电量，对于某些住校没有手机的中学学生更是不适用。还有一些设计是在耳塞内部加入芯片，震动器来唤醒使用者[4]，严重影响了耳塞的舒适性，且耳塞内空间不足，增加了制作的难度。本文设计一种基于单片机控制的定时唤醒眼罩，使用者可通过眼罩上的按钮与显示屏设置闹钟时间，闹钟铃声通过隔音耳机传递至人耳，从而达到即使佩戴耳塞也能够听得到闹钟铃声的效果。

1  总体设计

本文中利用单片机作为核心控制单元，设计了一种定时唤醒眼罩。主要由眼罩、隔音耳机组成。

1.1 总体功能设计

本设计旨在解决人们的睡眠质量问题，在降低环境噪音和光刺激对人体的影响的同时，又保证了闹铃的作用。定时唤醒眼罩的系统功能图如图1所示，其实现功能如下。

（1）遮光功能：本文中的眼罩外表面采用硅胶材料，内表面为绒面布料。既实现了遮光，又可以保证眼睛与眼罩接触的舒适性。

（2）隔音功能：本文中的隔音耳机内部的耳塞采用高密度温感活性记忆棉，在保证隔音的情况下，使用时不会有胀痛感。

（3）计时功能：本设计采用单片机本身的定时器进行计时，来实现数字时钟功能，采用数码管的动态显示来完成显示部分。设计精巧，节约空间。

（4）唤醒功能：利用单片机控制蜂鸣器的开关，利用蜂鸣器唤醒休息者。这种柔和唤醒方式不会给使用者太大的刺激。

（5）蓄电功能：考虑电池消耗成本高，频繁更换电池会导致电池簧片容易损耗[5]。故外置电源usb插口，usb插口装置靠近眼罩右侧结构安装，不仅达到简化连接结构的目的，同时实现该设计的蓄电功能。

1.2 总体结构设计

定时唤醒眼罩总体主要由眼罩和隔音耳机构成。眼罩和隔音耳机之间通过连接带连接。连接带一端与眼罩内的闹钟系统电性连接，连接带另一端与隔音耳机内部的蜂鸣器电性连接，两个隔音耳机分别位于连接带四分之一的位置。定时唤醒眼罩的整体结构图如图2所示。

1.2.1 眼罩结构设计

眼罩主体包括STC89C52单片机、蓄电池、显示屏、usb插口和调整按钮，眼罩主体外表面由硅胶材料制成，眼罩主体内表面由绒面布料制成。

1.2.2 隔音耳机结构设计

隔音耳机包括连接带、耳塞、细软导管、金属腔体、隔音棉和蜂鸣器，连接带一端与闹钟系统电性连接，连接带另一端与蜂鸣器电性连接。耳塞材料为高密度温感活性记忆棉，耳塞体内设有两个细软导管用于传递蜂鸣器声音，细软导管两端开口处呈矩形，易于声音传播至使用者耳中;耳塞尾部连有一金属腔体，蜂鸣器、隔音棉位于金属腔体内部，挂钩通过锡焊焊接在金属腔体外侧，蜂鸣器嵌入隔音棉中，从而减少蜂鸣器声音对外界的干扰，挂钩也可防止耳塞在睡眠时脱落。当预设的闹钟时间到达时，隔音耳机内的蜂鸣器响起，因金属腔体和隔音棉的隔音作用，蜂鸣器的声音不会传递至外界，蜂鸣器声音通过耳塞内的细软导管传递至人耳中，从而唤醒使用者。

隔音耳机结构示意图如图3所示。

2  内部电路结构设计

2.1 整体电路设计

闹钟系统由STC89C52单片机控制模块，按键模块，复位电路，数码管显示模块、闹铃模块组成，STC89C52单片机是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟、机器周期和6时钟、机器周期可以任意选择[6]。系统使用5V电源， 从蓄电池和USB接口中获取5V电源。

系统功能控制图如图4所示。

2.2 各模块电路设计

闹钟系统的整体电路原理图如图5所示。

2.2.1 复位电路的设计

复位是使CPU和系统都回归到初始状态，通常用于电路接电时或是发生故障时。时钟电路工作后，在REST管脚上加两个机器周期的高电平，芯片内部开始进行初始复位[7]。复位电路如图6所示。

2.2.2 数码管显示模块设计

本模块采用2个4位共阴数码管来显示时、分、秒。数码管接在单片机的P0和P2口，P0控制段选信号，P2控制位选信号。

2.2.3 闹铃模块设计

本模块主要由8550三极管和蜂鸣器构成[8]，使用者设置好闹钟时间后， 当时间到达时单片机就会控制蜂鸣器响起， 需要使用者手动关闭蜂鸣器声音才会停止。

2.2.4 按键模块设计

采用四个独立式按键，从左到右依次为“设置时间”键、“设置闹钟”键，“+”键、“-”键，通过“设置时间”按键和“+”、“-”键可以调整系统时钟的时间，时间包括时、分、秒;通过“设置闹钟”按键和“+”“-”键可以调整闹钟的设定时间，时间同样包括时、分、秒。

3  系统流程设计

定时唤醒眼罩的工作流程如图7所示。系统初始化，显示屏显示当前的时间，使用者可通过眼罩上的按钮设定好闹钟时间，随后系统开始计时，若调整按键被按下，则进行修改时分秒的操作。时间设置好之后，使用者可以佩戴定时唤醒眼罩休息，当设定时间到达时，闹钟开始响起，并通过隔音耳机传递至人耳中，使用者被唤醒。

4  结语

本文设计的一种定时唤醒眼罩，使用者休息前可提前为眼罩设定好唤醒时间，即通过显示屏和按钮设定好预设时刻，到达预设时刻时，单片机控制金属腔体内的蜂鸣器发出声音，声音通过隔音棉的隔绝不会传递至外界，进而通過耳塞内部的细软导管传递至人耳中，从而唤醒使用者。本文设计的定时唤醒眼罩可达到以下有益效果：（1）可屏蔽外界声音，提高使用者的睡眠质量;（2）耳塞眼罩集成一体化设计，避免单个耳塞丢失;（3）蜂鸣器在预设时刻响起，通过细软导管传递至人耳，可达到即使佩戴耳塞也能听到闹钟铃声，达到唤醒使用者的效果;（4）由于隔音耳机内隔音棉和金属壳体的设置，防止蜂鸣器声音影响到外界，避免了闹钟铃声对同屋他人造成影响;（5）结构简单、设计巧妙、拆装方便、组装牢固，适于推广使用。

参考文献

[1] 林颖. 基于用户研究的家庭保健产品开发[D].广州：华南理工大学，2017.

[2] 应少飞. 基于心率变异性的多导睡眠监护仪[D].成都：电子科技大学，2020.

[3] 杜浩明，刘星均. 一种带夹持器和闹钟功能的蓝牙耳机[P]. CN106412752A，2017-02-15.

[4] 邹志军，迟长春. 一种基于智能眼罩的闹钟唤醒方法及智能眼罩[P]. CN110786986A，2020-02-14.

[5] 赵惟仪，陆娟，李文霞，等.一种多功能麦克风电教环的设计[J].科技创新与应用，2019（6）：53-55.

[6] 沈聪，纪志坚.基于STC89C52的仓库环境监测系统的设计[J].工业控制计算机，2018，31（9）：152-153.

[7] 刘雪飞，李万敏.基于51单片机的智能小车控制系统设计与制作[J].电子世界，2020（20）：186-187.

[8] 关山，张悦旺.基于单片机的数控移动电源设计制作[J].电子测试，2020（19）：5-9.