基于單片機的人體睡眠監(jiān)控提醒系統(tǒng)設(shè)計

孫麗麗 朱嘉杰

摘? 要： 伴隨科技的迅猛發(fā)展，娛樂方式層出不窮，越來越多的人們由于沉迷手機、ipad等便攜式終端帶來的視覺沖擊，而遲遲不肯入睡。部分產(chǎn)業(yè)工人由于機器設(shè)備使用特性，需要倒班;快遞物流的實時性需要，使得司機通常需要夜里開車，白天睡覺，大部分人開始關(guān)注自身睡眠問題。特別是年輕人普遍存在無法正常睡眠的情況，睡眠時長不足會影響工作、學(xué)習(xí)效率及身體健康，而睡眠時間過長也會影響工作、學(xué)習(xí)進(jìn)程。基于單片機的人體睡眠監(jiān)控提醒系統(tǒng)可根據(jù)用戶心率變化、周圍光線強弱、人體運動情況對人體睡眠時長進(jìn)行統(tǒng)計。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)設(shè)的睡眠時長實現(xiàn)蜂鳴器報警提醒，用戶可通過按鍵模塊預(yù)先設(shè)定睡眠時長，液晶顯示屏顯示用戶的當(dāng)前心率、睡眠時長統(tǒng)計及睡眠預(yù)設(shè)時長。本系統(tǒng)以單片機為控制核心芯片，實現(xiàn)人體睡眠監(jiān)控和提醒功能。

關(guān)鍵詞： 單片機;心率采集模塊;震動傳感器模塊;光傳感器模塊;睡眠監(jiān)控

中圖分類號： TP274? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.064

本文著錄格式：孫麗麗，朱嘉杰. 基于單片機的人體睡眠監(jiān)控提醒系統(tǒng)設(shè)計[J]. 軟件，2020，41（10）：253255

【Abstract】： With the rapid development of science and technology， peoples living standards continue to be improved， and there are endless ways of entertainment. Many people indulge in the visual feasts from the intelligent terminals such as mobiles phones and ipads， and reluctant to fall in sleep. Owing to the continuous characteristics of production equipment， some industrial workers need to work in shifts. The real-time performance demands in express service company need the drivers transport the deliveries at night and fall asleep during the day. Most people start to pay attention to their sleep qualities. Especially young people are generally unable to sleep normally. Insufficient sleep duration will affect work efficiency and physical health. Too long sleep duration will affect work progress. Sleeping activity monitoring devices on the market are emerging in an endless stream， but these main devices only have a monitoring function， and do not have a reminder function. This human sleep monitoring and reminding system can count the duration of human sleep according to the change of user's heart rate， the surrounding light intensity， and the movement of the human body. The user can set the sleep duration through the buttons， and the LCD screen displays the users heart rate， the actual sleep duration and the preset sleep reminder duration. During sleep， the user's heart rate exceeds 85BPM （Beat Per Minute） or the vibration sensor detects 3 vibrations within 1 second. The system determines that the person has been awake and will pause the timing. When the sleep state is entered again， the system continues to count. This system uses a single-chip microcomputer as the core control chip， and selects Pulse sensor heart rate sensor， SW-420 vibration sensor， YL-38 light sensor， etc. as the system's sensors to collect physiological activity parameters and environmental parameters during sleep. The display module displays heart rate， actual sleep time and preset sleep reminder time to realize human sleep monitoring and reminder functions.

【Key words】： Single chip microcomputer; Heart rate sensor; Shock sensor; Light sensor; Display screen; Sleep monitoring

0? 引言

睡眠是人類最基本的生理需求，在快節(jié)奏越來越快的現(xiàn)代社會生活中扮演著重要的角色。睡眠質(zhì)量差會帶來許多健康問題，如免疫力下降，消瘦，精神不佳等，甚至?xí)岣吒哐獕骸⑿呐K病等發(fā)病幾率。生活節(jié)奏的加快導(dǎo)致生活壓力越來越大，人們常常會遇到睡眠問題。特殊工種的產(chǎn)業(yè)工人和長途司機由于工作的連續(xù)性，通常在夜晚不能進(jìn)行正常睡眠。睡眠不足會造成學(xué)習(xí)工作效率的降低，也會帶來身體健康和安全生產(chǎn)、運輸?shù)确矫鎲栴}，如此惡性循環(huán)導(dǎo)致生活質(zhì)量降低。改善睡眠質(zhì)量是解決這個困境最有效的途徑。優(yōu)質(zhì)的睡眠能帶來充沛的精力，是保證身體健康的基礎(chǔ)。為改善睡眠狀況，監(jiān)測人體睡眠生理信號和實時跟蹤睡眠質(zhì)量十分重要。近年來，監(jiān)控睡眠已經(jīng)成為很多研究機構(gòu)和研究團(tuán)隊關(guān)注的內(nèi)容[1-4]。

基于單片機的人體睡眠監(jiān)控提醒系統(tǒng)設(shè)計對人體的睡眠質(zhì)量和睡眠環(huán)境進(jìn)行分析測量，對人體在睡眠時的生理活動和睡眠環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，將會給睡眠質(zhì)量的改善和良好睡眠習(xí)慣的養(yǎng)成帶來極大的幫助，對生活、學(xué)習(xí)和工作等人類社會活動起到積極促進(jìn)作用。

1? 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

人體睡眠監(jiān)控提醒系統(tǒng)系統(tǒng)以單片機為主控核心，包括六個模塊：分別是心率傳感器，震動傳感器，光強度傳感器，按鍵模塊，液晶顯示模塊和蜂鳴器報警模塊。心率傳感器可測量用戶的心率變化;震動傳感器用于檢測用戶的活動情況;光強度傳感器用于檢測環(huán)境光照情況;按鍵模塊進(jìn)行睡眠提醒時間設(shè)置，實際睡眠時間的清零等操作;液晶顯示模塊可以顯示系統(tǒng)用戶實際睡眠時間，預(yù)設(shè)睡眠時長，當(dāng)前用戶的心率值。人體睡眠監(jiān)控提醒系統(tǒng)總體方案設(shè)計如圖1所示。

2? 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計選用的51系列STC12C5A60S2單片機，該單片機指令代碼完全兼容8051單片機，運算速度與普通型號8051系列單片機快8到10倍，功耗也更低，抗干擾能力也更強。同時，STC12C5A60S2多了兩個定時器，且內(nèi)置了8路10位AD，在系統(tǒng)設(shè)計時，不需要設(shè)計額外的AD電路，可以簡化電路設(shè)計。

2.1? 心率傳感器模塊

心率傳感器具體采用的是Pulse Sensor，這款脈搏傳感器功能強大，不僅可以檢測心率，而且能準(zhǔn)確地反映脈搏的波形。Pulse Sensor 直徑僅16毫米，厚度1.6毫米，方便固定于耳垂和手指等部位，不會給人體帶來不適感。Pulse Sensor采用光電容積法測量人體脈搏，采用能發(fā)射最長為515納米光波的AM2520綠光發(fā)光二極管照射淺層皮膚，同時采用了型號為APDS- 9008的環(huán)境光感受器作為光接收器，可以反映淺層皮膚下血液流動的光波信息，經(jīng)處理后可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，傳輸給單片機。測得的脈搏信號頻帶較寬，容易測量。缺點是信號幅值小，極易受到其他信號的干擾。為解決信號干擾問題，光接收器后面使用濾波器來過濾干擾信號，用運放將信號進(jìn)行放大。同時，該傳感器還使用分壓電阻將偏置電壓設(shè)置為電源電壓的一半，放大后的信號可以被單片機的AD電路采集到。電路板正面有光傳感器，手指產(chǎn)生的汗液可能會導(dǎo)致短路，所以需要在光傳感器那一面覆蓋透明貼膜。電路板另一面布滿了電子器件，遇到磕碰會發(fā)生損壞，遇到汗液也會發(fā)生短路，可以用熱熔膠覆蓋。由于Pulse Sensor脈搏傳感器體積小巧，可以將其用質(zhì)地柔軟的軋帶固定于任意一根手指上，不會影響正常睡眠。系統(tǒng)默認(rèn)心率低于70BPM（Beat Per Minute）為睡眠狀態(tài)，高于70BPM則判定用戶已醒。心率判定標(biāo)準(zhǔn)可以通過修改程序來調(diào)整。

2.2? 震動傳感器模塊

設(shè)計中采用SW-420常閉型震動傳感器來檢測人睡眠過程中的運動情況。SW-420震動傳感器輸出信號強度達(dá)到15 mA，驅(qū)動能力強。工作電壓范圍3.3 V至5 V。信號輸出形式為數(shù)字信號，可直接與單片機相連，不需要AD轉(zhuǎn)換。當(dāng)人處于睡眠狀態(tài)時，沒有運動，不會產(chǎn)生震動，震動開關(guān)處于閉合導(dǎo)通的狀態(tài)，電壓比較器LM393的INB+端的電壓小于INA-端電壓，LM393輸出端輸出信號為低電平。當(dāng)人從睡眠中蘇醒或者中途起夜時，運動導(dǎo)致震動，傳感器的震動開關(guān)斷開，INB+端電壓大于INA-端，信號輸出端輸出高電平，綠色指示燈不亮。SW-420輸出信號為數(shù)字信號，接至單片機P3.5口。單片機可以通過檢測P3.5口高低電平來判斷是否震動。1秒內(nèi)傳感器檢測到3次震動，系統(tǒng)即判定人已醒。SW-420震動傳感器的電路圖如圖2所示。

2.3? 光強度傳感器模塊

為測量睡眠環(huán)境的光照強度，本設(shè)計選用YL-38光敏電阻作為光傳感器。該型傳感器外觀小巧，電路板尺寸為長32 mm，寬14 mm。由于板子上設(shè)有螺絲孔，方便固定在其他物體上。光敏電阻比較靈敏，測量范圍很廣。傳感器在3.3 V至5 V電壓范圍內(nèi)都可以工作，信號輸出形式為數(shù)字信號，可直接與單片機相連。傳感器的VCC接電源正極，可用電源電壓為3.3 V至5 V。當(dāng)電源指示LED亮起時，電源接通。傳感器GND接電源負(fù)極，輸出端與單片機P1.1口直接相連，單片機可以通過檢測傳感器的信號輸出端電平高低電平來檢測環(huán)境光的亮度改變。設(shè)定光線亮度閾值為50lux（勒克斯，1流明/平方米），當(dāng)環(huán)境光亮度未達(dá)到設(shè)定的閾值時，光敏電阻的阻值很大，使電壓比較器LM393的INB+端電壓大于INA-端電壓，電壓比較器輸出端輸出高電平。當(dāng)環(huán)境光線超過設(shè)定閾值時，光敏電阻的阻值很小，使電壓比較器LM393的INB+端電壓小于INA-端電壓，電壓比較器輸出端輸出低電平。夜晚熄燈后，環(huán)境光強度低于50 lux的閾值，傳感器輸出高電平。當(dāng)環(huán)境光強度大于50 lux的閾值時，輸出低電平。光傳感器電路圖如圖3所示。

2.4? 按鍵模塊

本系統(tǒng)采用按鍵進(jìn)行睡眠提醒時間設(shè)置，實際睡眠時間的清零等操作。本設(shè)計僅需要5個按鍵，且單片機空閑的IO接口較多，獨立式鍵盤可滿足本設(shè)計要求。5個按鍵的一端并聯(lián)后接地，切換按鍵K1接單片機P1.2;減按鍵K2接單片機P1.7;加按鍵K3接單片機P1.3;清零按鍵K4接單片機P1.4;確認(rèn)按鍵K5接單片機P1.5。按鍵沒有按下時，上述單片機IO口電平為高電平，按下按鍵時為低電平。按鍵模塊電路圖如圖4所示。

2.5? 液晶顯示模塊

液晶顯示屏是人機交互的設(shè)備，在本設(shè)計中占據(jù)重要地位。本設(shè)計中采用LCD1602作為顯示設(shè)備。LCD1602優(yōu)點較多，比如體積小、重量輕、功耗低、價格低廉等;LCD顯示器能顯示的內(nèi)容種類豐富，如數(shù)字、符號、字母等。該型號的顯示器的主控芯片是HD44780或者是其他兼容芯片。其芯片內(nèi)置了129個常用字符的字模，存儲在字符發(fā)生器中。此外，用戶還能自己定義8個字符，存儲于Character Generator ROM中。

2.6? 蜂鳴器報警模塊

本系統(tǒng)在到達(dá)預(yù)設(shè)睡眠時時，需要叫醒睡眠中的用戶，以實現(xiàn)控制睡眠時長的功能。本設(shè)計采用蜂鳴器作為提醒的設(shè)備，當(dāng)睡眠時間達(dá)到預(yù)設(shè)值時，單片機發(fā)送信號給蜂鳴器，實現(xiàn)聲音報警功能。控制蜂鳴器工作的原理有兩種，第一種為PWM輸出直接驅(qū)動蜂鳴器，另一種為IO口翻轉(zhuǎn)電平驅(qū)動。PWM驅(qū)動需要在程序初始化時根據(jù)系統(tǒng)晶振頻率對輸出波形進(jìn)行設(shè)置，過程比較復(fù)雜，本設(shè)計采用翻轉(zhuǎn)電平的方法。將蜂鳴器的電源輸入正極接入電源正極，蜂鳴器的負(fù)極接S7050三極管的發(fā)射極，三極管的基極接470歐姆的電阻后接入單片機的P1.6口，三極管的集電極接地。當(dāng)I/O口的輸出電平為低電平時，蜂鳴器不鳴叫;當(dāng)I/O口輸出電壓為高電壓時，蜂鳴器鳴叫。蜂鳴器報警模塊電路圖如圖5所示。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

單片機上電后自動按程序初始化，程序預(yù)設(shè)的預(yù)設(shè)睡眠時間為8小時30分鐘，實際睡眠時長清零。按下切換按鍵選擇預(yù)設(shè)時間的小時和分鐘，按加減鍵設(shè)置需要的時長。晚上睡眠之前，固定好心率傳感器，按下確定鍵，系統(tǒng)開始工作。此時系統(tǒng)開始檢測環(huán)境光強度，心率和人體運動情況。一般情況下，當(dāng)環(huán)境環(huán)境光低于50 lux，心率較低于70 BPM，身體基本不會運動或者不會持續(xù)運動時，判定用戶進(jìn)入睡眠狀態(tài)。程序預(yù)設(shè)當(dāng)測得用戶心率高于70 BPM，震動傳感器1秒內(nèi)檢測到震動達(dá)到3次及3次以上時，系統(tǒng)判定用戶處于清醒狀態(tài)，暫停睡眠計時。如果想繼續(xù)睡眠，按下確認(rèn)就可使系統(tǒng)繼續(xù)工作，滿足系統(tǒng)對睡眠的判定條件，就能繼續(xù)計時。當(dāng)實際睡眠時間到達(dá)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的睡眠時間，停止計時，蜂鳴器持續(xù)鳴叫，直至叫醒正在睡眠的用戶，用戶清醒后按下清零鍵即可關(guān)閉蜂鳴器。在下一次使用該系統(tǒng)之前，按下清零鍵即可清零上次實際睡眠時間。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

4? 結(jié)語

本設(shè)計對人體睡眠情況作為研究對象，綜合考慮人體睡眠時心率，人體運動和周邊環(huán)境因素，統(tǒng)計人體睡眠時長。當(dāng)睡眠時長達(dá)到預(yù)設(shè)時長時進(jìn)行蜂鳴器報警。睡眠的預(yù)設(shè)時長可以由用戶自行更改和確定。本設(shè)計具有攜帶方便，精確度高，實現(xiàn)方便等特點，有較好的實際應(yīng)用前景。

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