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防雾霾智能口罩的设计构想

当前,随着我国经济的高速持续发展,日益恶劣的空气质量给广大人民的工作和生活带来不便,甚至严重威胁人们的健康。我国已经有许多城市出现了较为严重的雾霾,在大街上也有越来越多的人穿戴口罩出门,目前市面上的口罩大多只有防雾霾功能一种,并且不会把人们呼出的废气及时地排出保持空气流通。调查发现,许多人在穿戴口罩时接听电话会对通话质量有一定影响。为了消除这一影响,人们或者选择提高音量,或者选择摘下口罩。而且许多年轻人在穿戴口罩的同时还有使用耳机听音乐的习惯。无论是使用蓝牙耳机还是有线耳机,它们都有各自的弊端。人们在使用无线蓝牙耳机时会有耳机丢失的担忧;在使用有线耳机时又会有耳机线缠绕带来的烦恼。为此,本文设计了一种防雾霾的智能口罩,拟解决上述的问题,并给使用者创造一种新的实用型口罩体验。
 
1 系统总体设计
1.1 系统结构的主要构成部分
智能口罩主要由PCB主控板、电源、风扇、麦克风、耳机、口罩和可更换滤芯组成,如图1所示。
智能口罩以PCB主控板为核心,包括蓝牙控制模块、电源模块和风扇及按键。使用者在穿戴口罩后开启电源,系统启动并与移动端通过蓝牙连接,风扇开启主动排气,能够把口罩内呼出的废气全部排掉,促进新鲜空气从其他方向经过滤片过滤后流进,以达到持续新风的目的。在口罩外部嵌入有高拾音的麦克风和高品质的耳机,使用者在防雾霾的同时也能享受到动听的音乐,在通话时也可以有更好的通话质量。另外为口罩专配有长度较短的高品质耳机从而解决了耳机线缠绕带来的烦恼。整个系统均安装在口罩右外侧,在右外侧开了一个2 cm2的小口并将风扇嵌入密闭,由于尽量采用较小的器件,减少不必要的配件,最后将整个系统安装在口罩上后,并不会影响到使用者的舒适度。
 
1.2 系统设计的可行性对比分析
与当前流行的口罩相比,该智能口罩在以下两个方面具有明显的优势:一是具有风扇支持的空气循环系统,可以给用户更舒适的体验;二是具有蓝牙功能,可以支持蓝牙接听电话和播放音乐,可以给用户更全面的实用体验。文献[1]采用了防雾霾面罩,同时也有风扇循环口罩内空气,但并未整合蓝牙,不能接听电话和播放音乐。文献[2]结构复杂,生产成本过高。
 
2 硬件电路设计
 
2.1 C8051F020介绍
C8051F020的内部电路包括CIP-51微控制器内核及RAM、ROM、I/O口、定时/计数器、ADC、DAC、SPI和SMBus等部件,即把计算机的基本组成单元以及模拟和数字外设集成在一个芯片上,构成一个完整的片上系统。虽然其与80C51在指令系统上完全一样,但是其在运行速度、I/O端口配置方式、内部功能和外部接口上都有着很大程度的改进和提高,从而广泛应用于工业控制、数据采集、网络通信等领域[3]。
 
2.2 蓝牙控制模块
蓝牙控制模块电路图如图2所示。蓝牙控制模块主要由蓝牙芯片、音频输出部分和音频获取部分组成。蓝牙芯片选用BEKEN的BK8000L芯片[4-5],该块芯片不仅具有成本低、性价比高的优点,还为蓝牙模块提供了更高品质的音乐和兼容性。该芯片的蓝牙规格为Bluetooth2.0。出于耳机功率放大的考虑,选用了TPA6132芯片,该芯片为一款立体声耳机放大器。其特点是无需使用外部直流阻隔电容器,拥有卓越的低频保真度,并能抑制喀哒/噼啪噪声。为了能识别蓝牙连接状态,设计了一蓝一红两个LED(D2、D3),当两灯交替闪烁时表示蓝牙未连接并正在尝试连接,当蓝牙已连接时,蓝灯慢闪。S6-S10为蓝牙的控制按键,在播放音乐时分别控制音乐的上一曲、下一曲、音量增、音量减、播放与暂停功能;来电时由播放与暂停键负责接听功能,并由播放与接听键负责语音监听的开启。C13-C25起到隔绝直流噪声的作用。耳机功放电路如图3所示。
 
2.3 风扇、按键及LED
口罩右部嵌有微型风扇,采用+5 V驱动。此风扇用户将使用者呼出的废气排出,起到清新空气的作用。PCB主控板内具有5个按键与2个LED。所有的按键及LED都集成在PCB主控板上,其中有5个按键位于蓝牙控制模块,分别为上一曲、下一曲、音量增、音量减和暂停/接通[6],其中暂停按键兼具接通键和语音监听,会自动根据场景选择不同功能。其余5个用于单片机的控制,最后4个作为PCB主控板的外围控件,用于以后的功能扩展。一个LED灯作为系统启动指示灯,在通电开启时保持常亮。此LED指示PCB主控板是否工作,为了降低功耗,另外两个LED灯(一蓝一红)作为连接蓝牙芯片指示灯,在蓝牙未连接(即搜索状态)时两灯交替闪烁,当蓝牙连接上时转换为一个蓝灯慢闪烁。将常亮的蓝牙指示灯变为闪烁式的指示灯可以有效地减少能源的消耗。
 
2.4 电源模块
智能口罩的电源模块负责风扇的驱动和PCB主控板的电源供给,电源模块采用+5 V的直流电源,在向PCB主控板供电时,为了尽可能减少功耗,一是通过降低电压可以成平方级别地降低电能消耗,所以采用AMS111芯片将+5 V转变为+3.3 V,该芯片输出电流为100 mA;二是可以进行手动控制风扇的开启与关闭,减少电能消耗;三是将蓝牙连接状态指示灯设计成慢闪形式,摒弃长亮模式从而减少功耗。以上三点均为低功耗设计。考虑到口罩需要频繁使用,在电源模块内有USB接口的充电模块,能够为口罩提供续航。5 V转3.3 V电源转换电路如图4所示。
 
3 系统软件设计
PCB主控板软件流程图如图5所示,PCB主控板开启后,首先进行晶振初始化、引脚初始化和串口初始化与使能。之后程序进入循环,对按键的触发做出响应,当有按键按下时,会对按键进行识别,当识别为语音按键时,系统会先发送SPP数传开启指令给移动端开启数据传输,之后若有数据从移动端通过蓝牙发送过来,蓝牙会将数据通过串口发送给单片机,此时会引起串口中断,串口中断时会引起程序中断并执行串口中断子程序[7]。该程序会将发送过来的数据以字节的形式全部接收并保存,退出子程序后会继续主程序的执行,主程序将保存的数据进行解析,通过解析提取里面的有用信息,若有用信息有与之对应的指令,则执行指令完成语音控制;当识别为风扇控制按键时,按键按下会把控制开关倒置达到控制风扇开闭的效果。
 
4 实验验证
在系统完成后,进行了一系列的实验验证。完成后的口罩如图6所示。分别对通风情况、蓝牙连接情况、音乐播放效果和麦克风通信等功能进行了验证。实验结果表明:使用者对通风效果给予了高度评价,蓝牙连接的成功率非常高,只需一次手动连接,之后便可以自动连接且不会发生连接中断的情况,移动端音乐播放后使用者可以通过耳机听到高品质的音乐,用户体验较好。最后验证了蓝牙连接下的通话质量,结果表明此系统完全支持正常的通话。
 
5 结论
本文设计了一种防雾霾的智能口罩。该系统由移动端、PCB主控板、风扇、麦克风、电源和耳机等部件组成。本文给出了整体结构图,并对该系统的硬件电路设计和软件设计等难点进行了必要的阐述说明,在硬件中选择了易于调试的CF8051F020单片机模块和BK8000L蓝牙芯片。该智能口罩一方面可以有效地防止雾霾,并排出呼出的废气给使用者更舒适的新风体验;另一方面可实现更加可靠的通话指令和更舒适的音乐享受。本系统因其基本脱离了对手部的过分依赖,适合于很多场景,例如手脚不便的残障人士、正在驾驶的快递人员等,因此具有较好的实用性。