智能化手機支架設(shè)計

尤超慧，李茂恩，王 寧，韋 穎

（安徽三聯(lián)學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引言

隨著手機、平板、電腦的普及應(yīng)用,智能化支架成為人們滿足個人娛樂方面的必需品,市場上出現(xiàn)各種類型的手機支架。 從2009 年的初次面市,2010 年爆發(fā)了支架模型,2011 年磁吸式,2017 年重力式,手機支架的種類多樣,外形、顏色絢麗,已不再僅作為置放手機的一個工具。

目前,市面上出現(xiàn)了各種品牌的手機支架,例如:意大利的智能化支架Sospendo,洛克的車載式智能化支架,綠聯(lián)的床頭、桌面壁掛式智能化支架,倍思的掛脖腰式、桌面、指環(huán)式支架。

據(jù)調(diào)查顯示,消費者對于具有照明、充電、可伸展、藍牙音箱等功能的智能化支架更加青睞。 目前,市場上的支架,很多適用范圍單一,種類少,不便于攜帶,支撐點少。 針對消費者的需求,本文設(shè)計了一款可伸展智能化支架,既可以將電子產(chǎn)品固定在支架上,還可以實現(xiàn)照明、磁式充電、紅外線測距、語音識別等功能,同時擴大了適用范圍,能用于平板和部分電腦,符合消費者的要求,具有很大的市場前景。

1 智能化支架的方案設(shè)計

1.1 手機的無線充電設(shè)計

本設(shè)計采用了兩種充電方式:第一種是有線充電,這種充電方式便于用戶在產(chǎn)品附近有電源的情況下使用。 第二種是無線充電,具有兩種提供充電的形式,一是電磁感應(yīng)無線充電,通過一個供無線充電板和產(chǎn)品上感應(yīng)磁鐵之間產(chǎn)生的感應(yīng)磁通量,將磁力轉(zhuǎn)換成電力,進行電流的傳輸,這種充電方式所要求的電路結(jié)構(gòu)簡單,而且成本也低,適用于近距離無線充電；二是無線供電方式,采用的是磁場共振式充電,原理是兩方諧振器產(chǎn)生一個磁場共振,通過磁力轉(zhuǎn)化成電力,從而進行充電,這種方式需要連接的兩方在同一個頻率上有震動感,既能充電,也適用于中遠距離充電［1-2］。

1.2 紅外測距儀

根據(jù)調(diào)查,電子產(chǎn)品距離眼睛的最佳距離是40 ～50 cm,本設(shè)備設(shè)計的紅外測距范圍是10～80 cm。 當眼睛離屏幕太近時,會自動報警。

如圖1 所示,紅外對管U2 的紅外發(fā)射管對外發(fā)出紅外線,紅外接收管接收紅外線。 接收管與電阻R2 串聯(lián),兩者對+5V 分壓后,輸給電壓比較器U1 的第3 腳,即同相輸入端IN1+。 接收管接收到的紅外線越多,其分壓獲得的電壓越小,電阻R2 分壓獲得的電壓越多。

圖1 PCB 原理

電壓比較器U1 的型號為LM393,內(nèi)部有兩個比較器。 U1 的第2 腳接到電阻R3,調(diào)整R3,可以改變反向輸入端IN1-的電壓值,從而調(diào)整檢測物體距離遠近的閥值［3］。

1.3 屏幕亮度自動調(diào)節(jié)的測試

在支架的弧形底座中安裝光源感應(yīng)器,系統(tǒng)會將光源感應(yīng)器接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號,在硬件系統(tǒng)中,設(shè)置光源強度的不同區(qū)間值,當感光強度的值位于某個區(qū)間的時候,屏幕亮度為該區(qū)間對應(yīng)的值,改變電子設(shè)備屏幕的亮度,給用戶帶來最佳的視覺效果,從而達到省電的目的。

1.4 感應(yīng)模塊的設(shè)計

感應(yīng)模塊采用了熱釋電紅外傳感器(見圖2）,由傳感探測元、干涉濾光片和場效應(yīng)管匹配器三部分組成。 將高熱電材料制成一定厚度的薄片,并在兩面鍍上金屬電極,對其加電進行極化。 在使用時,當使用者進入模塊感應(yīng)范圍內(nèi)時,輸出感應(yīng)脈沖信號會直接驅(qū)動LED 指示燈,可以直接用電池供電,達到照明效果［4］。

圖2 熱釋電紅外傳感器

1.5 語音識別模塊

語音識別模塊采用SR160X 為核心的嵌入式語音識別系統(tǒng),主要包括麥克風輸入電路,ADC,DAC,功放輸出電路和各種通信電路。

由一個16 位結(jié)構(gòu)的微控制器,把MCU,A/D,D/A,RAM,ROM 集成在一個芯片里,具有很強的集成度。還有較高運算速度的乘法語音和內(nèi)積運算的指令,CPU 最高可以達到時鐘的49MHz,還具有12 位的ADC和14 位的DAC,可以處理復(fù)雜的數(shù)字信息,保證音頻的準確性,同時安裝了自動增益控制的麥克風輸入方式,可以更加方便地處理語音。

2 創(chuàng)新設(shè)計與功能

2.1 支架與夾口材料

整體上是落地伸縮型的支架,夾口采用萬向頭模式進行左右移動,從而實現(xiàn)固定平板、手機等電子產(chǎn)品,夾口底部增加了無線充電設(shè)計,電子產(chǎn)品固定后,可以進行自動充電。 底座采用直徑為30 cm 的加厚金屬,增加穩(wěn)定性。 該支架伸縮范圍在20 ～80 cm,可以用于桌面上、床頭邊、私家車等。 在底座采夾口部位采用優(yōu)質(zhì)硅膠墊,防止放置過程中損傷電子產(chǎn)品。 支架的彎管處采用碳素鋼制造,夾頭采用調(diào)節(jié)桿結(jié)構(gòu),且調(diào)節(jié)力度均勻,穩(wěn)定性強,避免手機滑動,內(nèi)含高端硅膠防滑加固墊,不易脫落,柔韌性鎂鋁合金材質(zhì),選用高密度纖維皮材質(zhì),升級雙臂調(diào)節(jié)設(shè)計,前臂易調(diào)節(jié),后臂底座加固支撐不晃動,夾口可360°旋轉(zhuǎn),滿足用戶的各種姿勢。 更寬的夾口,兼容各種常見機型和平板電腦,用戶可以根據(jù)自行需要,按照自己的意愿調(diào)整智能化支架［5］。

2.2 金屬萬向頭

采用金屬萬向頭,如圖3 所示,可以實現(xiàn)360°無死角旋轉(zhuǎn),與萬向頭連接的夾口底部放置無線充電線圈和紅外線測距芯片。 該設(shè)計可以實現(xiàn)邊使用邊充電的目的,還可以調(diào)節(jié)觀看角度與距離,從而達到保護眼睛,減少頸椎壓力的目的,采用金屬材質(zhì),增加支撐點的穩(wěn)定性,更好地固定電子設(shè)備。

圖3 金屬萬向頭

2.3 熱釋電紅外傳感器

熱釋電傳感器由濾光片、熱釋電探測元和前置放大器組成。

熱釋電探測元是熱釋電傳感器的核心元件,它是在熱釋電晶體的兩面鍍上金屬電極后,加電極化制成,相當于一個以熱釋電晶體為電介質(zhì)的平板電容器。 當它受到非恒定強度的紅外光照射時,產(chǎn)生的溫度變化導(dǎo)致其表面電極的電荷密度發(fā)生變化,從而產(chǎn)生熱釋電電流。

熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)遠高于熱電偶,內(nèi)部的熱電元由高熱點系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞瓷磚、鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成,其極化隨溫度的變化而變化。 同時,為了抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾,該傳感器在工藝上將兩個特征一致的熱電元反向串聯(lián)后接成差動平衡電動方式,因而能非接觸式檢測出物體放出的紅外線能量變化并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出。 這種設(shè)計可以有效防止用戶在使用電子設(shè)備時距離過近,損壞眼睛。

2.4 嵌入式語音識別系統(tǒng)

語音識別硬件系統(tǒng),采用語音識別芯片。 對于嵌入式系統(tǒng)而言,語音識別的硬件考慮因素很多,由于成本的限制,一般會采用DSP,但算法的復(fù)雜度受到了限制。 本產(chǎn)品設(shè)計,需要高度集成的硬件DSP,最終選用基于SR160X 的嵌入式語音識別系統(tǒng)。

SR160X 的嵌入式語音識別系統(tǒng),具有體積小、集成度高、可靠性好的特點,還具有低功耗、低電壓的特點,有較強的中斷處理能力,高性能的價格比,高效率的指令系統(tǒng)。 本設(shè)計可以實現(xiàn)將用戶的語音轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可識別的語言,用戶可以更好地使用并調(diào)整設(shè)備。

2.5 光源感應(yīng)器

光線感應(yīng)器是由投光器及受光器兩部分組成,利用投光器將光線由透光鏡聚焦,傳輸?shù)绞芄馄魍哥R,最終到接收感應(yīng)器。 當感應(yīng)器接到光信號變成的電信號,此時電信號可進一步做出各種不同的開關(guān)及控制動作。 其原理為,對投光器、受光器間的光線做了遮蔽動作所獲得的信號加以運用,以完成各種自動化控制。這一設(shè)計可以更好地根據(jù)環(huán)境光線的強弱來控制電子設(shè)備的屏幕亮度強弱。

3 結(jié)語

根據(jù)市場調(diào)查,以及針對不同群體的線下問卷調(diào)查,了解到用戶對于更加智能化支架的需求性極高。本文的智能化支架在原有的基礎(chǔ)上加以創(chuàng)新,增加了語音識別模塊、屏幕光線調(diào)節(jié)模塊、紅外線測距儀、感應(yīng)模塊等,更好地滿足了用戶語音轉(zhuǎn)換文字、保護視力、照明、解放雙手等需求。

本設(shè)計智能化支架的創(chuàng)新,在現(xiàn)有市場上具有很大的競爭力,不僅滿足消費者的外貌美觀需要,更注重于產(chǎn)品的功能性和便攜性,為消費者在學(xué)習、工作或生活上提供更多的便利。