强制起床辅助设备设计研究

孙敏 谢凯歌 王书乐

摘  要：在当今社会，人们生活节奏不断加快，闹钟是人们生活中最常用的电子设备，尤其是对于上班族和学生而言，闹钟是提醒大家按时起床去工作或学习的重要工具。设计了一款强制起床辅助设备，将闹钟与体重秤完美结合，使电子体重秤的单一功能变成多种功能。最重要的是踩踏关闭式闹钟必须是人完全直立站立在此设备上一定时间才可以停止，能有效地避免人们睡“回笼觉”。与普通闹钟装置的工作实验对比，验证了该装置在对使用者起床唤醒中能达到更好的效果。

关键词：闹钟;踩踏关闭;防侧翻;传感器;起床唤醒

中图分类号：TP368          文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）06-0155-05

Design and Research on Forced Wake-Up Auxiliary Device

SUN Min， XIE Kaige， WANG Shule

（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou  253034， China）

Abstract： In today’s society， the pace of people’s life is accelerating. The alarm clock is the most commonly used electronic equipment in people’s life. Especially for office workers and students， the alarm clock is an important tool to remind everyone to get up on time to work or study. A forced wake-up auxiliary device is designed. The perfect combination of alarm clock and scale makes the single function of electronic scale into multiple functions. The most important thing is that the treading off alarm clock must be completely upright and can be stopped only after standing on the equipment for a certain time， which can effectively prevent people from sleeping “back to sleep”. Compared with the working experiment of ordinary alarm clock device， it is verified that the device can achieve better effect in waking up for users.

Keywords： alarm clock; trample off; anti rollover; sensor; wake up

0  引  言

本设备为强制起床辅助设备，致力于解决大部分上班族和学生在闹铃响后便会关上闹钟继续倒头呼呼大睡，进而造成起床困难这一大问题。由闹钟和电子体重秤相结合，使其具备踩踏式关闭、一机多用的功能。另外本设备采用侧面边框与地面形成的夹角小于90度，即称体侧面剖析图呈等腰梯形，解决了现有的电子体重秤容易发生侧翻从而导致用户摔倒而发生不必要的安全事故的技术问题。本创新设备结构涉及合理，可使得人们睡“回笼觉”的概率远远降低。

现有技术中，使用最广泛的闹钟无非是手机等智能设备上设置闹铃任务和使用床头闹钟装置。然而这两种闹钟的关闭方式都非常简单，只需要点击屏幕或按下按钮。这样简单的关闭方式对于大部分上班族或学生来说很难从睡梦惺忪状态转变为清醒状态。而且对于上班族和学生来说，每天早起上班或者上学是一件很劳累的事情，早晨往往想多睡一会，点击屏幕和按下按钮的关闭方式常常容易误操作，这样可能会导致上班族和学生的迟到。

另外，电子体重秤是指可以具体准确地告诉人们有关体重信息的称体，现有技术中电子体重秤只有这一种功能。功能单一，无法满足人们的日常生活需求。且现有技术中并不存在一种强制起床辅助设备。

1  总体技术方案

本创新设备的实施例提供一种强制起床辅助设备的实现方法及装置，能够更加便利地为用户提供闹钟功能，简化用户操作。为达到上述目的，本创新设备的实施例总体设计框图如图1所示，本创新设备的实施例采用如下技术方案：

一种强制起床辅助设备，包括（1）壳体，所述的壳体上设置有一脚型踩踏区;（2）主控制器;（3）压力感应装置，所述的壓力感应装置附着在脚型踩踏区下，所述的压力感应装置将检测到的体重压力信息传递给主控制器;（4）带有闹时功能的闹钟，所述的闹钟将时间信息传递给主控制器。

所述的闹钟包含一响铃装置、一开关电路，所述的开关电路包含一可上下移动的第一线路，所述的第一线路附着在一复位弹簧上，所述的复位弹簧为非金属材质，所述的复位弹簧位于脚型踩踏区正下方;所述的响铃装置连接主控制器，所述的闹钟将响铃信息传递给主控制器;

所述的壳体上还设置有第一显示屏和第二显示屏，所述的第一显示屏和第二显示屏分别与主控制器连接，所述的第一显示屏用于显示体重质量信息，所述的第二显示屏用于显示闹钟时间信息。

进一步的，所述的壳体包含有面板和底壳;所述的壳体侧面上还设有USB接口，底壳四个角上设有四个秤脚，在秤脚上设有秤脚防滑垫，底壳中间部位设有响铃装置，所述响铃装置的上方从左到右依次设置有时间增大旋钮、时间减小旋钮和时间设定旋钮，通过这三个旋钮可以对所述闹钟进行时间上的设置，具体包含闹钟进行闹时的开始时间，闹钟闹时所持续的时间阈值。所述底壳的右上方还设置有闹钟的开关按钮。

同时所述设备还具备铃声存储功能，可以通过USB接口连接到电脑下载铃声到此设备里，进而进行铃声设置。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本创新设备，并不用于限定本创新设备。

2  硬件技术

2.1  主控制系统

踩踏关闭的电子体重秤式闹钟即强制起床辅助设备把传统闹钟的功能集成到电子体重秤上，此创新设备内部主要包括主控制器、响铃装置和压力感应单元，其中主控制器分别连接响铃装置和压力感应单元，响铃装置在到达设定时间发出响铃声音，若想关闭此闹铃，需要站立在所述本体面板的踩踏区一定的时间（可自己设置秒数），人体的重力压迫复位弹簧，复位弹簧将开关电路中的第一线路带动，从而破坏开关电路的闭合性，使闹钟断电从而不能发出报警的声响。当人离开时，复位弹簧又将第一线路带动恢复开关电路的闭合性，同时可以在预先在主控制期内设置闹钟响铃的时间经过阈值，通常设置为30 s～60 s之间，而后鬧钟因为响铃时间经过而无法再次发出报警的声音，否则因为时间阈值没有经过，闹钟将持续进行响铃，逼迫人们必须在设备上站立一定的时间才能将闹钟停止。此创新设备的主控制器主要以单片机STC90C52RC控制核心，实现设备的基本控制功能，主控制系统原理示意图2所示。

2.2  防侧翻结构

所述底壳在与秤脚的位置对应处设有凹槽，凹槽内设置有防滑垫，并且将防滑垫进行加大，从而使得防滑垫防滑效果好。另外称体侧面边框与地面形成的夹角小于90°，即称体侧面剖析图呈等腰梯形，而相应的，底壳的面积大于面板的面积，体重秤整体稳定性高，当用户站于面板的边缘，由于底壳的结构设置使得电子体重秤的翻转力矩朝向体重秤的中心处，从而保证体重秤在使用时不会发生侧翻，使用安全性能高。整体设备3D模拟图如下图3所示。

3  软件设计

3.1 主控制系统的软件组成

主控制系统的软件主要包括单片机软件，单片机软件功能包括：

（1）获取压力感应单元采集的踩踏区所承受质量的数据;

（2）处理踩踏区所承受质量的数据，得到体重信息;

（3）把得到的体重信息与存储模块中的预设体重信息进行比对;

（4）把得到的质量比对信息送回主控制器模块;

（5）设置响铃装置的响铃时间;

（6）记录踩踏区所承受一定质量的时间;

（7）处理踩踏区所承受一定质量的时间数据，得到时间信息;

（8）把得到的时间信息与存储模块中的预设时间信息进行比对;

（9）把得到的时间比对信息送回主控制器模块;

（10）存储预设时间、质量、闹铃声、响铃时间等;

（11）其他必要的管理功能，如单片机管脚设置等。

3.2  软件系统的流程设计

系统程序开始电源后单片机STC90C52RC会启动主控制系统、时间模块初始化程序、压力感应单元校正、第二显示屏实时显示时间信息，根据主控制器的控制，实现测量体重、显示时间、闹钟闹时、闹钟关闭等功能的执行。系统工作流程图如图4所示。

3.3 部分软件程序

（1）开机自检eeprom初始化，具体设置如下：

void init_eeprom（）

{

read_eeprom（）; //先读EEPROM的数据

if（a_a ！= 1） //新的单片机初始单片机内问eeprom

{

GapValue  = 3500; //如果是新单片机，就把校准值初始化成3500

Weight_Maopi=1000; //传感器自重设置为1000

a_a = 1; //判断新单片机的变量置1，下次开机就知道这个单片机已经写好EEPROM数据了

write_eeprom（）;    //保存数据

}

}

（2）把数据保存到单片机内部eeprom中，具体设置如下：

void write_eeprom（）

{

SectorErase（0x2000）; //擦除扇区

GapValue1=GapValue&0x00ff; ////将校准值的变量低八位提取出来

byte_write（0x2000， GapValue1）; //保存低八位到EEPROM

GapValue1=（GapValue&0xff00）>>8; //将高八位右移八位

byte_write（0x2001， GapValue1）; //将高八位数据存储到EEPROM

pz=Weight_Maopi&0x0000ff; //将传感器自重的低八位提取出来

byte_write（0x2002， pz）; //存储到EEPROM

pz=（Weight_Maopi&0x00ff00）>>8; //中间八位提取出来

byte_write（0x2003， pz）;

pz=（Weight_Maopi&0xff0000）>>16; //高八位提取出来

byte_write（0x2004， pz）;

byte_write（0x2060， a_a）; //将a_a存储进单片机，这个变量是识别这是否是一个新单片机的，如果是新单片机，就将这个值赋1写进EEPROM

}

（3）把数据从单片机内部eeprom中读出来，具体设置如下：

void init_eeprom（）

{

read_eeprom（）; //先读EEPROM的数据

if（a_a ！= 1） //新的单片机初始单片机内问eeprom

{

GapValue  = 3500; //如果是新单片机，就把校准值初始化成3500

Weight_Maopi=1000; //传感器自重设置为1000

a_a = 1; //判断新单片机的变量置1，下次开机就知道这个单片机已经写好EEPROM数据了

write_eeprom（）;    //保存数据

} }

（4）显示重量，单位kg，3位整数，1位小数，具体设置如下：

void Display_Weight（）

{ LCD1602_write_com（0x80）;   //地址

LCD1602_write_word（"W："）;   //顯示W

if（Weight_Shiwu%1000000/100000！=0）   //判断最高位是否不等于0，不等于0的话就显示，等于0就不显示这一位

LCD1602_write_data（Weight_Shiwu%1000000/100000 + 0x30）;  //重量数据%1000000/100000得到要显示的数据

else

LCD1602_write_data（' '）;   //显示空白

if（Weight_Shiwu%1000000/10000！=0）

LCD1602_write_data（Weight_Shiwu%100000/10000 + 0x30）;

else

LCD1602_write_data（' '）;

LCD1602_write_data（Weight_Shiwu%10000/1000 + 0x30）;

LCD1602_write_data（'.'）;

LCD1602_write_data（Weight_Shiwu%1000/100 + 0x30）;

LCD1602_write_data（'k'）; //显示kg

LCD1602_write_data（'g'）;}

（5）延时函数，具体设置如下：

//****************************************************

void Delay__hx711_us（void）

{

_nop_（）;

_nop_（）;

}

（6）读取HX711，具体设置如下：

//****************************************************

unsigned long HX711_Read（void） //增益128

{

unsigned long count;

unsigned char i;

HX711_DOUT=1;

Delay__hx711_us（）;

HX711_SCK=0;

count=0;

while（HX711_DOUT）;

for（i=0;i<24;i++）

{

HX711_SCK=1;

count=count<<1;

HX711_SCK=0;

if（HX711_DOUT）

count++;

}

HX711_SCK=1;

count=count^0x800000;//第25个脉冲下降沿来时，转换数据

Delay__hx711_us（）;

HX711_SCK=0;

return（count）;

}

4  结  论

本创新设备在闹钟响起后只有使用者下床站立在踩踏区一定时间（可自行设置）后才能将闹钟铃声关闭，从而避免了上班族和学生偷懒不起床的现象以及上班族和学生睡“回笼觉”的发生，而人们在起床站立在踩踏区后往往就会较为为清醒，具有很好的起床唤醒效果，而且使用较为方便。另外本设备还解决了现有的电子体重秤容易发生侧翻从而导致用户摔倒而发生不必要的安全事故的技术问题，使得一物两用，实现了结构简单、设计合理、使用安全性能高、实用性强等积极效果，值得广泛推广和应用。

参考文献：

[1] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计 [M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[2] 杨振江，蔡德芳.新型集成电路使用指南与典型应用 [M].西安：西安电子科技大学出版社，1998.

[3] 宋文续，扬帆.传感器与检测技术 [M].北京：高等教育出版社，2005.

[4] 凌志浩.智能仪表原理与设计技术 [M].上海：华东理工大学出版社，2003.

[5] 于永权.89系列（MCS-51兼容）Flash单片机原理及应用 [M].北京：电子工业出版社，1997.

作者简介：孙敏（2001.10—），女，汉族，山东临沂人，本科在读，研究方向：网络工程;谢凯歌（2001.12—），男，汉族，山东临沂人，本科在读，研究方向：网络工程;通讯作者：王书乐（1992.01—），女，汉族，山东德州人，助教，硕士研究生，研究方向：教育学。

收稿日期：2022-02-15

基金项目：2021年度大学生创新创业训练计划项目（X202113857030）