带隐蔽式护栏的多功能儿童床设计.docx
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带隐蔽式护栏的多功能儿童床设计
毕业设计说明书
题目：
带隐蔽式护栏的多功能儿童床设计
学号：
0710210117
姓名：
林金杭
班级：
2007级（3）班
专业：
机械设计制造及其自动化
指导教师：
范剑
学院：
机械工程学院
答辩日期：
2011年4月23日
摘要
随着生活水平的提高，儿童床的种类多种多样。
本文介绍了带隐蔽式护栏的多功能儿童床两大功能，分别是儿童床的控制系统和儿童床的结构变形。
控制系统在工作状态下，可以检测儿童的体温以及是否尿床，一旦体温出现异常或者发生尿床现象，都会发出音乐提醒。
与此同时，设计了红外发射和接受电路，在床沿构建一道“隐蔽式护栏”，控制系统检测到儿童触碰或越过隐蔽式护栏时，便发出音乐提醒看护人员。
另一方面，儿童床可以变身带书架的书桌。
当儿童床被闲置的时候，可将儿童床重新组装，使其变成带书架的书桌。
关键词：
单片机；隐蔽式护栏；结构变形；儿童床
Abstract
Withthedevelopingoflivinglevel,thecategoryofthechild’scotbecomevarious.Thistextshowstwofunctionsofthemultifunctionalchild’scotattachedwiththeconcealedguardrail,whicharethecontrolsystemofchild’scotandstructuralchangesinshapeofchild’scotrespectively.Intheworkingstatus,thecontrolsystemcandetectthechild’sbodytemperatureandwhetherthebedwettingishappenedornot,andoncethetemperatureappearsunusualorthephenomenaofbedwettinghashappened,themusicalertswillbemade,atthesametime,theinfraredinductorwillalsobeintheworkingstatus,andwhenthechildiscomingacrossthecordon,themusicalertswillbemadetowarntheparents.Ontheotherhand,thechild’scotcanbechangedtobeadeskwithabookshelf.Whenthechild’scotisbeingsetaside,itcanberebuilttoadeskwithabookshelf.
Keywords:
microcontroller;concealrail;structuraldeformation;cribs
第1章课题的背景和意义
1.1课题的背景
当可爱的宝宝降临到世界，年轻的父母便承担起抚养宝宝的职责。
在工作生活快节奏的现代社会，父母经过一天的忙碌回到家，哄好宝宝吃喝拉撒睡觉后，自己也要有足够的睡眠。
但宝宝的作息时间完全不合大人同步，这时他们不得不随时待命，自己的生活规律完全被打乱。
尤其是在晚上时间照顾宝宝的方方面面。
这是就要发掘宝宝的儿童床的潜能，让它时刻发挥呵护宝宝的功能。
年轻的父母一般刚开始都缺乏抚养宝宝的经验，比如尿床或者发热了不一定能及时发现并采取相应办法，这也需要发挥儿童床辅助看护宝宝的功能。
让它在宝宝尿床或者发热的第一时间告知身边的人员。
而目前市场上已有的儿童床功能单一，且缺乏人性化的呵护方式，使用起来仍然不方便，尤其是在辅助呵护宝宝的方面还是做的比较肤浅。
随着宝宝的长大，儿童床就成了一件摆设，扔了可惜，留着又占空间，实属一种浪费。
1.2课题的意义
随着人民生活水平的日益提高，生活节奏加快，年轻的父母在感受到宝宝降生的喜悦和幸福后，即承担起养护宝宝的重担。
现在的家庭中，很多年轻的爸爸妈妈都有工作在身，白天一般请人照顾宝宝，晚上回到家后自己照顾呵护宝宝。
经历了一天的紧张繁忙的工作之后，年轻的父母本已略显疲备需要充分的休息。
但是懵懂的宝宝可不管那么多，不论什么时候想吃的时候就要吃，睡醒了就要有人逗他玩，哭闹的时候还要有人哄，尤其重要的是宝宝尿床了必须要及时更换尿布，宝宝的身体发热了要及时提醒父母关注宝宝的健康等等，这些都需要宝宝身边的亲人尤其是年轻父母花时间，花精力去照顾，然而忙碌了一天之后已经疲惫不堪，再哄宝宝入睡以后先睡个安稳觉都很困难。
一般年轻的爸爸妈妈缺乏呵护宝宝的经验。
一旦宝宝尿床了，而尿布如果得不到及时更换，宝宝稚嫩的皮肤很容易受到感染；或者宝宝身体不舒服一般都会引发发热等症状，情况不严重的时候宝宝不会有较大反应的，这时恰巧是治疗预防的最佳时机，然而，往往是当宝宝哭闹的比较惨烈的时候，父母们才会引起关注，但这时最佳的治疗机会错过了，很多事情就显得很是被动，如果摇床的配套设施上能够及时检测宝宝的尿湿和体温情况并能作声光提醒的话，很多烦恼都可以提前得到化解，使家庭更加温馨、祥和。
本项目正对目前市场上婴儿摇床产品功能不全、质量良莠不齐的现状，为方便年轻父母更好的照顾自己的宝宝，根据“以人为本”的设计理念研制一种新型智能婴儿摇床，为“平安家庭”建设添砖加瓦，为宝宝营造良好的成长环境。
第2章毕业设计主要内容
1．设计带隐蔽式护栏的儿童床床架机构，即运用红外感应制作成隐形护栏，可以防止宝宝头部撞击护栏而造成的伤害。
并且儿童床的床架机构可以经过重新装备可变身为书桌等家具。
2．运用pro/e或UG等运动仿真软件对儿童床床架机构进行设计、装配和受力分析。
3．设计该多功能儿童床的控制系统软、硬件使之具有如下功能：
睡眠计时、体温测试、显示和超标提醒、尿湿状态显示和尿湿提醒、隐蔽式护栏设置和越界提醒。
第3章.方案的选择和确定
3.1儿童床设计方案
方案一:
摇篮床有以下几点要求:
1、床的稳定性要好。
不要推推就会散架。
挑床时，与挑家具是一样，牢固最主要。
2、摇篮床内不要有突出物。
3、定期检查。
使用过程中要把活动架的活动部位要定期检查，是否在连接过程中非常可靠。
螺钉、螺母是否松动。
如果宝宝用力运动是否会翻到等。
4、表面要光滑。
5、可以活动的摇篮床的高位、低位，上下调节，注意把握松紧度。
6、认真阅读并使用说明书。
它会告诉你怎么安装，怎么调试。
使用功能多的，比如从摇篮变成摇床，从摇床变成普通的床，怎么变？
说明书上要齐全，一定要看得懂。
把摇篮床组装好看一看，功能是否与说明书上一样，与父母所期望的是否一样。
7、原料不管是塑料的、木头的还是喷塑的（把表面喷成塑料），都是安全材料。
主要看父母喜欢什么，一般木制和喷塑的比较多。
纯塑料的比较少。
方案二:
宝宝床有以下几点要求:
1、光滑。
床的表面要光滑，没有毛刺，以免小孩在玩时不小心划伤皮肤；
2、突出物。
床里面不能有任何突出物；
3、坚固性。
结构比较牢靠，稳定性要好，特别坚固，不能是一推就晃，注意床的材质是否坚固，可以长期使用；
4、床板。
床板的厚度是否可以保证小孩在上面蹦玩安全；
5、床栏。
婴儿床的一个特点是小孩站在里面玩。
床栏一定要高于600毫米，小孩站在里面翻不出来。
6、拐角。
床的拐角要比较圆滑。
一般的摇篮床、婴儿床床栏杆、床头都是软包。
不会磕着、碰着小孩。
7、间距。
床栏杆之间的间距都有具体的规定，一般不会使小孩的脚丫卡进去，而小手可伸缩自如。
方案三:
幼儿床有以下几点要求:
1、幼儿床的选择时要注意小孩睡觉时是否老实，小孩睡觉时难免翻身，打滚，最好买带护栏的床；
2、有的小孩睡觉特别老实，睡普通的床没有关系，但是妈妈要特别注意不要让他摔下来；
3、有的小孩睡觉不老实，可以使用很低的床（20公分），在床旁边铺上厚厚的地毯，小孩万一掉下来，摔一两次也没有关系。
摔一两次他就记住了，很低的床，小孩也比较方便。
本设计主要针对4-10岁儿童，这时的孩子已经睡不下宝宝床，作为父母，就要开始考虑给孩子准备一个合适的儿童床了。
儿童床一要注意确保床的稳固，没有倒塌的危险。
因为这一时期的孩子活泼、好动、喜欢在儿童床上跳上跳下。
二要注意要选择环保型材料做成的床具，对儿童的健康不会造成损害。
三要注意为孩子选择睡床不能太软，由于孩子处在成长发育期，骨骼，背柱没有完全发育到位，儿童床过软容易造成儿童骨骼发育变形。
四要注意儿童床的细节设计，从安全角度考虑，儿童床的边角都设计成图形或者弧形。
家长应充分考虑到儿童好动的天性，容易磕碰受伤，因此，应选择那些无尖利的棱角、坚固不易破碎的儿童床，才能避免孩子受伤。
儿童床的设计可以根据居室的面积来选择，如果居室面积不大，就可设计成一款床与书桌相连的床，上面可以做成床或是做成柜子，下面可以做个书桌，同时，还可以摆上一台电脑，既实用又美观。
如果居室面积大，可以设计成一款式样简单的儿童床，配上一个电脑桌，用靓丽的色彩进行房间的点缀，会为房间增色不少。
该儿童床主要针对居室面积不大的情况所设计的，要在满足上述所讲的几个要点下同时要求床应比较低，离地近：
矮床方便宝贝上下，而且万一不小心从床上滚落，也不会受到严重伤害。
通过上述比较可得出结论：
方案三较合适本设计课题。
3.2结构变形设计方案
方案一:
会长大的床
儿童床作为大件家具不可能两三年一换，而儿童是不断成长的。
如果您想选一张能够满足孩子各个时期需要的儿童床，那么选择那种床头、尾板可折叠，能调节拉长的床不失为明智之举。
方案二:
立体利用空间的床
如果居室不大，为了给宝贝更多的游戏空间，充分利用空间的双层床也是一个很好的选择。
下层供宝贝睡觉，上层可成为宝贝的娱乐场所，还可堆放各种玩具，方便老人或保姆照顾宝贝。
但对于年龄小又不老实的小家伙来说，双层床似乎有危险，妈咪可以选择安装护栏，需要的时候为宝贝安装一个，在旁边遮挡一下。
方案三:
可自由组合的床
儿童们喜欢变化。
所以那种可以适应儿童的不同成长时期，组合出无数不同的布置方案的床也很不错。
一个基本的床可以变成高架床、上下床、L形床、一字形组合，亦可以变换回原样。
同时，床与滑梯、书桌、衣柜、书架、帐篷等也可以进行各种组合！
给宝贝一个想像空间！
方案四:
带有收纳功能的床
儿童的玩具衣物都超多。
因此，购买时应注重收纳功能，配置带有床下有抽屉、橱柜的儿童床是个不错的办法。
里面既可以收纳衣物也可以放些小玩具，还可以塞一些被褥，将不常用的东西放在里面，减少了屋子里的杂乱。
方案五:
可变书桌的床
当儿童们渐渐长大，原本的儿童床已经不再适合孩子们了。
这时要是放在家里就占了一定的空间；丢掉又会觉得可惜。
如何处理好这儿童床有时让父母们非常头痛。
这时如果能让儿童床变为书桌，既可以省下了空间也可以让孩子们有个学习的地方。
使儿童床得到了最大程度上的使用。
综上通过对比可知各种结构的儿童床都有它的优点。
但可变书桌的儿童床更能省下空间、更能展现其使用率。
所以本结构设计确定第五方案为最佳方案。
3.3儿童床控制系统方案
该儿童床控制系统的设计硬件系统包括CPU、测温传感器、尿湿传感器、红外传感器。
3.3.1CPU选型
方案一:
ATMEL单片机
本控制系统功能比较简单，所用I/O端口较少，只需一个单片机就可以控制，所以选用目前比较常见和通用的MCS-51系列单片机。
而在MCS-51系列里，所有产品都是以8051为核心电路发展起来的。
所以本儿童床控制系统选用8051作为控制芯片。
8051单片机采用HMOS的半导体工艺生产，即高速、高密度、短沟道MOS工艺，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
其带有串行I/O接口和A/D转换，而且其特殊功能寄存器有21个，离散的分布在80H~FFH地址范围内，只占用了21个地址。
8051单片机内有256B的数据存储器，分为低128B的片内RAM和高128B的特殊功能寄存器区。
8其中断源包括2个外部中断、2个定时器溢出中断和一个串行口中断。
本儿童床控制系统主要功能有计时功能，而其内部有两个16位的可编程定时/计数器，可编程选择其作为计数器用。
此外，工作方式、定时时间、计数值、启动、中断请求等都有程序设定。
此单片机应用领域及其广泛，由于其优良的性价比，特别适合我国的国情，故在我国得到广泛的使用。
方案二:
MicroChip单片机
MicroChip单片机的主要产品是PIC16C系列和17C系列8位单片机,CPU采用RISC结构,分别仅有33,35,58条指令,采用Harvard双总线结构,运行速度快,低工作电压,低功耗,较大的输入输出直接驱动能力,价格低,一次性编程,小体积。
适用于用量大,档次低,价格敏感的产品.在办公自动化设备,消费电子产品,电讯通信,智能仪器仪表,汽车电子,金融电子,工业控制不同领域都有广泛的应用。
方案三:
Motorola单片机
Motorola是世界上最大的单片机厂商.从M6800开始,开发了广泛的品种,4位,8位,16位32位的单片机都能生产,其中典型的代表有:
8位机M6805,M68HC05系列,8位增强型M68HC11,M68HC12,16位机M68HC16,32位机M683XX.Motorola单片机的特点之一是在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多,因而使得高频噪声低,抗干扰能力强,更适合于工控领域及恶劣的环境。
根据以上三种单片机的特点，ATMEL单片机由于其优良的性价比，且适用于本控制系统故选择方案一。
3.3.2测温传感器
方案一:
DS18B20温度传感器
DS18B20是DALLAS公司生产的单总线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、搞干扰能力强、易配处理器等优点，特别适用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（提供9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片。
DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
适合于恶劣环境的现场温度测量，如：
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。
而且DS18B20更便宜，体积更小。
DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。
可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。
分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。
DS18B20的性能是新一代产品中最好的！
性能价格比也非常出色！
继“一线总线”的早期产品后，DS18B20开辟了温度传感器技术的新概念。
DS18B20使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。
方案二:
AD590温度传感器
AD590是美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器，供电电压范围为3~30V，输出电流223μA（-50℃）~423μA（+150℃），灵敏度为1μA/℃。
当在电路中串接采样电阻R时，R两端的电压可作为喻出电压。
注意R的阻值不能取得太大，以保证AD590两端电压不低于3V。
AD590输出电流信号传输距离可达到1km以上。
作为一种高阻电流源，最高可达20MΩ，所以它不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。
适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。
方案三:
LM135/235/335温度传感器
LM135/235/335系列是美国国家半导体公司（NS）生产的一种高精度易校正的集成温度传感器，工作特性类似于齐纳稳压管。
该系列器件灵敏度为10mV/K，具有小于1Ω的动态阻抗，工作电流范围从400μA到5mA，精度为1℃，LM135的温度范围为-55℃~+150℃，LM235的温度范围为-40℃~+125℃，LM335为-40℃~+100℃。
封装形式有TO-46、TO-92、SO-8。
该系列器件广泛应用于温度测量、温差测量以及温度补偿系统中。
由于DS18B20适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
所以本控制系统就选定DS18B20为测温传感器，故选方案一。
3.3.3尿湿传感器选择
方案一:
氧化铝湿度传感器
氧化铝传感器的突出优点是，体积可以非常小（例如用于探空仪的湿敏元件仅90μm厚、12mg重），灵敏度高（测量下限达-110℃露点），响应速度快（一般在0.3s到3s之间），测量信号直接以电参量的形式输出，大大简化了数据处理程序，等等。
另外，它还适用于测量液体中的水分。
如上特点正是工业和气象中的某些测量领域所希望的。
因此它被认为是进行高空大气探测可供选择的几种合乎要求的传感器之一。
也正是因为这些特点使人们对这种方法产生浓厚的兴趣。
然而，遗憾的是尽管许多国家的专业人员为改进传感器的性能进行了不懈的努力，但是在探索生产质量稳定的产品的工艺条件，以及提高性能稳定性等与实用有关的重要问题上始终未能取得重大的突破。
因此，到目前为止，氧化铝湿度传感器通常只能在特定的条件和有限的范围内使用。
方案二:
陶瓷湿度传感器
在湿度测量领域中，对于低湿和高湿及其在低温和高温条件下的测量，到目前为止仍然是一个薄弱环节，而其中又以高温条件下的湿度测量技术最为落后。
以往，通风干湿球湿度计几乎是在这个温度条件下可以使用的唯一方法，而该法在实际使用中亦存在种种问题，无法令人满意。
另一方面，科学技术的进展，要求在高温下测量湿度的场合越来越多，例如水泥、金属冶炼、食品加工等涉及工艺条件和质量控制的许多工业过程的湿度测量与控制。
因此，自60年代起，许多国家开始竟相研制适用于高温条件下进行测量的湿度传感器。
考虑到传感器的使用条件，人们很自然地把探索方向着眼于既具有吸水性又能耐高温的某些无机物上。
实践已经证明，陶瓷元件不仅具有湿敏特性，而且还可以作为感温元件和气敏元件。
这些特性使它极有可能成为一种有发展前途的多功能传感器。
寺日、福岛、新田等人在这方面已经迈出了颇为成功的一步。
他们于1980年研制成称之为“湿瓷-Ⅱ型”和“湿瓷-Ⅲ型”的多功能传感器。
前者可测控温度和湿度，主要用于空调，后者可用来测量湿度和诸如酒精等多种有机蒸气，主要用于食品加工方面。
方案三:
电阻式氯化锂湿度传感器
电阻湿度特性原理的氯化锂电湿敏元件具有较高的精度，同时结构简单、价廉，适用于常温常湿的测控等一系列优点。
氯化锂元件的测量范围与湿敏层的氯化锂浓度及其它成分有关。
单个元件的有效感湿范围一般在20％RH以内。
例如0.05％的浓度对应的感湿范围约为（80～100）％RH，0.2％的浓度对应范围是（60～80）％RH等。
由此可见，要测量较宽的湿度范围时，必须把不同浓度的元件组合在一起使用。
通过对上述三种方案所用范围的比较，可知第三种方案更能适用于本系统。
3.3.4红外传感器选择
方案一:
光电二极管
光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。
它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。
光电二极管是在反向电压作用之下工作的。
没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。
当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子——空穴对，称为光生载流子。
它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。
这种特性称为“光电导”。
光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。
如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。
方案二:
热释电红外传感器
主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。
在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。
由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。
为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10~20米范围内人的行动。
但热释电红外传感器有以下几个缺点：
1．容易受各种热源、光源干扰。
2．被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。
3．环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。
本设计项目是检测人体的红外，而方案二中人体红外辐射容易被遮挡，不易接收。
故方案一为最佳方案。
第4章儿童床床身及其变形改装设计
4.1床身结构设计
此款儿童床是适用于10岁以下的儿童。
所以长度设计为150cm，宽度设计为88cm。
此时的儿童睡觉不安稳，很容易摔下床，所以床的高度设计为30cm。
“隐蔽式”护栏能及时的检测到儿童的越界情况，让父母有充足的时间作出反应（如图4.1所示）。
床四周的板采用8个床铰链连接，采用沉头螺钉固定（如图4.2所示），床身中间设计三根横条，将床板安装其上，以保证其牢固性。
在床的背后设计了四块横板，可以加固床的质量。
考虑到10岁儿童的标准体重为40kg，床板的受力分析如图4.3所示，可知床板符合设计要求。
在床中间两块板中设计了四个插孔，将床竖立起按上一块桌板即当做书架和书桌（如图4.4所示），最后是床头板，采用圆弧形状，外形简单、美观、大方。
图4.1红外传感器构建的“隐蔽式”护栏
图4.2床铰链与沉头螺钉图
图4.3床板受力分析图
图4.4床底图
4.2变形改装的结构设计
此款儿童床可以变身书桌，首先将床身如图整个竖起，就成了书架，再将桌板上的两个圆柱凸起扣在中间横板对应的插口中，中间两块横板都有插口，这样可以调节书桌的高度。
再将两根圆柱形的桌脚与桌板下十字形的孔对应连接，就变成了书桌。
这样一张儿童床就变身成了书架和书桌。
（如图4.5所示）
图4.5 书桌图
第5章儿童床控制系统硬件电路设计
5.1最小控制系统设计
因为80C51单片机内部自带8K的ROM和256字节的RAM，因为不必构建军单片机系统的扩展电路。
如图，单片机最小系统有复位电路和振荡电路。
值得注意的一点是单片机的31脚EA/VP必须接高电平，否则系统将不能运行。
因为该脚不接时为低电平，单片机将直接读取外部程序存储器，而系统没有外部程序存储器，所以EA/VP必须接VCC。
在按键两端并联一个电解电容，滤除交流干扰，增加系统抗干扰能力。
（如图5.1所示）
图5.1 最小控制系统图
5.2温度检测电路模块设计
该模块为输入模块，此模块的电路原理如图5.2所示。
当检测到温度超过了规定的正常值，读入对应的单片机端口为低电平信号，反之当没有检测到温度有异常端口保持高电平。
图5.2 温度检测电路图
5.3尿湿检测电路模块设计
该模块是一块输入模块，此模块的电路原理如图5.3所示。
当电阻式氯化锂湿度传感器检测到有水时，湿度传感器就导通，读入对
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