基于单片机的电子催眠器的设计_龙林星.pdf

|107应用技术0 引言近些年来，由于人们日常生活节律的增加，压力的加大，运动量的减少以及其他因素所造成的烦躁、精神紧张，使得失眠人群越来越多。最近一项针对中国北京、上海等六座城市的研究显示，成年人在过去十二个月中入睡困难的发生率达到 57%。并且根据目前社会的发展趋势，失眠人数的增长还会呈上升的态势，严峻影响着人们的身心健康，造成了工作效率和生活品质的大大降低。于是我们欲设计一款有助于失眠患者入睡的电子催眠器。1 系统方案本设计主要由心率检测电路、语音播报模块、LCD1602显示屏、电源电路、LED 闪烁电路、复位电路、单片机主控等部分组成。系统框图如图 1 所示。单片机主控语音播报模块心率检测电路电源电路LCD1602显示屏复位电路LED闪烁电路图 1 系统框图2 硬件设计 2.1 单片机最小系统AT89C52 单片机是一块功耗低、运行速度快的微控制器，它几乎兼容 80C51 所有型号的指令和引脚功能。它采用模块化设计思想，通过扩展可配置寄存器单元（SDRAM），实现了各种功能；通过优化 I/O 接口电路结构，降低功耗。配备 8K 字节闪存存储，RAM256 字节存储空间、32 个 I/0端口、定时器/计数器、外部中断、UART 串口等外设。另外 AT89C52 可配置休眠模式。在休眠模式时，系统会进入休眠状态，当工作时，系统会自动启动。空闲模式时，CPU的数据由 RAM 中读取并存储在定时器和/或计数器上，然后通过串口发送中断。掉电保护时，RAM 内容可由振荡器和单片机完成硬件复位。而在节能模式下，该芯片仍保持低功耗状态。本 文 详 细 介 绍 了AT89C52 硬件系统设计与实现方法，并给出相应程序流程图和设计流程讲解。AT89C52 系列单片机是嵌入式控制系统中应用最为广泛的一种芯片，它具有体积小、功能强和灵活性好等特点。所以本设计中采用 AT89C52 芯片作为主控芯片。主控电路图如图 2 所示。2.2 复位电路无论是哪种系列单片机都会采用到复位电路，复位电路决定着整个系统工作的可靠性，AT89C52 单片机复位方式简单便捷，可以通过上电复位或者按下复位键使其单片机回到初始状态。复位电路原理图如图 3 所示。2.3 心率检测电路心率检测电路主要是利用 ST188 光电传感器对脉搏信号进行数据采集，将这些数据转换成脉搏信号后输出，经过滤波器将杂波滤掉，经过放大信号处理，经过整形电路将不规则的尖峰脉冲信号整形，然后将整形后的脉冲电信号传输至单片机的I/O 接口。此后，单片机就可以通过外部中断的方式对已处理过的脉冲电信号加以测量，一般都是先利用单片机测量六次脉冲基于单片机的电子催眠器的设计龙林星，蓝国财，杨美红，杨慧欣，黄姿妹，黄江，黄灿胜（广西民族师范学院 数理与电子信息工程学院，广西崇左，532200）基金项目：2021年自治区级大学生创新创业训练计划项目“基于单片机的电子催眠器的设计”项目（项目编号：S202110604153）;2021年度省级一流本科专业建设点项目广西民族师范学院电子信息工程专业（高厅函202214号）。摘要：本文介绍了在当前发展过程中，应用电子催眠器的意义、设计方法，以期在人们难以入眠的情况下，通过对电子催眠器的使用，在无任何副作用的情况下，能够达到放松身心，顺利入眠的效果。关键词：电子催眠器；心率采集；语音播报；单片机R110KC110uFVCC1243S1SW DIP-2图 3 复位电路原理图P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9(RXD)P3.010(TXD)P3.111(INT0)P3.212(INT1)P3.313(T0)P3.414(T1)P3.515(WR)P3.616(RD)P3.717XTA L218XTA L119GND20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40VCCP10P11P1201234567P21P22P23图 2 主控电路图DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.06.011108|电子制作 2023 年 3 月应用技术数据后，然后就可以计算出测量者在 1min 内的心跳脉搏次数，最后根据脉搏程度范围的划分将最终的结果显示在LCD1602液晶显示屏上。心率检测电路原理图如图4所示。2.3.1 滤波电路ST188 光电传感器采集到的脉搏信号，在输出端有时候会出现的电压偏低，而有时候又会出现输出电压比正常时间高的情况。这说明传感器输出的信号中存在着一定的直流分量，并且经过研究表明，人体的脉搏波信号频率一般处于0.6 6Hz 之间，于是可以采用 0.6Hz 左右的高通滤波器来滤除信号中的直流分量，保持电路稳定。2.3.2 放大电路因为所需采集的脉搏信号比较微弱，并且在传输的过程中会有一定的衰减，所以我们需要对信号进行放大处理。本设计使用 LM358 芯片搭建电路对输入的电压进行放大 100倍后，再通过单片机 I/O 口进行检测。2.3.3 整形电路采集的脉搏信号虽然经过滤波和放大处理，但仍是不规则的，仍存在一定的低频干扰，导致不能被单片机很好识别，所以需要通过整形电路将不规则的波形进行修真或变换。在此，主要是通过利用 LM358 的第二个运算放大器和 R6、R10 构成的电压比较器实现。2.4 语音播报模块WT588D 语音模块，是一款可以反复擦除烧写且功能实用、操作简单的语音芯片。该模块可以不再因为控制模式而去寻求适合它的外围单片机或者微型计算机集成电路，现在高集成化类单片机控制器的能力是非常适合且可以代替其他繁琐的外设检测电路。通过配套 WT588D Voice Chip上位机控制软件，可以随时更改 WT588D 语音芯片的任意一个操作方式，只需要把数据直接加载到 SPI-Flash 文件中即 可。当 WT588D 语 音芯片收到来自脉搏监测系统的信息时，语音模块会判断单片机发送过来的指令并播放对应的音乐。语音模块电路原理图如图 5所示。2.5 LCD1602 显示屏在本设计中，脉搏跳动的速度、程度的显示以及计时时间的显示主要由 LCD1602 与外围电路组成，在电路连接过程中，LCD1602 的 3 号引脚与电位器相连接，通过编制程序的方式，将相关数据在液晶显示屏进行实时显示。其中，LCD1602 液晶屏的第一行显示脉搏跳动的次数，而第二行则显示脉搏跳动程度和系统运行的时间。显示屏电路原理图如图 6 所示。2.6 电源电路LM2596S 电源模块的输出驱动电流高达 3A、并且输出U2ST188VCCR10470R320KC4105R1124K1OUT11IN-21IN+3GND42IN+52IN-62OUT7Vcc8U3LM358R12100KR13220VCCR41KR91kR81KVCCR510KR610KC5224C6224P32mbd 1L324图 4 心率检测电路原理图12345678161514131211109WT588DVCCGND12P21P22P23图 5 语音播报模块电路原理图VCC12345678910111213141516LCD1602GNDVCC123456hd1GNDVCCP10P11P1201234567GND图 6 显示屏电路原理图|109应用技术电压稳定、效率高，由于本设计采用的模块和电路居多，单片机的驱动电流是远远不够的，所以采用此模块可以更好地为该设计提供稳定的供电。2.7 LED 闪烁电路通过脉搏监测电路，分析患者脉搏的跳动频率、波形情况后对患者的失眠程度进行分级，之后患者可通过自己的失眠程度播放体感音乐同时配合 LED 闪烁电路使其更好入眠。LED 闪烁电路原理图如图 7 所示。3 软件设计为保证系统能够正常工作，在完成硬件系统的构建工作后，还需要为其提供合适的软件程序。具体来说，该软件系统主要由主程序与子程序两部分组成，其中主程序作为本设计的核心程序即单片机程序，用来协调执行各个模块发送和接收的指令，子程序为语音模块的程序和音乐存入等工作。下面就从以上提到的几个方面分别介绍。3.1 单片机的软件设计程序设计的主要流程为：首先配置定时器的工作模式，然后初始化定时器、采集脉搏跳动次数、计算脉搏跳动次数、根据脉搏次数播放音乐以及各个IO口的状态。其中，定时器、外部中断和 LCD1602 显示屏的初始化操作是必需的。其次，待初始化完成之后，则需要对有关硬件电路进行动作，使其能够与程序相对应。采集一分钟内的脉搏跳动的次数，当采集到 6 次脉冲信号后，进行数据分析和计算；然后根据脉搏跳动次数划分的程度范围，调用语音播报模块，进行音乐的选择。完成后将在显示屏的第一行显示采集到的脉搏跳动次数，第二行显示脉搏跳动的程度、语音模块驱动喇叭播放对应音乐、单片机根据采集到的脉搏次数输出对应频率，驱动 LED 灯达到催眠效果。单片机外部中断是边沿触发的方式，当脉冲信号为下降沿时，单片机触发外部中断，定时器T0 启动计时。定时器 T0 设置为定时时间 50ms 中断一次，即执行一次计数操作，若时间超过 1.5s 还没有检测到脉冲信号，那么 LCD 显示屏就会停止显示，并允许触发外部中断 T0。单片机设置定时操作，当催眠器运行 20 分钟无任何操作的情况下，单片机就会自动断电，这样一来既提高了安全系数也节约了用电。单片机程序流程图如图 8 所示。3.2 语音模块设计WT588D 语音模块配备一款 WT588D VoiceChip 软件进行拓展语音模块的功能，完成编译工作。在该软件中进行音频装载和编辑。其主要步骤是：第一步点击新建工程、第二步根据语音长度设置存储器的大小、第三步装载语音、音频加载进来后，可以在音频装载区显示相关信息、第四步选择控制模式，在本设计中采用按键模式、第五步，音频输出模式的设定，芯片主要是提供外接功放模式、扬声器模式为直驱模式、第六步设置 BUSY 端的输出电平为“1”或“0”、第七步插入静音，其主要目的在于增加播放延时的时间，如果是不需要的音频则可以在音频装载区或音频编辑区删除dvxy11KVCCLED图 7 LED 闪烁电路原理图开始单片机定时器初始化采集脉搏跳动次数计算脉搏跳动次数 采集到6次脉 冲结束N脉搏次数 40-60脉搏次数 60-70脉搏次数 70以上显示脉冲跳动次数输出对应频率波形驱动LED等播放雷雨声播放指定的音乐播放指定的音乐YYYYNNN图 8 单片机程序流程图（下转第 90 页）图 9 音频载入页面90|电子制作 2023 年 3 月信息工程 图 12 辅助隔离变压器输出电流仿真波形如图 14 所示，交流滤波电容电流基波有效值为 71.6A。图 13 交流滤波电容输出电压仿真波形 图 14 交流滤波电容输出电流仿真波形4 试验验证如图 15 所示，按照国家标准对该牵引辅助变流柜样机进行了辅助系统相关试验，通过对辅助系统输出电压、电流等的检测，验证了辅助系统具有良好的电气性能，可以满足整车对辅助系统供电的功能需求。5 结论本文介绍了一种纯电池供电电力机车用牵引辅助变流柜辅助系统的设计方法，通过对主电路的工作原理和功能分析，结合整车对辅助系统的性能需求，介绍了辅助系统逆变器、辅助隔离变压器、交流滤波电感、交流滤波电容等关键部件的计算方法和电气功能。通过电气仿真和试验验证，该辅助系统具有电路成熟、性能稳定、可靠性高、验证充分等特点，各项性能指标均能满足整车技术需求。目前该型牵引辅助变流柜已完成各项试验验证，打开电力机车未来从传统交通装备向新能源领域发展的新思路，对助力国家“碳达峰、碳中和”战略具有重要的意义。参考文献 1 佟来生,蓝正升,刘宏.交流传动电力机车新型辅助电源的研究 J.电气传动,2008,38(12):15-18.2 陈坚,电力电子学 M.高等教育出版社,2011.3陈湘,熊煜宇,王佳佳,等.机车