智能婴儿摇篮设计毕业论文
后藤麻衣-
智能婴儿摇篮设计毕业论文
目
录
1
引言
<
/p>
........................................
........................
1
1.1
课题背景及研究意义
..............................................
1
1.1.1
课题背景
............
.........................................
1
1.1.2
课题研究意义
..........
.......................................
2
1.2
相关问题的研究现状和发展趋势
....................................
2
1.2.1
研究现状
............
.........................................
2
1.2.2
发展趋势
............
.........................................
3
1.3
作品功能与特色
..................................................
3
2
智能婴儿摇篮的总体设计
.....
.........................................
5
2.1
系统设计要求
.....................
...............................
5
2.1.1
系统总体框架设计
........
.....................................
5
2.1.2
系统机械结构的设计
.......
....................................
5
2.2
AVR
及其开发环境简介
............................................ .
6
2.2.1
AVR
单片机简介系统
...........................................
6
2.2.2
ATmega16
单片机的特点
........................................
7
2.2.3
AVR
集成开发环境的简介
.......................................
9
2.3
控制系统设计
.....................
..............................
13
3
智能婴儿摇篮主要功能模块的设计与实现
...............................
15
WORD
版本
.
3.1
系统总体结构
.....................
..............................
15
3.2
硬件模块设计
.....................
..............................
16
3.2.1
电源模块设计与实现
.......
...................................
16
3.2.2
单片机控制模块设计与实现系统总体程序设计
....................
18
3.2.3
时钟控制单元设计与实现
......................................
18
3.2.4
直流电机驱动的设计与实现
....................................
20
3.2.5
音频检测模块设计与实现
......................................
22
3.2.6
报警电路设计与实现
.......
...................................
23
3.3
软件模块设计
.....................
..............................
24
3.3.1
晶振的配置
...........
.......................................
24
3.3.2
系统总体程序设计
........
....................................
25
3.3.3
电机驱动模块程序设计
......
..................................
26
4
系统测试方法及工具
.......
..........................................
27
结
论
..........................
......................................
28
参考文献
.......................
.......................................
29
致
谢
..........................
......................................
30
附录一：硬件电路原理图
................................................
31
附录二：实物图
....................
....................................
32
附录三：单片机程序
..................
..................................
33
WORD
版本
.
1
引言
1.1
课题背景及研究意义
随着社会经济的
发展，
人们的生活也都逐渐提高，
许多拥有婴幼儿的家庭都希望
孩子有个良好的成长环境，
但是年青的父母需要同时兼顾宝宝和
家庭生活感到非常疲
惫
,
他们需要一个
不仅舒适而且具有人工智能的摇篮。智能婴儿摇篮可以提供给宝宝
舒适摇晃
,
又可以通过音乐和玩具锻炼视力和智力发育
,
使得妈妈们也可腾出手来处
理家务或者休息。
从而大大的减轻了婴幼儿父母的劳动负担，
促进了婴儿的深度睡眠，
< br>提高了大人和小孩的睡眠质量，为婴儿的健康成长提供保证。
1.1.1
课题背景
国外婴儿摇篮的设计者主要
从婴儿摇篮科学的供应婴儿正确睡姿和婴儿摇篮功
能的设计两大方面来进行研究。国外常
用的婴儿摇篮其形状略似篮子，多用木、竹、
柳条以及金属制作。
摇篮的主要特点是可以有节奏地左右摇摆，
使婴儿易于入睡。
早
期的摇篮利用挖空的树干制成，
以后又发展为各种材料制成的
长方形无盖箱体，
并装
有可以拆除的摇杆。
随着时代的变迁，
在摇篮的护栏或镶板上，
也经常饰有不同
类型
的花纹及图案，并涂有艳丽明快的色彩。早期的摇篮多用绳索吊于房梁或横木杆上，
后来多悬挂于木制或金属制的框架。
它的动力驱动有两种，一个是在摇篮底放一块磁铁，在支架中央放一块电磁铁，
并会发
出脉冲磁场，
当该脉冲频率与摇篮晃动频率相同时，
该脉冲磁场
会对磁铁产生
一个吸力与斥力，
使摇晃不断得到动力而摇晃不止
。
它是由一个下座连支架、
一个摇
篮、
一个平衡块与平衡杆组成，
下座的支架有一个轴承通过轴与摇篮
相连接，
并且可
以自由转动，
平衡块是
可以调节重量，
使摇篮的重心处于转轴上。
另一种是用一个汽<
/p>
车雨刷的电动机，
使其每次晃动时能推动摇篮的摇晃。
动力部分是用一个汽车用雨水
划水器安装在轴承处，
每当划水器将滑臂划动一下，
就会带动摇篮晃动一下。
如果调
节划水器划动频率，
即可使摇篮晃动频率改变。
这二种方法均有结构简单、
安全有效
的优点。
为了提高婴儿摇篮的智能性和可靠性，
使其功
能更加全面，
摇篮应能任意调节摇
篮角度，
可将摇篮沿
X
轴与
Y
轴倾斜任意角度；
有自动声控器，
当婴儿哭时会自动
晃
动，
一旦婴儿熟睡
10
分钟后会逐渐停止晃动；
有电子监视探头观察婴儿睡觉状况；
当
婴儿大哭时会有声控器传向监护人；
当婴儿尿床时会自动报警；
当婴儿体温达到
38℃<
/p>
WORD
版本
.
以上时
会自动报警，可以有效降低婴儿猝死综合症的发病率；能自动控温在
25℃左
右；床垫高度可自动调节便于家长为婴儿更换尿布。
1.1.2
课题研究意义
很多父母认为，宝宝还
小，总要和家人睡在一起，这样才方便照顾，随时知道他
的需求，
其实，
与家人同床会影响宝宝的生长发育，
而智能婴儿摇篮可
以帮助父母会
随时知晓宝宝在独睡过程中是否有状况发生。
<
/p>
首先，
容易缺氧，
大人呼出的气体中二氧
化碳含量较高，
而宝宝的大脑发育正需
要更多的氧气，
和宝宝同床睡眠时，
很容易造成宝宝大脑供氧不足，
进而影响身体的
正常发育。其次，有窒息危险，同床睡眠过程中，大人会因为身体翻
动而压到宝宝，
很容易导致窒息的危险。另外，睡眠不良，两人甚至三人同床，很容易互
相影响，比
如打鼾、
睡觉“不老实”，
特别是对神经系统尚在发育的宝宝来说，
会导致睡眠不稳、
半夜
惊醒的状况，不利于身心的健康发育。还有可能造成疾病传染，日常生活中，大
人接触的
事物环境较为复杂，
即使注意清洁，
身上也难免会携带很多细菌
，
宝宝的抵
抗能力还很弱，很容易被细菌感染。
尤其要在保证婴儿充足的睡眠同时也保证监护人有充足的睡眠，
有些婴儿对自然
环境不适应，昼夜颠倒，父母白天上班他睡觉，父母晚上休息
他闹腾，让监护人很难
有良好的休息。有些婴儿休息时间安排不当，有的晚上提前入睡，
半夜睡醒，没人哄
就哭闹，也影响了监护人的正常休息。
多功能婴儿摇篮是一种能自动晃动带定时、声控、
MP3
播放、尿床报警功能为一
体的婴儿摇篮，在监护人忙于其他事情时，能有效
替代监护人护理婴儿。
1.2
相关问题的研究现状和发展趋势
1.2.1
研究现状
智能婴儿摇篮和普通摇篮相
比，功能强大，声控、遥控、电动、音乐集于一体，
能够很好的为宝宝及其监护人提供很
大的方便，
使婴儿和监护人都能有充足的睡眠环
境，
使睡眠问题不再困扰婴儿的健康成长和监护人的正常作息。
随着社会经济的
发展，
文化的进步，
越来越多拥有宝宝的家庭需要一款智能婴儿
摇篮，
在未来将体现其优越
性。
WORD
版本
.
1.2.2
发展趋势
婴儿是一个相对较大的弱势
群体，因此如何科学，合理的照顾婴儿是一门学问。
在国外市场也有一些婴儿用的摇篮，
功能较少，
达不到智能化，
摇摆幅度也
没有进行
过检测，
我们针对天津，
北京
两地的婴儿市场进行考察，
发现市场上的大部分摇篮摇
摆幅度大
小不一。
主要依靠用户主观感觉来决定系统的运行，
不具有科学
性，
因此并
没有得到太广泛的应用。本作品将可编程控制器和传
感器检测技术应用到宝宝摇篮，
是目前市场上所没有的，
并且本
作品所采用的盛群单片机处理方式相对目前的简单的
数字芯片处理方式比较而言更加方便
快捷，
安全稳定，
功耗低，
更适用于对
婴儿的监
控护理。
婴儿一直是一个大的消费群体，
故它具有很大开发价值，
必将为有婴儿的家
庭带来福
音。
1.3
作品功能与特色
本设计运用
ATMEL
公司提供的
ATmega16
单片机，设计一个智能婴儿摇篮来应用
于短时间代替人员的护理。
本文确定了系统设计的要求，
介绍了系统设计的编程软件
及其开发环境，
分析了系统的基本工作原理，
从硬
件和软件两个方面详细地阐述了系
统的制作思路，并通过实验验证、测试了系统所能实现
的功能和达到的技术指标。
（
1
）作品功能：
●床身为大框摇篮：与传统
摇篮床相比更宽敞、舒适、方便、安全，使用时间更长；
●具有摇摆功能的同时也更具娱乐性；
●
1
、低位床板可作矮床或玩具储物框使用；
2
、高位床板可作茶几或桌子使用；
3
、亲子床可依家长意愿或依据室家俱、成人床摆设，按需下
翻任意长
边护栏成为与成人床连接的亲子床，便于家长护理；
●弧形支架可摇可定：专备有旋钮式支撑足，可拆可分，从而实现摇、定自如；
●功能转换简便快捷：采用旋钮、合页、塑料锁紧套、弹簧插销、高强度活
动金
属挂钩等连接方式实现功能快速自由转换，无需另配工
具，非常方便。
●床板高低两档调节：采用高强度活动金属
挂钩可轻松快速实现床板两档调节；
●带加长支架：方便孩子成长使用；
●带蚊账：保护孩子不受蚊虫叮咬；
●带护套、床围：婴儿床状态或矮床状态可使用护套和床围，安全又美观；
●床体设计整体造形简洁流畅、富于美感；
●配带刹车万向轮：方便婴儿床移动和固定。
WORD
版本
.
●工作方式安全简单，稳定可靠。
●软件与硬件相结合，管理、使用方便。
●盛群单片机的运用使设计具有强大的扩展性。
●安装方便，功耗小。
（
2
）作品特色：
●平稳
均衡摇动
,
可使婴儿的大脑神经调节平稳、入睡迅速。实验中发
现
,
使用电动
摇篮入睡的时间
,
比传统的手动摇篮入睡的时间可提前
2-4<
/p>
分钟。经专家证实
,
传统
的手动摇篮摆幅大小不稳定
,
摆动速度也不稳定。
在摇动过程中
,
小孩平衡调节神经
,
不断地进行调节、复位
,
容易出现头昏
,
吐奶现象。而自动摇篮可根据婴儿的需要而
调节稳定的摆幅
,
匀速平衡摆动
,
对婴儿脑神经的起到良好的保护作用。
因此
,
婴儿入
睡快、睡眠质量好。
●优美动听的音乐催眠
,
符合现代早期教育观念
,
对婴儿进行音乐和美的熏陶
,
促进
婴儿脑神经发育
,
激发潜能。
●妈妈的好帮手，<
/p>
妈妈的怀抱及摇晃是给宝宝最好的抚慰
,
但在现在快节奏的生活方
式下
,
年青的
父母需要同时兼顾宝宝和家庭生活感到非常疲惫
,
而智能婴儿摇
篮则可
以帮到爸爸妈妈。
智能婴儿摇篮可以提供给宝宝舒适摇晃
,
使妈妈们也可腾出手来处
理家务或者
休息。
WORD
版本
.
2
智能婴儿摇篮的总体设计
基于智能控
制越来越普遍的发展形势，
本文设计了一种智能婴儿摇篮，
它能
代替
护理人员短时间对婴儿进行监护，
并在婴儿哭闹时对护理人
员远程报警，
能较好的实
现无人监护功能。
2.1
系统设计要求
在设计系统时，
要求设计出的系统具有良好的实际应用价值。
这就要求我们能够
提出一个完善的设计方案，在技术上既是可行的，又是可靠的；另一方面，又需要系
统在能够较好的满足实际工作要求的同时，
其实现越简单越好。
从这种平衡原则出发，
本文确定所设计的基于
MC
U
智能婴儿摇篮的设计要求。
2.1.1
系统总体框架设计
多种传感器和信号
采集电路通过宝宝发出的信号进行处理，
然后送给单片机，
单<
/p>
片机对采集来的信号进行判别，
若是宝宝的啼哭声，
首先会发出控制信号，
促使报警
线路工作，
发出报警信号，
提示监护人宝宝的状态；
同时单
片机将另外发出三路信号，
其中一路控制照明线路工作，
判断外
部环境，
如是夜晚则打开照明电路；
其中一路控
制各部分电动机的正常工作，
通过机械结构实现摇篮的摇摆；
< br>另外一路控制音乐线路
工作，通过音乐芯片实现在宝宝啼哭时音乐的播放。
2.1.2
系统机械结构的设计
为了婴儿的生长
发育，机械结构得保证摇篮参数严格符合国际标准。
所有零件
都事先用
UG
软件进行建模，使机械结构非常直观并进行精确测
试，保
证制造的精准度，最大程度减少缺陷。机械的连接采用
H
形铝，平行度、垂直度和同
轴度均严格精度要求（±
0.1 mm
）
，以达到摇摆频率和角度符合测试
要求。如图
2-1
所示。
WORD
版本
.
图
2-1
婴儿摇篮摇摆机械结构
2.2
AVR
及其开发环境简介
本设计采用
ATMEL
公司的
ATmega16
单片机作为核心处理元件，对采集到的数据
进行处理和传输。
2.2.1
AVR
单片机简介系统
ATMEL
公司是世界上有名的生产高性能、低功耗、非易失性存储器和各种
数字模
拟
IC
芯片的半导体制造公司。
于
1997
年推出全新配置的、采用
R
ISC
（
Reduced
Instruction Set CPU,
精简指令集）结构的新型单片机。
R
ISC
技术综合了半导体集成技术和软件技术。它是相对于
CI
SC
（
Complex
Instruction Set CPU
，复杂指令集计算机
）而言的。
RISC
通过优先使用频率最高的
< br>简单指令、
避免复杂指令、
采用固定指令长度、
减少指令格式和寻址方式等方法来缩
短指令周期，提高处理器的运算速度
。传统的
CISC
结构，单片机外部振荡器的时钟
被分频降低到部执行周期。
AVR
单片机没有对外部
时钟分频，通过一个周期执行一条
WORD
版本
.
指令，因此，
AVR
单片机具有接近
1MIPS/MHz
的高速处理能力。
AVR
单片机采用
32
个通用寄存器组成的快速存取
RISC
寄存器，每一个寄存
器
都可以代替一个累加器工作，<
/p>
使得处理器可以在执行当前指令时取出要执行的下一条
指令，
从而避免了传统的基于累加器的单片机因累加器和存储器之间的数据传输带来
的瓶颈效应，
提高了系统的性能。
所有的寄存器都直接
与算逻单元
(ALU)
相连接，
使<
/p>
得一条指令可以在一个时钟周期同时访问两个独立的寄存器。
这种
结构大大提高了代
码效率，并且具有比普通的
CISC
微控制器最高至
10
倍的数据吞吐率。
AVR
单片机为了获得最高的性能以及并行性，采用哈佛（
Harvard<
/p>
）总线结构，
程序存储器和数据存储器是分开的，
具有独立的数据和程序总线。
微处理器直接访问
全部程
序存储器和数据存储器。程序存储器里的指令通过一级流水线运行。
CPU
在
执行一条指令的同时读取下一条指令
(
在本文称为预取
)
。
这个概念实现了指令的单时
钟周期运行。程序存储器是可以在线编程的
< br> FLASH
。此外，他还具有
ISP
< br>（
In
System
Pro
gramming
，系统编成）的功能，即使在程序运行时，也可以对系统进行重新编程
。
ATmega
系列的单片机是
AVR
中的高端产品，
在其部分单片机中集成了在线调试单元，
通过
JTAG
即可实现在线调试与程序的下载
功能。
AVR
单片机支持
C
语言、汇编语言和
Basic
< br>等高级语言编程。其开发软件工具有
ICCAVR
、
IARAVR
和
Code Vision
AVR
等。采用高级语言编程能有效的进行系统的开
发和程序的
移植，同时也是单片机发展的一个趋势。
AVR
单片机是以
Atmel
高密度非易失性存储器技术生
产的。片
ISP
Flash
允许程<
/p>
序存储器通过
ISP
串行接口，或者通用
编程器进行编程，也可以通过运行于
AVR
核
之中的引导程序进行编程。
引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用
Flash
存储区
(Applicat
ion
Flash
Memory)
。
在更新应用
Flash
存储区时引导
Flash
区
(Boot
Flash
Memory)
的程序继
续运行，实现了
RWW
操作。通过将
8
位
RISC
CPU
< br>与系统可编
程的
Flash
集成
在一个芯片，
成为一个功能强大的单片机，
为许多嵌入式控制应
用提
供了灵活而低成本的解决方案。
因此，通过以上的介绍可见，在
8
位微控制领域，
AVR
单片机正越来越多的开始
取代传统的
51
核的单片机，进而成为控制领域的主流。
2.2.2
ATmega16
单片机的特点
ATmega16
是基于增强的
AVR
RISC
结构的低功耗
8
位
CMOS
微控制器。其核具有
丰富的指令集和<
/p>
32
个通用工作寄存器，所有的寄存器都直接与算术逻辑单元（<
/p>
ALU
，
Arithmetic
Logical
Unit
）
相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期同时访问两
WORD
版本
.
个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的
CISC
微控制器
高至
10
倍的数据吞吐率。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时
间，
ATmega16
的数据吞吐率高达
1
MIPS/MH
z
，从而可以缓减系统在功耗和处理速度
之间的矛盾。基于以上
的优点，本设计主选
ATmega16
作为核心器件。
ATmega16
有如下特点：
16K
字节的系统可编程
Flash(
具有同时读写的能力，
即
RWW)
，
512
字节
EEPROM
，
1K
字节
SRAM
，<
/p>
32
个通用
I/O
口线，
32
个通用工作寄存器，用于边界扫描的
JTAG
接
口，
支持片调试
与编程，
三个具有比较模式的灵活的定时器
/
< br>计数器
(T/C),
片
/
外中断，
可编程串行
USART
，
有起始条件检测器的通用串行接口，
8
路
10
位具有可选差分输入
级可编程增益
(TQFP
封装
)<
/p>
的
ADC
，具有片振荡器的可编程看门狗
定时器，一个
SPI
串行端口，以及六个可以通过软件进行选择
的省电模式。
工作于空闲模式时
CP
U
停
止工作，而
USART
、两线接口、
A/D
转换器、
SRAM
、
T/C
、
SPI
端口以及中断系统继
续工作；
掉电模式时晶体振荡器停止振荡，
所有功能除了中断和硬件复位之外都停止
工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功
能模块处于休眠状态；
ADC
噪声抑制模式
时终止
CPU
和除了异步定时器与
A
DC
以外所
有
I/O
< br>模块的工作，以降低
ADC
转换时的开关噪声；
Standby
模式下只有晶体或谐
振振荡器
运行，
其余功能模块处于休眠状态，
使得器件只消耗极少的电流
，
同时具有
快速启动能力；扩展
Sta
ndby
模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。
（
1
）先进的
RIS
C
结构
①
131
条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期。
②
全静态工作。
③
工作于
16
MHz
时性能高达
16
MIPS
，只需两个时钟周期的硬件乘法器。
（
2
）非易失性程序和数据存储器
①
16KB
的系统可编程
Flash
，擦写寿命：
10000
次。
②
具有独立锁存定位的可选
Boot
代码区，通过
片上
Boot
程序实现系统编程，
真正
的同时读写操作。
③
512B
的
EEPROM
，擦写寿命：
100000
次。
④
1KB
的片
SRAM
，可以对锁存定位进行编程以实现用户程序的加密。
（
3
）
JTA
G
接口（与
IEEE
1149.1
标准兼容）
①
符合
JT
AG
标准的边界扫描功能。
②
支持扩展的片调试功能。
③
通过
JT
AG
接口实现对
Flash
、
EEPROM
、熔丝位和锁存定位的编程。
<
/p>
（
4
）外设特点
WORD
版本
.
①
两个具有独立预分频器和比较器功
能的
8
位定时器
/
计数器。
②
一个具有预分频器、比较功能和捕
捉功能的
16
位定时器
/
计数器。
③
具有独立振荡器的实时计数器
RTC
。
④
四通道
PWM
。
⑤
8
路
10
位
ADC
和
8
个单端通道。
（
5
）
TQFP
封装的
7
个差分通道
①
2
个具有可编程增益（
1x,10x,
或
200x
）的差分通道。
②
面向字节的两线接口。
③
两个可编程的串行
USART
。
④
可工作于主
/
从机模式的
SPI
串行接口。
⑤
具有独立片振荡器的可编程看门狗定时器。
⑥
片模拟比较器。
（
< br>6
）特殊的处理器特点
①
上电复位以及可编程的掉电检测。
②
片经过标定的
RC
振荡器。
③
片
/
片外中断源。
④
6
种睡眠模式：
空闲模式、
ADC <
/p>
噪声抑制模式、
省电模式、
掉电模式、<
/p>
Standby
模式以及扩展的
Stan
dby
模式。
（
7
）
I/O
和封装
40
引脚
PDIP
封装，
32
个可编程的
I/O
口。
（
8
）工作电压
4.5 -
5.5V
。
（
9
）速度等级
0 - 16
MHz
。
（
10
）
ATmega16
在
1 MHz
、
3V
、25
°C
时的功耗
①
正常模式：
1.1 m
A
。
②
空闲模式：
0.35 m
A
。
③
掉电模式
:
：<
1μA。
2.2.3
AVR
集成开发环境的简介
ATmega16
具有一整套的编程与系统开发工具，
包括：
C
语言编译器、
宏汇编、
程
序调试器
/
软件仿真器、仿真器及评估板。
WORD
版本
.
ICC
AVR
是一种使用符合
ANSI
标准的
C
语言来开发微控制器（
MCU
）程序的
一个工具，它有以下几个主要特点：
①
ICCAVR
是一个综合了编辑
器和工程管理器的集成工作环境
（
IDE
）
，
是一个纯
32
< br>位的程序，其可在
Windows 9X/NT/2000
/XP
下运行。
②
源文件全部被组织到工程之中，文
件的编辑和工程的构筑也在
IDE
环境中完
成。
编译错误显示在状态窗口中，
并且当你用鼠标单击编译
错误时光标会自动跳转到
编辑窗口中引起错误的那一行。
③
提供了全部的库源代码及一些简单
的应用实例，并且用户能够根据库源代码
对
ICCAVR
提供库函数进行裁剪和扩充。
在编辑器安装
完成后，得到的是一个只可以使用
45
天的未注册版本的集成开
发
环境。因此，应当对其进行注册，首先启动编译器的集成开发环境（
< br>IDE
）
，单击菜单
栏
Help/Register
Software
；然后，单击
Continue
按钮进入注册机界面，在注册
栏
填入软件的序列号对应得注册码，单击
License
后完成编译软件的注册。
ICCAVR
编辑器的使用：首先，创建工程文件，从
IDE
的菜单“
Project
”中选择
“
New
”命令，在对话框中指定工程存放的文件夹以及工程名
称。在工程管理窗口中
会出现三个子目录，
Files
、
Headers
、
D
ocuments
。然后，从
IDE
的
“File”菜单中
选择“
Open
”
或“
New
”
，打开已编辑好的源文件
或直接在新建的编辑区键入程序。在
编辑窗口中单击鼠标右键，在菜单中选择“
Add
To
Project
”命令，将源文件添加到
工程中。
< br>最后，
编译源文件。
从
IDE<
/p>
的中选择
“
Options
”
命令，
在
Target<
/p>
标签下的
Device
configu
ration
栏目中选择
ATmega16
型号的单片机。再单击
“
Pro
ject
”菜单下的
“
Build <
/p>
All
”命令，编译工程中的全部文件（
File
文件夹中的文件）
。如果配置“
In
System
Programming
”对话框的
Auto Program
After Compile
项，通过自制的
ISP
下载线将编译后的程序下载到目标板，完成自动下载过程。
中断及响应周期：
快速访问寄存器文
件包括
32
个
8
位通用工作寄存器，
访问时间为一个时钟周期。
从而实现了单
时钟周期的
ALU
操作。在典型的
ALU
操作中，两个位于寄存器文件中
的操作数同时被访问，<
/p>
然后执行运算，
结果再被送回到寄存器文件。
整个过程仅需一
个时钟周期。
寄
存器文件里有
6
个寄存器可以用作
3
个
16
位的间接寻址寄存器指针以寻址
数
据空间，
实现高效的地址运算。
其中
一个指针还可以作为程序存储器查询表的地址指
针。这些附加的功能寄存器即为
16
位的
X
、
Y
、
Z
寄存器。
ALU
支持寄存器之间以及
寄存器和常数之间
的算术和逻辑运算。
ALU
也可以执行单寄存器操作。运算完成
之后
WORD
版本
.
状态寄存器的容得到更新以反映操作结果。
程序流程通过有
/
< br>无条件的跳转指令和调用指令来控制，从而直接寻址整个地址
空间。大多数指令长
度为
16
位，亦即每个程序存储器地址都包含一条
16
位或
32
位
的指令。
程序存储器空间分为两个区：
引导程序区
(Boot
区
)
和应用程序区。
这两
个区都有专门的锁定位以实现读
和读
/
写保护。用于写应用程序区的
S
PM
指令必须位
于引导程序区。
在中断和调用子程序时返回地址的程序计数器
(PC)
保存于堆栈之中。
堆栈位于
通用数据
SRAM
，因此其深度仅受限于
SRAM
的大小。在复位例程里用户首先要初始
化堆栈指针
AVR
有一个灵活的中断模块。控制寄存器位于<
/p>
I/O
空间。状态寄存器里有全局中
断使
能位。
每个中断在中断向量表里都有独立的中断向量。
各个中断
的优先级与其在
中断向量表的位置有关，中断向量地址越低，优先级越高。
I/O
存储器空间包含
64
个可以直接寻址的地址，作为
CPU
< br>外设的控制寄存器、
SPI
，
以
及其他
I/O
功能。
映射到数据空
间即为寄存器文件之后的地址
0x20
-
0x5F
。
AVR ALU
与
32
个通用工作寄存器直接相连。寄存器与寄
存器之间、寄存器与立即数
之间的
ALU
运算只需要一个时钟周期。
ALU
操作分为
3
类：算术、逻辑和位操
作。
此外还提供了支持无
/
有符号数和
分数乘法的乘法器。具体请参见指令集。状态寄存
器包含了最近执行的算术指令的结果信
息。
这些信息可以用来改变程序流程以实现条
件操作。如指令集
所述，所有
ALU
运算都将影响状态寄存器的容。这样，在
许多情
况下就不需要专门的比较指令了，从而使系统运行更快速，代码效率更高。
AVR
有不同的中断源。每个中断和复位在
程序空间都有独立的中断向量。所有的
中断事件都有自己的使能位。当使能位置位，且状
态寄存器的全局中断使能位
I
也
置
位时，
中断可以发生。
根据程序计数器
PC
的不同，
在引导锁定位
BLB02
或
BLB12
被编程
的情况下，中断可能被自动禁止。这个特性提高了软件的安全性。详见
P247
“
存储器编程
”
的描述。程序存储区的最低地址缺
省为复位向量和中断向量。完
整的向量列表请参见
P43
“中断”
。
列表也决定了不同中断的优先级。
向量所在的地址越低，
优先级越高。
R
ESET
具
有最高的优先级，
第二个
为
INT0
–外部中断请求
0
。
通过置位
MCU
控
制寄存器
(MCUCR)
的
IVS
EL
，中断向量可以移至引导
Flash
的起始处。编程熔丝位
BOOTRST
也可以将复
位向量移至引导
Flash
的起始处。具体参见<
/p>
P234
“支持引导装入程序，在写的同时
可以读的自我编程能力
”
。任一中断发生时全局中断使能位
I
被清零，从而禁止了
所有其他的中断。用户软件可以在中断
程序里置位
I
来实现中断嵌套。此时所有的
中断都可以中断当前的中断服务程序。执行
RETI
指令后
I
自动置位。
WORD
版本
.
从根本
上说有两种类型的中断。
第一种由事件触发并置位中断标志。
对
于这些中
断，
程序计数器跳转到实际的中断向量以执行中断处理程序，
同时硬件将清除相应的
中断标志。中断标志也可以通过对其写“
1
”的方式来清除。当中断发生后，如果相
应的中断使能位为
，则中断标志位置位，并一直保持到中断执行，或者被软件清
除。类
似的，如果全局中断标志被清零，则所有已发生的中断都不会被执行，直到
I
置位。
然后挂起的各个中断按中断优先级依次执行。
第二种类型的中断则是只要中断
条件满足，
就会一直触发。<
/p>
这些中断不需要中断标志。
若中断条件在中断使能之前就
消失了，中断不会被触发。
AVR
退出中断后总
是回到主程序并至少执行一条指令才可
以去执行其他被挂起的中断。
要注意的是，
进入中断服务程序时状态寄存器不会自动
保存
，中断返回时也不会自动恢复。这些工作必须由用户通过软件来完成。
AVR
中断响应时间最少为
4
个时钟周期。
4
个时钟周期后，程序跳转到实际的中
断处理例程。在这
4
个时钟期期间
PC
自动入栈。在通常情况下，中断向量为一个跳
转指
令，此跳转需要
3
个时钟周期。如果中断在一个多时钟周期指令
执行期间发生，
则在此多周期指令执行完毕后
MCU
才会执行中断程序。
若中断发生时
MCU
处于休眠模
式，
中断响应时间还需增加
4
个时钟周期。
此外还要考虑到不同的休眠模式
所需要的
启动时间。
这个时间不包括在前面提到的时钟周期里。
中断返回需要
4
个时钟。
在此
期间
PC(
两个字节<
/p>
)
将被弹出栈，堆栈指针加二，状态寄存器
SREG
的
I
置位。
AVR
ATmega16
的存储器：
（
1
）系统可编程的
Flash
程序存储器
ATmega16
具有
16K
字节的在线编程
Fla
sh
，
用于存放程序指令代码。
因为所
有的
AVR
指令为
16
位或
32
位，故而
Flash
组织成
8K x 16
位的形式。用户
程序的安全性
要根据
Flash
程序存
储器的两个区：引导
(Boot)
程序区和应用程序区，分开来
考虑。
（
2
）
SRAM
数据存储器
前
1120
个数据存储器包括了寄存器文件、
I/O
存储器及部数据
SRAM
。起始的
96
个地址为寄存器文件与
64
个
I/O
存储器，接着是
1024
字节的部数据
SRAM
。数据存
储器的寻址方式分为
5
种：直接寻址、带偏移量的间接寻址、间接寻址、带预减量的
间接寻址和带后
增量的间接寻址。
寄存器文件中的寄存器
R26
到
R31
为间接寻址的指
针寄
存器。
直接寻址围可达整个数据区。
带偏移量的间接寻址模式能
够寻址到由寄存
器
Y
和
Z
给定的基址附近的
63
个地
址。在自动预减和后加的间接寻址模式中，寄存
器
X
、
Y
和
Z
自动增加或减少。
ATmega16
的全部
32
个通用寄存器、
64
个
I/O
寄存器
及
1024
个字节的部数据
SRAM
可以通过所有上述的寻址模式进行访问。
（
< br>3
）
EEPROM
数据存储器<
/p>
ATmega16
包含
512
字节的
EEPROM
数
据存储器。
它是作为一个独立的数据空间而
WORD
版本
.
存在的，
可以按字节读写。
EEPROM
的寿命至少为
100000
次擦除周期。
EEPROM
的访问
由地址寄存器、数据寄存器和控制寄存器决定。若程序执行掉电指令时
E
EPROM
的写
操作正在进行，
EEP
ROM
的写操作将继续，并在指定的写访问时间之前完成。但写操
作结束后，
振荡器还将继续运行，
单片机并非处于完全的掉电
模式。
因此在执行掉电
指令之前应结束
EEPROM
的写操作。
（
4
）
I/O
存储器
ATmega16
所有的
I/O
及外设都被放置于
I/O
空间。所有的
I/O
位置都可以通过
IN
与
OUT
指令来访问，
在
32
个通用工作寄存器和
I/O
之间传输数据。
地址为
0x00
- 0x1F
的
I/O
寄存器还可用
SBI
和
CBI
指令直接进行位寻址
，而
SBIS
和
SBIC
则用
来检查某一位的值。
更多容请参见指令集。
使用
IN
和
OUT
指令时地址必须在
0x00
-
0x3F
之间。如果要象
SRAM
一样通过
LD
和
ST
指令访问
I/O
寄存器，相应的地
址要加上
0x20
。
电源管理及睡眠模式：
睡眠模式可以使应用程序关闭
MCU
中没有使用的模块，
从而降低功耗。
AVR
具
有不同的睡眠模式，
允许用
户根据自己的应用要求实施剪裁。
进入睡眠模式的条件是
置位寄
存器
MCUCR
的
SE
，然后执行
SLEEP
指令。
具体哪一种模式
(
空闲模式、
ADC<
/p>
噪声抑制模式、
掉电模式、
省电模式、<
/p>
Standby
模式和扩展
Standb
y
模式
)
由
MCUCR
的
SM2
、
SM1
和
SM0
决定，如
Table 13
所示。使能的中断可以将进入睡眠模式的
MCU
唤醒。经过启动时间，外加
4
个时钟周期后，
MCU
就可以运行中断例程了。然
后返回到
SLEEP
的下一条指令。唤醒时不会改变寄存器文件和
SRAM
的容。如果在
睡眠过程中发生了复位，则
MCU
唤醒后从中断向量开始执行。
2.3
控制系统设计
婴儿摇篮结构电机的选择：
电机作为
机器人的执行元件，
在机器人中长选用直流电机、
步进电机或者
伺服电
机，下面将对几种电机进行比较，见表
2-2
。
WORD
版本
.
表
2-2
常用电机类型对比表
类
型
直流电机
步进电机
伺服电机
调速围
宽
一般
较宽
控制精度
一般
较高
高
价
格
较便宜
较贵
很贵
直流电机是最简单的一种电机，
直流
电源供电，
改变电源的方向和大小即改变电
机的运动方向和速度
。借助于电子控制电路的作用，这类电机用于录音机、录相机、
唱机或激光唱机等固定转
速的机器或设备中，
也用于变速围很宽的驱动装置，
如小型
电钻、模型火车、电子玩具等。
步进电机
是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进驱动器接收到一个脉
< br>冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度
(
< br>称为“步距角”
)
，它
的旋转是
以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，
从
而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和
加速
度，从而达到调速的目的。
伺服
电机主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到
1
个脉冲，
就会旋转
1
个脉冲对应的角
度，
从而实现位移，
因为，
伺服电机本
身具备发出脉冲的
功能，
所以伺服电机每旋转一个角度，
都会发出对应数量的脉冲，
这样就和伺服电机
接受的脉冲形成了呼应，
或者叫闭环，
如此一来，
系统就会知道发了多少脉冲给伺服
电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就
能够很精确的控制电机的转动，从而实现
精确的定位，可以达到
0.001mm
。
通过比较，为了满
足准确定位，节省成本，本设计采用型号为
BHS20-BL-2203C
的直流电机。
WORD
版本
.
3
智能婴儿摇篮主要功能模块的设计与实现
3.1
系统总体结构
充分考虑系统设计要求
及可实现性等因素，
本系统
MCU
采用
以
ATMEL
公司提供的
高性能、低功
耗的
AVR
微处理器
ATmega16
单片机为控制核心；以
L298N
作为
婴儿摇
篮驱动摇摆机械结构直流电机的驱动器；
通过麦克采集婴
儿是否哭闹，
由光敏电阻采
集外部光线，数据传送到单片机后，
再由单片机数据处理，执行相关任务，控制系统
结构如图
3-1
所示。
电源电路
监控电路
声音采集
ATmega16
单片机
电机驱动
光线检测
照明电路
图
3-1
控制系统结构
本系统由
MCU
、
电源电路、
复位电路、
时钟电路、
电机驱动电路、
声音检测电路、
< br>光线检测电路、报警电路等主控模块、非接触
IC
卡读写
模块部分和报警电路组成。
下面从系统的主要功能模块的角度，分析其工作原理设计思路
。
WORD
版本
.
3.2
硬件模块设计
3.2.1
电源模块设计与实现
电源模块为智能
婴儿摇篮系统中各个模块提供所需要的电源，
设计中除了需要考
虑电压围和电流容量等基本参数之外，
还要在电源转换效率、
降
低噪声、
防止干扰和
电路简单等方面进行优化。可靠的电源方案
是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。
智能婴儿摇篮系统从外
部市电取电，
由于电路中的不同电路模块所需要的工作电
压和电
流容量各不相同，
因此电源模块应该包括多个稳压电路，
将充电
电池电压转换
成各个模块所需要的电压。主要包括如下几种电压。
(1)24V
电压，主要为照明电路提供电源。
(2)12V
电压，主要为步进电机驱动模块提
供电源。
(3)5V
电压，主要为微
处理器、声音采集电路以及光线检测电路提供电源，电压
要求稳定、噪声小。
电源电路模块有若干相互独立的稳压电路组成。
一般采用星形结构，
可以减少各
模块之间的相互干扰，为了进一
步减少单片机的
5V
电源噪声，可以单独使用一个
5V
的稳压芯片，与其他接口电路分开。
除了电机驱动模块可以直接取自电池外，
其余各模块的工作电压则需要从
电池电
压通过变换稳压获取，
一般采用各种集成稳压芯片实现。
表
3-1
列举了一些常用的稳
压芯片和主要技术指标。
选择稳压芯片时除了考虑输出电压和电流容量参
数外，
还需
要对稳压芯片的工作最小压差留有一定的余量，
这是由于电池两端的电压在车模运行
过程中会逐步降低。
特别是在车模的启动过程中，
电池提供大大的启动电流时，
电池
两端电压会降低很多，所以需要选择一些工作压差小的稳压芯片。
WORD
版本
.
表
3-1
常用的稳压芯片及其主要技术指标
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
0
1
1
1
2
芯片型号
LM7805
LM2575
LM2940
LM1117-ADJ
LM7806
TPS7350
LM1085
MC34063API
MAX638
MAX758A
输出电压
/V
5
5
5
2.85~5
可调整
6
2.5~5
5
3~40
5
5
特点
串联稳压，输入电压需要大于
7V
开关稳压，书入电压可以低至
6.5V
串联稳压，工作电压差可以小于
0.5V
输出
800mA
电流压差可以小于
1.2V
串联稳压
低压差稳压芯片，
35mV/100mA
串联稳压，
3A
，
1.5V
压差
开关稳压，可构成升压降压斩波电路
开关稳压，压差可以低至
1V
开关稳压，输入电压围宽：
4~16V
uPC24A05
5
输出
2A
电流时，压差小于
1V
MC33989
5
可调整
串联稳压，低压差，可同时提供两路稳压电源
在本次设计中智能摇篮相对简单，能耗不高，考虑节约制作成
本，宜采用串联稳
压芯片，最终选择的是常用稳压芯片
LM78
12
和
LM7805
。其电路如图
3-2
所示。
图
3-2
直流电源稳压电路
12V
和
5V
原理图
WORD
版本
.