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。部分產業(yè)工人由于機器設備使用特性，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、學習效率及身體健康，而睡眠時間過長也會影響工作、學習進程?；趩纹瑱C的人體睡眠監(jiān)控提醒系統可根據用戶心率變化、周圍光線強弱、人體運動情況對人體睡眠時長進行統計。當到達預設的睡眠時長實現蜂鳴器報警提醒，用戶可通過按鍵模塊預先設定睡眠時長，液晶顯示屏顯示用戶的當前心率、睡眠時長統計及睡眠預設時長。本系統以單片機為控制核心芯片，實現人體睡眠監(jiān)控和提醒功能。

關鍵詞： 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? ? 文獻標識碼： 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)控提醒系統設計[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)奏越來越快的現代社會生活中扮演著重要的角色。睡眠質量差會帶來許多健康問題，如免疫力下降，消瘦，精神不佳等，甚至會提高高血壓、心臟病等發(fā)病幾率。生活節(jié)奏的加快導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，通常在夜晚不能進行正常睡眠。睡眠不足會造成學習工作效率的降低，也會帶來身體健康和安全生產、運輸等方面問題，如此惡性循環(huán)導致生活質量降低。改善睡眠質量是解決這個困境最有效的途徑。優(yōu)質的睡眠能帶來充沛的精力，是保證身體健康的基礎。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量十分重要。近年來，監(jiān)控睡眠已經成為很多研究機構和研究團隊關注的內容[1-4]。

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

1? 系統總體方案設計

人體睡眠監(jiān)控提醒系統系統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;按鍵模塊進行睡眠提醒時間設置，實際睡眠時間的清零等操作;液晶顯示模塊可以顯示系統用戶實際睡眠時間，預設睡眠時長，當前用戶的心率值。人體睡眠監(jiān)控提醒系統總體方案設計如圖1所示。

2? 系統的硬件設計

系統設計選用的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，且內置了8路10位AD，在系統設計時，不需要設計額外的AD電路，可以簡化電路設計。

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，經處理后可以轉化為數字信號，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，用運放將信號進行放大。同時，該傳感器還使用分壓電阻將偏置電壓設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，手指產生的汗液可能會導致短路，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。系統默認心率低于70BPM（Beat Per Minute）為睡眠狀態(tài)，高于70BPM則判定用戶已醒。心率判定標準可以通過修改程序來調整。

2.2? 震動傳感器模塊

設計中采用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到15 mA，驅動能力強。工作電壓范圍3.3 V至5 V。信號輸出形式為數字信號，可直接與單片機相連，不需要AD轉換。當人處于睡眠狀態(tài)時，沒有運動，不會產生震動，震動開關處于閉合導通的狀態(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。當人從睡眠中蘇醒或者中途起夜時，運動導致震動，傳感器的震動開關斷開，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秒內傳感器檢測到3次震動，系統即判定人已醒。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電壓范圍內都可以工作，信號輸出形式為數字信號，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。當電源指示LED亮起時，電源接通。傳感器GND接電源負極，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。設定光線亮度閾值為50lux（勒克斯，1流明/平方米），當環(huán)境光亮度未達到設定的閾值時，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。當環(huán)境光線超過設定閾值時，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

本系統采用按鍵進行睡眠提醒時間設置，實際睡眠時間的清零等操作。本設計僅需要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計要求。5個按鍵的一端并聯后接地，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備，在本設計中占據重要地位。本設計中采用LCD1602作為顯示設備。LCD1602優(yōu)點較多，比如體積小、重量輕、功耗低、價格低廉等;LCD顯示器能顯示的內容種類豐富，如數字、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

本系統在到達預設睡眠時時，需要叫醒睡眠中的用戶，以實現控制睡眠時長的功能。本設計采用蜂鳴器作為提醒的設備，當睡眠時間達到預設值時，單片機發(fā)送信號給蜂鳴器，實現聲音報警功能?？刂品澍Q器工作的原理有兩種，第一種為PWM輸出直接驅動蜂鳴器，另一種為IO口翻轉電平驅動。PWM驅動需要在程序初始化時根據系統晶振頻率對輸出波形進行設置，過程比較復雜，本設計采用翻轉電平的方法。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I/O口的輸出電平為低電平時，蜂鳴器不鳴叫;當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? 系統軟件設計

單片機上電后自動按程序初始化，程序預設的預設睡眠時間為8小時30分鐘，實際睡眠時長清零。按下切換按鍵選擇預設時間的小時和分鐘，按加減鍵設置需要的時長。晚上睡眠之前，固定好心率傳感器，按下確定鍵，系統開始工作。此時系統開始檢測環(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，判定用戶進入睡眠狀態(tài)。程序預設當測得用戶心率高于70 BPM，震動傳感器1秒內檢測到震動達到3次及3次以上時，系統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，按下確認就可使系統繼續(xù)工作，滿足系統對睡眠的判定條件，就能繼續(xù)計時。當實際睡眠時間到達系統預設的睡眠時間，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閉蜂鳴器。在下一次使用該系統之前，按下清零鍵即可清零上次實際睡眠時間。系統軟件流程圖如圖6所示。

4? 結語

本設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，統計人體睡眠時長。當睡眠時長達到預設時長時進行蜂鳴器報警。睡眠的預設時長可以由用戶自行更改和確定。本設計具有攜帶方便，精確度高，實現方便等特點，有較好的實際應用前景。

參考文獻

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