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一、定向闹钟的设计开发背景
随着生活节奏的加快和生活压力的增大，睡眠时间正在逐渐减少，起床难成为了人们的共识，因此闹钟成了人们日常生活中必不可少的唤醒工具。现有闹钟虽然种类众多，但关闭方式单一且简单，容易被使用者随手关闭而没有达到唤醒的作用。此外，在集体生活中，例如大学宿舍，每个人的作息规律和生活习惯不同，闹钟的铃声可能会干扰室友的睡眠，导致一些不可避免的矛盾和冲突。
二、闹钟设计方案
针对现有闹钟设计的不足，我们设计了一种基于定向音箱的智能闹钟。智能闹钟包括手机闹钟设置软件、路由器、定向音箱闹钟本体和红外传感器。具体设计达到了以下要求：（1）将定向音箱应用到闹钟上，使闹铃声音只定向传播到使用者，而不干扰周围其他人群的正常工作与休息。（2）采用红外传感器与闹钟相结合的方式，只有当使用者通过红外传感器时闹铃才能终止，避免使用者随手关闭闹铃继续睡觉的现象发生，真正起到了有效唤醒使用者起床的目的。（3）可通过手机闹钟设置软件对闹铃时间进行设置，并具有时间校准功能，界面操作方便友好，符合智能家居的新时尚。（4）采用可充电电池组和与外部电源直接连接用电的双模式，供使用者自由选择，同时也避免了在突然断电的情况下闹钟不能工的情况发生。
2.1 闹钟本体设计
闹钟本体由 WiFi 模块、单片机模块、电池检测模块、控制系统电源模块、12V 电池组、实时时钟模块、定向音箱电源模块、储存器、继电器控制模块和蓝牙模块组成。
（1）定向音箱：目前市面上已有利用声音定向传播技术的定向音箱，并且在博物馆、图书馆等场所有一定的普及。声音定向传播技术是一种可使声音像光束一样在一定方向传播的技术，原理是将声频信号转换为调幅超声波信号，通过超声换能器发射到空气中，基于空气在声音传播过程中的非线性作用，超声波信号之间相互作用和自调节还原出原声频信号，产生出了具有高指向性的声波，使得只有在声音传播方向上的人才可以听到。
（2）单片机：作为一种集成在芯片上的微型计算机，对整个系统的数据进行处理。
（3）WiFi 模块：与单片机模块电性连接，通过无线网络连接路由器，实现手机闹钟设置软件对单片机模块的时间设置和向手机闹钟设置软件反馈 12V 电池组电量的功能。
（4）电池检测模块：与单片机模块和 12V 电池组电性连接，检测 12V 电池组的电池电量，并将检测结果输出到单片机模块；单片机模块将检测结果与程序预先的设定值进行比较，当设定值大于检测结果时，判断电源电池电量过低，将电源电量过低的信号通过 WiFi 模块反馈到手机闹钟设置软件，提醒使用者更换电池或充电。
（5）控制系统电源模块：由降压电路和恒压控制器构成，具有降压与稳压功能。降压电路将 12V 电池组的电压降为 5V；恒压控制器为控制模块提供稳定的 5V 电压直流电。
（6）12V 电池组：采用 12V 可充电电池组，为定向音箱闹钟本体提供电能，可连接配套的电源适配器为电池组充电，也可直接更换电池组。
（7）实时时钟模块：与单片机控制模块电性连接。手机的标准时间信息通过 WiFi 模块输出给单片机模块进行信息处理，从而使实时时钟模块得到一个与手机同步的标准时间，达到实时时钟模块为整个系统提供标准时间信息的目的。
（8）定向音箱电源模块：由恒压控制器组成，与 12V电池组直接连接，为定向音箱提供电路保护和稳定的 12V 直流电。
（9）存储器：与单片机控制模块电性连接，能存放音乐文件，提供定向音箱更多音乐文件的存储空间。
（10）继电器控制模块：由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等构成，与单片机模块电性连接。当单片机模块所设定时间与实时时钟模块提供的时间一致时，在线圈两端加上一定的电压，产生电流通过线圈，产生电磁效应，电磁力吸引衔铁，使其克服弹簧的拉力吸向铁芯，使定向音箱开始工作，定向播放闹铃声音。当蓝牙模块接收到来自红外传感器的信号后输出给单片机模块，根据单片机模块的闹铃终止程序，线圈两端电压消失，没有电流通过线圈，电磁效应消失，衔铁失去电磁力后就会在弹簧的作用下返回原来的位置，定向音箱的电源电路断开，定向音箱闹铃声音关闭。
2.2 红外传感器设计
外传感器由电源转换模块、外部电源、充电管理模块、充电电池模块、蓝牙模块和单片机模块组成。
（1）电源转换模块：电连接外部电源，将通入的 220V交流电转变为 5V 直流电，以达到保证红外传感器的正常运行的目的。
（2）充电管理模块：防止电池因为过度放电、过度充电、温度异常等状况出现，以保证电池的性能和安全。
（3）充电电池模块：电连接充电管理模块，由 3.7V 充电电池和升压电路组成。升压电路使充电电池电压从 3.7V升至为 5V，以达到保证红外传感器正常运行的目的。
（4）蓝牙模块：电性连接单片机模块。一旦使用者经过红外探测器，使用者自身散发的红外线热辐射会升高探测元件温度，把热辐射转换成电信号，将电信号输出给单片机模块，按照闹铃终止程序将该信号通过蓝牙模块传输给定向音箱闹钟本体，从而关闭闹铃。
最近有研究人士在互联网上对大学生进行了问卷调查，有 89.29%的人表示受到过室友闹钟的影响，其中 46.43% 的人表示经常受到影响，更有 16% 的人因为闹钟声音而和室友发生矛盾。基于定向音箱的智能闹钟，可以有效地平衡“早起”和“室友关系”之间的矛盾，有着较大的市场需求。
