基于单片机的人体睡眠监控提醒系统设计

孙丽丽 朱嘉杰

摘  要： 伴隨科技的迅猛发展，娱乐方式层出不穷，越来越多的人们由于沉迷手机、ipad等便携式终端带来的视觉冲击，而迟迟不肯入睡。部分产业工人由于机器设备使用特性，需要倒班;快递物流的实时性需要，使得司机通常需要夜里开车，白天睡觉，大部分人开始关注自身睡眠问题。特别是年轻人普遍存在无法正常睡眠的情况，睡眠时长不足会影响工作、学习效率及身体健康，而睡眠时间过长也会影响工作、学习进程。基于单片机的人体睡眠监控提醒系统可根据用户心率变化、周围光线强弱、人体运动情况对人体睡眠时长进行统计。当到达预设的睡眠时长实现蜂鸣器报警提醒，用户可通过按键模块预先设定睡眠时长，液晶显示屏显示用户的当前心率、睡眠时长统计及睡眠预设时长。本系统以单片机为控制核心芯片，实现人体睡眠监控和提醒功能。

关键词： 单片机;心率采集模块;震动传感器模块;光传感器模块;睡眠监控

中图分类号： TP274    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.064

本文著录格式：孙丽丽，朱嘉杰. 基于单片机的人体睡眠监控提醒系统设计[J]. 软件，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

睡眠是人类最基本的生理需求，在快节奏越来越快的现代社会生活中扮演着重要的角色。睡眠质量差会带来许多健康问题，如免疫力下降，消瘦，精神不佳等，甚至会提高高血压、心脏病等发病几率。生活节奏的加快导致生活压力越来越大，人们常常会遇到睡眠问题。特殊工种的产业工人和长途司机由于工作的连续性，通常在夜晚不能进行正常睡眠。睡眠不足会造成学习工作效率的降低，也会带来身体健康和安全生产、运输等方面问题，如此恶性循环导致生活质量降低。改善睡眠质量是解决这个困境最有效的途径。优质的睡眠能带来充沛的精力，是保证身体健康的基础。为改善睡眠状况，监测人体睡眠生理信号和实时跟踪睡眠质量十分重要。近年来，监控睡眠已经成为很多研究机构和研究团队关注的内容[1-4]。

基于单片机的人体睡眠监控提醒系统设计对人体的睡眠质量和睡眠环境进行分析测量，对人体在睡眠时的生理活动和睡眠环境进行监控，将会给睡眠质量的改善和良好睡眠习惯的养成带来极大的帮助，对生活、学习和工作等人类社会活动起到积极促进作用。

1  系统总体方案设计

人体睡眠监控提醒系统系统以单片机为主控核心，包括六个模块：分别是心率传感器，震动传感器，光强度传感器，按键模块，液晶显示模块和蜂鸣器报警模块。心率传感器可测量用户的心率变化;震动传感器用于检测用戶的活动情况;光强度传感器用于检测环境光照情况;按键模块进行睡眠提醒时间设置，实际睡眠时间的清零等操作;液晶显示模块可以显示系统用户实际睡眠时间，预设睡眠时长，当前用户的心率值。人体睡眠监控提醒系统总体方案设计如图1所示。

2  系统的硬件设计

系统设计选用的51系列STC12C5A60S2单片机，该单片机指令代码完全兼容8051单片机，运算速度与普通型号8051系列单片机快8到10倍，功耗也更低，抗干扰能力也更强。同时，STC12C5A60S2多了两个定时器，且内置了8路10位AD，在系统设计时，不需要设计额外的AD电路，可以简化电路设计。

2.1  心率传感器模块

心率传感器具体采用的是Pulse Sensor，这款脉搏传感器功能强大，不仅可以检测心率，而且能准确地反映脉搏的波形。Pulse Sensor 直径仅16毫米，厚度1.6毫米，方便固定于耳垂和手指等部位，不会给人体带来不适感。Pulse Sensor采用光电容积法测量人体脉搏，采用能发射最长为515纳米光波的AM2520绿光发光二极管照射浅层皮肤，同时采用了型号为APDS- 9008的环境光感受器作为光接收器，可以反映浅层皮肤下血液流动的光波信息，经处理后可以转化为数字信号，传输给单片机。测得的脉搏信号频带较宽，容易测量。缺点是信号幅值小，极易受到其他信号的干扰。为解决信号干扰问题，光接收器后面使用滤波器来过滤干扰信号，用运放将信号进行放大。同时，该传感器还使用分压电阻将偏置电压设置为电源电压的一半，放大后的信号可以被单片机的AD电路采集到。电路板正面有光传感器，手指产生的汗液可能会导致短路，所以需要在光传感器那一面覆盖透明贴膜。电路板另一面布满了电子器件，遇到磕碰会发生损坏，遇到汗液也会发生短路，可以用热熔胶覆盖。由于Pulse Sensor脉搏传感器体积小巧，可以将其用质地柔软的轧带固定于任意一根手指上，不会影响正常睡眠。系统默认心率低于70BPM（Beat Per Minute）为睡眠状态，高于70BPM则判定用户已醒。心率判定标准可以通过修改程序来调整。

2.2  震动传感器模块

设计中采用SW-420常闭型震动传感器来检测人睡眠过程中的运动情况。SW-420震动传感器输出信号强度达到15 mA，驱动能力强。工作电压范围3.3 V至5 V。信号输出形式为数字信号，可直接与单片机相连，不需要AD转换。当人处于睡眠状态时，没有运动，不会产生震动，震动开关处于闭合导通的状态，电压比较器LM393的INB+端的电压小于INA-端电压，LM393输出端输出信号为低电平。当人从睡眠中苏醒或者中途起夜时，运动导致震动，传感器的震动开关断开，INB+端电压大于INA-端，信号输出端输出高电平，绿色指示灯不亮。SW-420输出信号为数字信号，接至单片机P3.5口。单片机可以通过检测P3.5口高低电平来判断是否震动。1秒内传感器检测到3次震动，系统即判定人已醒。SW-420震动传感器的电路图如图2所示。

2.3  光强度传感器模块

为测量睡眠环境的光照强度，本设计选用YL-38光敏电阻作为光传感器。该型传感器外观小巧，电路板尺寸为长32 mm，宽14 mm。由于板子上设有螺丝孔，方便固定在其他物体上。光敏电阻比较灵敏，测量范围很广。传感器在3.3 V至5 V电压范围内都可以工作，信号输出形式为数字信号，可直接与单片机相连。传感器的VCC接电源正极，可用电源电压为3.3 V至5 V。当电源指示LED亮起时，电源接通。传感器GND接电源负极，输出端与单片机P1.1口直接相连，单片机可以通过检测传感器的信号输出端电平高低电平来检测环境光的亮度改变。设定光线亮度阈值为50lux（勒克斯，1流明/平方米），当环境光亮度未达到设定的阈值时，光敏电阻的阻值很大，使电压比较器LM393的INB+端电压大于INA-端电压，电压比较器输出端输出高电平。当环境光线超过设定阈值时，光敏电阻的阻值很小，使电压比较器LM393的INB+端电压小于INA-端电压，电压比较器输出端输出低电平。夜晚熄灯后，环境光强度低于50 lux的阈值，传感器输出高电平。当环境光强度大于50 lux的阈值时，输出低电平。光传感器电路图如图3所示。

2.4  按键模块

本系统采用按键进行睡眠提醒时间设置，实际睡眠时间的清零等操作。本设计仅需要5个按键，且单片机空闲的IO接口较多，独立式键盘可满足本设计要求。5个按键的一端并联后接地，切换按键K1接单片机P1.2;减按键K2接单片机P1.7;加按鍵K3接单片机P1.3;清零按键K4接单片机P1.4;确认按键K5接单片机P1.5。按键没有按下时，上述单片机IO口电平为高电平，按下按键时为低电平。按键模块电路图如图4所示。

2.5  液晶显示模块

液晶显示屏是人机交互的设备，在本设计中占据重要地位。本设计中采用LCD1602作为显示设备。LCD1602优点较多，比如体积小、重量轻、功耗低、价格低廉等;LCD显示器能显示的内容种类丰富，如数字、符号、字母等。该型号的显示器的主控芯片是HD44780或者是其他兼容芯片。其芯片内置了129个常用字符的字模，存储在字符发生器中。此外，用户还能自己定义8个字符，存储于Character Generator ROM中。

2.6  蜂鸣器报警模块

本系统在到达预设睡眠时时，需要叫醒睡眠中的用户，以实现控制睡眠时长的功能。本设计采用蜂鸣器作为提醒的设备，当睡眠时间达到预设值时，单片机发送信号给蜂鸣器，实现声音报警功能。控制蜂鸣器工作的原理有两种，第一种为PWM输出直接驱动蜂鸣器，另一种为IO口翻转电平驱动。PWM驱动需要在程序初始化时根据系统晶振频率对输出波形进行设置，过程比较复杂，本设计采用翻转电平的方法。将蜂鸣器的电源输入正极接入电源正极，蜂鸣器的负极接S7050三极管的发射极，三极管的基极接470欧姆的电阻后接入单片机的P1.6口，三极管的集电极接地。当I/O口的输出电平为低电平时，蜂鸣器不鸣叫;当I/O口输出电压为高电压时，蜂鸣器鸣叫。蜂鸣器报警模块电路图如图5所示。

3  系统软件设计

单片机上电后自动按程序初始化，程序预设的预设睡眠时间为8小时30分钟，实际睡眠时长清零。按下切换按键选择预设时间的小时和分钟，按加减键设置需要的时长。晚上睡眠之前，固定好心率传感器，按下确定键，系统开始工作。此时系统开始检测环境光强度，心率和人体运动情况。一般情况下，当环境环境光低于50 lux，心率较低于70 BPM，身体基本不会运动或者不会持续运动时，判定用户进入睡眠状态。程序预设当测得用户心率高于70 BPM，震动传感器1秒内检测到震动达到3次及3次以上时，系统判定用户处于清醒状态，暂停睡眠计时。如果想继续睡眠，按下确认就可使系统继续工作，满足系统对睡眠的判定条件，就能继续计时。当实际睡眠时间到达系统预设的睡眠时间，停止计时，蜂鸣器持续鸣叫，直至叫醒正在睡眠的用户，用户清醒后按下清零键即可关闭蜂鸣器。在下一次使用该系统之前，按下清零键即可清零上次实际睡眠时间。系统软件流程图如图6所示。

4  结语

本设计对人体睡眠情况作为研究对象，综合考虑人体睡眠时心率，人体运动和周边环境因素，统计人体睡眠时长。当睡眠时长达到预设时长时进行蜂鸣器报警。睡眠的预设时长可以由用户自行更改和确定。本设计具有携带方便，精确度高，实现方便等特点，有较好的实际应用前景。

参考文献

[1]闫剑. 铁路司乘人员睡眠监测系统的研究[D]. 北京： 北京交通大学， 2015.

[2]高明星. 基于嵌入式睡眠监测平台的研究[D]. 西安： 陕西科技大学， 2012.

[3]吕超. 基于嵌入式技术实现人体睡眠控制功能的智能系统设计[J]. 科技风， 2019， 11： 5.