婴儿安全床垫的设计

发表于:2022-10-23 20:55:03 来源:网友投稿

【摘要】阐述了婴儿安全床垫的设计思想，详细论述了整个装置各个组成部分的作用及其工作原理，并指出了研究的必要性和重要性，有效地保护了婴儿安全。

【关键词】婴儿安全床垫；婴儿；安全；床垫红外线传感器的应用。

1、引言

众所周知，婴儿是我们社会中比较脆弱的一类群体，美国有一项统计表明，每年约有40%的婴儿猝死案与婴儿床缺乏足够的安全设计直接相关，因此为保护婴儿的生命和健康，美、加、日、韩等众多国家均对婴儿床制定了林林总总、程度不一的安全要求。[1]婴儿的大部分时间都是在婴儿床上度过的，制作婴儿安全床垫对保护婴儿安全有极其重要的意义。鉴于比，本文作者设计了一款婴儿安全床垫，并做了详细的说明。

2、婴儿安全床垫的工作原理

2.1婴儿安全床垫的组成部分及其作用

该婴儿安全床垫是由安全床垫、红外探头、无线传输发射、接收模块和报警器组成，其中模块的中央处理器采用的是美国德州仪器线下生产超低功耗单片机MSP430。设计组成示意图如图1所示。

其中，主要组成部分及其功能如表1所示：

下面详细的介绍一下各模块的组成。

（1）安全床垫分为安全区和危险区。安全区主要针对暂时无人照顾或者睡眠时，婴儿可以自由活动或者睡眠区域，鉴于对婴儿有掉下床的危险的考虑，将该区设置在床垫的中心部分。危险区是指床的外边沿，沿床的四周布置。安全区与危险区之间布置一系列的红外线传感器。婴儿跨越危险区需要一定的时间，安全区边缘则是给予婴儿的监护人足够的反应时间。

（2）红外探头是感应外界物体遮挡而产生脉冲电信号的电子传感器，其有效感应距离为0.5米，沿床四周距床边缘0.5米设置，每隔0.1米设置一个红外线探头，设计床垫长×宽为2m×1.8m。以此计算：（2-0.5）÷0.1×2+（1.8-1）÷0.1=38，需要三十八个红外线探头。该传感器利用物体的反射性质。在一定范围内，如果没有遮挡物，发射出去的红外线会随着传播距离变远而逐渐减弱，最后消失。如果有遮挡物，红外线遇到遮挡物，被反射到达传感器接收头。传感器检测到这一信号，就可以确定正前方有遮挡物。正常工作时，当婴儿没有遮挡住探头时则输出高电压，电压为5v，当被遮挡时则输出低电压。该设计中的若干探头与MSP430单片机是并联连接，只要有一个被遮挡时就会给单片机发出信号。红外探头使用起来简单方便，并且检测距离可调，只需改变探头中的限流电阻即可改变检测距离，而对儿童无任何危害。其实物图如下：

（3）无线发射模块是由MSP430、NRF2401以及外围电路组成，当婴儿到达危险区并遮挡到红外探头时，探头产生脉冲信号并将该信号传送给发射模块的MSP430，该模块继而驱动NRF2401芯片并发射无线高频信号。

MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器，其处理能力强、运算速度快、功耗超低一直受广大用户青睐。考虑到其功耗低的优点，本设计首先考虑了该芯片并最终实现了设计要求。发射模块采用的芯片是NRF2401，nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM频段，芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，因此使得该设计更加环保、更加节能。片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置，因此实现起来比较容易。其原理图如图3。

（4）无线接受模块的组成与发射模块基本相似，同样是由MSP430、NRF2401接收芯片组成。当NRF2401芯片接受到来自发射模块的信号时，立即向MSP430单片机作出响应，MSP430接收信号后立即驱动报警模块。

（5）报警器模块采用的是蜂鸣器报警器。当接收到无线接收模块发来的报警信号时便自动发出蜂鸣报警，报警时间持续约半分钟。与单片机连接如图4。

整个装置使用电压为5v，对儿童无危害，无线电波发射器和接收器都设有独立电源、开关，无线电波接收器具有体积小、携带方便的特点。当婴儿监护人暂时离开婴儿的时候，分别将无电波发射器和接收器电源打开，并将无线电波接收器随身携带，这样可以随时注意婴儿的活动。

2.2装置的特点

（1）装置本身不会对婴儿产生危害。

该装置采用5v电压，电池作为电源，低电压不会对婴儿产生任何危害，采用红外线传感器，不会对婴儿产生任何辐射。

（2）装置体积小，便于携带，耗电量小。

（3）装置造价低，易于推广。

（4）装置预期效果好。

这些红外线传感器在通电时间内，沿床一周形成虚拟的栅栏，既不影响床的美观，又可以有效地保护婴儿安全。

3、预期实验效果

利用现代的科技有效的保护婴儿的安全，并且节约了家庭生活中监护人的时间，用现代科技创造了良好的经济和社会效益。