基于STM32F407的四重感覺人體自然喚醒儀器設(shè)計(jì)

葛聽雨 薛文彬 吳興強(qiáng) 謝逸

摘要：現(xiàn)代生活不可避免的需要在清晨用鬧鐘來喚醒忙碌的工作者，而睡眠質(zhì)量是關(guān)于人的身體健康的重要問題。傳統(tǒng)的喚醒儀器，如普通鬧鐘，在鬧鈴工作的時(shí)候難以恰巧遇到被喚醒者的淺睡眠周期，而人在深度睡眠中，如果受到外界突然且強(qiáng)烈的聲音、光線等刺激，被喚醒的同時(shí)往往會(huì)對人體造成一定的危害，產(chǎn)生不良的影響。針對傳統(tǒng)鬧鐘的以上缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了四重感覺人體自然喚醒儀器人體喚醒儀器，該儀器能以一種溫和方式來喚醒人體，滿足了人們?nèi)粘Ｐ枨蟆?/p>

關(guān)鍵詞：睡眠;喚醒儀器;微控制單元

中圖分類號：TH89 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0176-02

1 設(shè)計(jì)背景與意義

現(xiàn)代忙碌的生活不可避免的需要在早上用鬧鐘來喚醒沉睡的人們，睡眠質(zhì)量是關(guān)乎人類身體健康的重要問題，而被尖銳的鬧鐘鈴聲（如今更多人選擇用手機(jī)作為鬧鐘的替代品）驚醒則會(huì)對人們身體造成不良影響[1]，同時(shí)由于現(xiàn)階段空氣質(zhì)量的高低不一，在不同程度上影響人體睡眠[2]。本文針對于目前社會(huì)人群晨起蘇醒質(zhì)量的不足，設(shè)計(jì)了一個(gè)小型喚醒儀器，該儀器融合聲源、風(fēng)扇，以及噴霧器等裝置，可提供聽覺、視覺、嗅覺和觸感四重感知，能夠讓人們在清晨從深度睡眠中舒適的蘇醒來[3]。該儀器可降低人類由于突然被驚醒而對身體造成的負(fù)面影響，代替?zhèn)鹘y(tǒng)鬧鐘[4]有廣闊的應(yīng)用前景。

2 四重感知人體喚醒儀器設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案

四重感知喚醒儀器主要由電源模塊、主控模塊、音效模塊（壓電式蜂鳴器）、光源顯示模塊以及噴霧（含香薰物質(zhì)）模塊、等組成。主控模塊控制核心芯片，選用基于ARM Cortex-M4的STM32F407芯片，該芯片自帶高精度時(shí)鐘，可通過編寫的程序完成系統(tǒng)延時(shí)、管腳控制以及PWM信號輸出，配合支持處理器運(yùn)行的外圍電路實(shí)現(xiàn)對四重感知喚醒儀器系統(tǒng)的綜合管理和對外設(shè)的控制。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

本儀器包含光源顯示模塊，音效模塊，噴霧模塊，其中為了實(shí)現(xiàn)視覺的刺激效果，設(shè)計(jì)以漸變燈為原型，仿照自然光，通過微控制元件控制其光線強(qiáng)度及頻閃次，完成視覺傳感外設(shè);為了實(shí)現(xiàn)聽覺外設(shè)，以壓電式蜂鳴器為原型，通過芯片管腳PF8輸出的PWM波完成聲音的觸發(fā)，完成聽覺傳感外設(shè);考慮到人的感知是多方面組成，且對觸覺尤為敏感，從喚醒儀器的實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)以風(fēng)扇為原型，配合混有一定香味精油的水霧裝置，完成觸覺及嗅覺傳感外設(shè)。運(yùn)用STM32F407自帶的16位重裝載計(jì)數(shù)器，完成喚醒儀器的精準(zhǔn)定時(shí)。本儀器以STM32F407的MCU作為控制器，控制上述四個(gè)外設(shè)的工作進(jìn)程和工作狀態(tài)，四個(gè)外設(shè)同時(shí)工作，可使被喚醒者舒適的完成由深度睡眠到淺度睡眠再到蘇醒的過程。

2.2.1 SysTick定時(shí)器模塊

SysTick定時(shí)器也被稱為SysTick滴答定時(shí)器，它以Cortex-M4內(nèi)核的外設(shè)，被嵌入在中斷控制器中，具有24位向下遞減的定時(shí)器，計(jì)數(shù)一次所需要時(shí)間為1/SYSTICK（SYSTICK被稱為系統(tǒng)定時(shí)器時(shí)鐘），可以直接取自系統(tǒng)時(shí)鐘，也可通過系統(tǒng)時(shí)鐘8分頻后獲取。當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)到0時(shí)，將從LOAD寄存器中自動(dòng)重裝定時(shí)器初值，重新向下遞減計(jì)數(shù)，如此循環(huán)往復(fù)。如果開啟SysTick中斷，則當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)到0時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號。因此根據(jù)計(jì)數(shù)的次數(shù)就可準(zhǔn)確得到該定時(shí)器的延時(shí)時(shí)間。

對SysTick定時(shí)器的操作可以分為以下4個(gè)步驟：

（1）設(shè)置SysTick定時(shí)器的時(shí)鐘源。

（2）設(shè)置SysTick定時(shí)器的重裝初始值（如果要使用中斷，則需要將中斷使能打開）。

（3）清零SysTick定時(shí)器當(dāng)前計(jì)數(shù)器的值。

（4）打開SysTick定時(shí)器。

2.2.2 壓電式蜂鳴器模塊

本論文所設(shè)計(jì)器件使用的是壓電式蜂鳴器模擬鬧鐘響鈴。通過改變單片機(jī)引腳輸出波形的頻率，就可調(diào)整控制蜂鳴器音調(diào)，產(chǎn)生各種不同音色、音調(diào)的聲音。改變輸出電平的高低電平占空比，則可以控制蜂鳴器的聲音大小。與蜂鳴器連接的是STM32F407的PF8管腳，使用PWM波控制，使之產(chǎn)生聲音從高到低循環(huán)往復(fù)的效果。

PWM是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法，該方法使用高分辨率計(jì)數(shù)器，調(diào)制方波的占空比來對一個(gè)具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼，但PWM 信號仍然是數(shù)字的。電壓或電流源信號是以一種通或斷的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去，通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候，PWM波產(chǎn)生，進(jìn)行有效靈活地控制[6]聲音。

本論文所設(shè)計(jì)儀器使用的是STM32F4的TIM13定時(shí)器作為通用定時(shí)器，通用定時(shí)器能同時(shí)產(chǎn)生多達(dá)4路的PWM輸出，本設(shè)計(jì)使用的是2路輸出。

2.2.3 噴霧器件模塊

噴霧器件，其是靠內(nèi)部振動(dòng)來制造水霧的，選用的是超聲波霧化噴霧器，是靠內(nèi)部超聲波使得水霧化[7]，因聲波的振動(dòng)頻率十分高，故所產(chǎn)生的霧氣很小。同時(shí)噴霧器件的啟動(dòng)電壓為5V，且STM32F407開發(fā)板管腳所提供的輸出電壓不足，可外接大功率MOS管作為開關(guān)，以輸出5V的控制電壓。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

本儀器使用匯編語言將底層程序封裝為各個(gè)程序結(jié)構(gòu)模塊，使用C語言完成子模塊及主模塊的程序編寫。軟件流程如圖2所示，主函數(shù)負(fù)責(zé)向各個(gè)硬件部分發(fā)送啟動(dòng)子函數(shù)命令，子函數(shù)啟動(dòng)相應(yīng)的模塊。通過圖2可以看出，該儀器由光源采集模塊和時(shí)間源模塊函數(shù)來判定環(huán)境條件，滿足條件后再由主函數(shù)操控子函數(shù)，來啟動(dòng)噴霧器器件模塊的函數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)

本儀器實(shí)物完成后，啟動(dòng)本儀器，一旦本儀器滿足預(yù)設(shè)的時(shí)間值，則控制芯片會(huì)發(fā)出命令，控制引腳9發(fā)出高電平，實(shí)現(xiàn)燈光閃爍，同時(shí)與之連接的超聲波噴霧器模塊會(huì)開始工作，完成觸覺以及視覺的刺激，引腳10發(fā)出PWM波，通過控制占空比和頻率來實(shí)現(xiàn)聲音漸變的效果。

4 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的基于STM32f407的四重感覺人體自然喚醒儀器，是通過M一款MCU控制各外設(shè)組成了一個(gè)完整的定時(shí)儀器?？紤]到傳統(tǒng)鬧鐘等劇烈且單一化的喚醒方式，本設(shè)計(jì)采用除味覺以外的剩余四種感觸方式，以達(dá)到多元化的目的。且都是以漸變過程，以達(dá)到溫和的效果，高效地將人體喚醒[5]。同時(shí)考慮到人體的差異性，本儀器可被用戶設(shè)置成不同的工作模式，滿足不同人群的需要。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭曉妮，易淑明，陳燁，劉麗波，朱有蔥，何麗亞.?？漆t(yī)學(xué)生手機(jī)依賴與睡眠質(zhì)量的調(diào)查研究[J].衛(wèi)生職業(yè)教育，2019，37（08）：124-126.

[2] 佚名.空氣污染影響睡眠效率[J].養(yǎng)豬，2019（02）：96.

[3] 吳瑞智，李歡敏，屈俊青，王超，袁新棟.智能家用喚醒系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電腦知識與技術(shù)，2018，14（04）：158-160.

[4] 鬧鐘應(yīng)該這么玩兒[J].商業(yè)文化，2017（07）：90.

[5] 郭進(jìn)，彭惠東，劉浩，殷文峰.一種基于STC89C52單片機(jī)的智能鬧鐘的設(shè)計(jì)[J].中國科技信息，2013（11）：160-161.

[6] 吳東洋，宿寧，張正勇.基于STM32輸出指定個(gè)數(shù)PWM波的實(shí)現(xiàn)和性能分析[J].儀表技術(shù)，2018（07）：10-13.

[7] 佚名.RW100型超聲波霧化器的設(shè)計(jì)[J].今日電子，2018（08）：55-56+59.