人体睡眠质量监测仪设计
随着经济的发展以及人们生活水平的提高，快节奏的生活方式愈发明显，导致许多年轻人处于亚健康状态中，一个良好的休息环境，同时保持优质的睡眠对于我们提高生活质量至关重要。通过良好的睡眠能够让身体的各项机能正常排毒修复，然而良好的睡眠质量不仅与睡眠时间长短有关，而且与卧室环境的客观条件有关，温度、湿度、氧含量、二氧化碳含量是影响人类睡眠结构的四个关键因数，可见睡眠环境是决定良好睡眠的先决条件。
本监测仪控制芯片采用单片机实现，通过单片机对温度、湿度、氧含量和二氧化碳浓度进行数据的采集、显示和存储，利用了各模块传感器协同工作，实现了对睡眠环境的动态监测。本课题的研究方向是睡眠环境监测的功能化与智能化，在系统设计中兼顾了用户更多的需求，引入了时钟模块、无线传输模块、上位机通讯模块，通过PC机界面的设计，实现数据通过单片机发送到PC机上进行数据处理、存储、打印等功能。
关键词 睡眠环境，单片机，传感器，数据采集
目 录
1 绪论 1
1．1 课题研究的背景与意义 1
1．2 课题在国内外发展状况 2
1．3 课题的主要研究内容 2
1．4 本章小结 3
2 基于单片机的睡眠环境监测系统的总体设计 3
2．1 总体设计概述 3
2．2 设计工具介绍 4
2．3 软件设计简介 5
2．4 本章小结 6
3 系统硬件电路的设计 6
3．1 单片机系统及外围电路 7
3．2 显示模块设计 9
3．3 键盘输入模块设计 11
3．4 DS1302时钟模块设计 12
3．5 CC2530模块 13
3．6 环境检 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
测模块 13
3．7 本章小结 14
4 系统总体软件设计 15
4．1 时钟模块子程序 16
4．2 按键模块子程序 17
4．3 LCD1602显示模块 18
4．4 DHT11模块 20
4．5 本章小结 22
5 系统调试 22
5．1 原理图电气规则检查 22
5．2 硬件电路的制作和调试 23
5．3 本章小结 25
6 软件仿真 25
6．1 睡眠监测仪客户端仿真 25
6．2 温湿度DHT11仿真 27
6．3 程序仿真 28
6．4 本章小结 28
结 论 29 致 谢 30
参 考 文 献 31
附录 A：原理图 33
附录 B：主程序 34
1 绪论
1．1 课题研究的背景与意义
伴着科技的进步以及人民生活质量的提升，人民愈来愈关注睡眠质量的好坏，对睡眠的探究因此就显得更为有意义。作为人类的生理功能，睡眠和我们的身心健康密切相关，亦是恢复心理、生理功能的重要环节，还能改善人体功能和巩固记忆。睡觉的时间占人的寿命的1/3，良好的睡眠可以恢复人的体力和能量。睡眠在我们生活的许多方面起着尤为重要的影响，例如：思维转换速度、情绪状态、工作效率甚至寿命等。
有研究显示，睡眠质量差会导致情绪低落、记忆力衰退以及其他心理障碍问题。一个成年人要想保持良好的机体功能状态和旺盛的精力，必须保证每天具有充足的睡眠时间和优质的睡眠质量，这样我们的工作和学习效率也会得到保障。较差的睡眠质量，会对身体产生不良的影响，身体各部分机能不能正常排毒与运转，难以恢复身体的疲劳。一个人如果能拥有优质的睡眠质量便能从休息过程中恢复机体活力、激发自身的抗氧化酶活性、获得更好的新陈代谢同时也可以高效的清除体内的自由基、修复淋巴免疫细胞等好处[1]。
因此，要想保证睡眠质量，确保身心健康，良好的睡眠环境显得尤为重要。本次课题主要研究睡眠环境对睡眠质量的影响，主要监测环境的温湿度、氧容量、二氧化碳含量对睡眠质量的影响。“身体置在24摄氏度的环境，或略低于它可以帮助睡眠”，印度睡眠专家在亚洲睡眠会议上如是说到。我们可以通过空调、暖气或加湿器等维持湿度在60%-70%的范围内，湿度在这一范围最适宜人的休息。氧含量对睡眠质量也有重要意义，美国某网站提到，“寝室的空气质量差，亦能对生长和发育造成干扰”[2]。这是因为氧气能促进营养的吸收，刺激机体的消化。另外，过密的睡眠环境会导致室内二氧化碳含量、细菌总数显著增加，也影响睡眠质量，因此建议卧室密度在人均4平方米以上[3]。由此可见，温度、湿度、氧含量、二氧化碳含量这四个参数对睡眠的重要性。
1．2 课题在国内外发展状况
目前，市面上用于监测睡眠质量的产品主要集中于监测心脏呼吸、神经生理、睡眠阶段等参数，而忽略了对睡眠影响至关重要的外部因素——睡眠环境的监测。只集中于监测内部因素分析对身体的影响，显得很片面，没有足够的说服力。
鲜有的考虑到环境因素影响的，在实际应用中多存在以下两点不足之处：（1）环境监测设备大多数在某一时间内只能对一个环境因素进行监测，如只是监测温度高低或仅对湿度进行监测。（2）监测精度不够高
既然是睡眠质量检测仪，就应该外部、内部因素都考虑到，既能监测睡眠质量又能监测到环境情况，这样才能全面的监测外部以及内部因素对睡眠的影响，从而得知对健康的影响，及时采取措施保证健康。
1．3 课题的主要研究内容
本课题主要使用了STC89C52RC MCU当做整个系统的指挥中心。传感器部分分别通过感应温湿度、氧气和二氧化碳浓度，输出电平信号，然后经单片机处理，实现传感器信号的采集、显示、储存等功能[4]。该系统设计集中检测睡眠环境信息，能实时检测多个受控制的点，每隔一个小时对传感器读取数据，用LCD液晶显示屏显示出相应信息，并把睡眠时8个整点的数据存储在EPROM中，通过无线通讯可以把存储的数据打印出来方便与医生进行交流，实现了智能定时读取、存储与显示，实现8次数据的可提取。 概括为：
（1）采用温湿度传感器、氧含量传感器以及二氧化碳传感器进行温湿度、氧含量、二氧化碳含量的测量；
（2）把采集的数据通过A/D转换，利用单片机对获取的数据进行存储，记录下0点到7点半之间8个睡眠时点的数据，同时利用LCD显示采集的温湿度、氧含量、二氧化碳含量以及实时时钟；
（3）单片机的预留端口接打印机，利用无线通信把采集的数据通过打印机绘制成图表。
本课题主要解决以下几个问题：
一．单片机对传感器的数据采集的速度和精度,
二．采集到的8组数据的存储,
三．单片机与下位机、打印机的通讯问题。
1．4 本章小结
本章首先简述了睡眠环境监测的背景与意义，强调了良好的睡眠质量与优质的睡眠环境对人体健康的影响，同时也介绍了睡眠环境中温湿度、氧含量、二氧化碳含量的重要性。
其次阐述了国内外此研究领域的一些不足之处，突出了本设计中监测睡眠环境的意义。
最后介绍了本设计的研究内容，重点介绍了以单片机为核心的传感器对数据的采集与处理，以及实现的功能。还提出了本课题需要解决的问题。
2 基于单片机的睡眠环境监测系统的总体设计
2．1 总体设计概述
2.键盘模块的设计：通过编写程序实现对年、月、日、时、分、秒的设置以及调增、调减。
3.LCD1602显示与字库的设计：通过编写程序实现对时间、温湿度、氧含量以及二氧化碳含量的显示。
系统复位键
1 绪论 1
1．1 课题研究的背景与意义 1
1．2 课题在国内外发展状况 2
1．3 课题的主要研究内容 2
1．4 本章小结 3
2 基于单片机的睡眠环境监测系统的总体设计 3
2．1 总体设计概述 3
2．2 设计工具介绍 4
2．3 软件设计简介 5
2．4 本章小结 6
3 系统硬件电路的设计 6
3．1 单片机系统及外围电路 7
3．2 显示模块设计 9
3．3 键盘输入模块设计 11
3．4 DS1302时钟模块设计 12
3．5 CC2530模块 13
3．6 环境检 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
测模块 13
3．7 本章小结 14
4 系统总体软件设计 15
4．1 时钟模块子程序 16
4．2 按键模块子程序 17
4．3 LCD1602显示模块 18
4．4 DHT11模块 20
4．5 本章小结 22
5 系统调试 22
5．1 原理图电气规则检查 22
5．2 硬件电路的制作和调试 23
5．3 本章小结 25
6 软件仿真 25
6．1 睡眠监测仪客户端仿真 25
6．2 温湿度DHT11仿真 27
6．3 程序仿真 28
6．4 本章小结 28
结 论 29 致 谢 30
参 考 文 献 31
附录 A：原理图 33
附录 B：主程序 34
1 绪论
1．1 课题研究的背景与意义
伴着科技的进步以及人民生活质量的提升，人民愈来愈关注睡眠质量的好坏，对睡眠的探究因此就显得更为有意义。作为人类的生理功能，睡眠和我们的身心健康密切相关，亦是恢复心理、生理功能的重要环节，还能改善人体功能和巩固记忆。睡觉的时间占人的寿命的1/3，良好的睡眠可以恢复人的体力和能量。睡眠在我们生活的许多方面起着尤为重要的影响，例如：思维转换速度、情绪状态、工作效率甚至寿命等。
有研究显示，睡眠质量差会导致情绪低落、记忆力衰退以及其他心理障碍问题。一个成年人要想保持良好的机体功能状态和旺盛的精力，必须保证每天具有充足的睡眠时间和优质的睡眠质量，这样我们的工作和学习效率也会得到保障。较差的睡眠质量，会对身体产生不良的影响，身体各部分机能不能正常排毒与运转，难以恢复身体的疲劳。一个人如果能拥有优质的睡眠质量便能从休息过程中恢复机体活力、激发自身的抗氧化酶活性、获得更好的新陈代谢同时也可以高效的清除体内的自由基、修复淋巴免疫细胞等好处[1]。
因此，要想保证睡眠质量，确保身心健康，良好的睡眠环境显得尤为重要。本次课题主要研究睡眠环境对睡眠质量的影响，主要监测环境的温湿度、氧容量、二氧化碳含量对睡眠质量的影响。“身体置在24摄氏度的环境，或略低于它可以帮助睡眠”，印度睡眠专家在亚洲睡眠会议上如是说到。我们可以通过空调、暖气或加湿器等维持湿度在60%-70%的范围内，湿度在这一范围最适宜人的休息。氧含量对睡眠质量也有重要意义，美国某网站提到，“寝室的空气质量差，亦能对生长和发育造成干扰”[2]。这是因为氧气能促进营养的吸收，刺激机体的消化。另外，过密的睡眠环境会导致室内二氧化碳含量、细菌总数显著增加，也影响睡眠质量，因此建议卧室密度在人均4平方米以上[3]。由此可见，温度、湿度、氧含量、二氧化碳含量这四个参数对睡眠的重要性。
1．2 课题在国内外发展状况
目前，市面上用于监测睡眠质量的产品主要集中于监测心脏呼吸、神经生理、睡眠阶段等参数，而忽略了对睡眠影响至关重要的外部因素——睡眠环境的监测。只集中于监测内部因素分析对身体的影响，显得很片面，没有足够的说服力。
鲜有的考虑到环境因素影响的，在实际应用中多存在以下两点不足之处：（1）环境监测设备大多数在某一时间内只能对一个环境因素进行监测，如只是监测温度高低或仅对湿度进行监测。（2）监测精度不够高
既然是睡眠质量检测仪，就应该外部、内部因素都考虑到，既能监测睡眠质量又能监测到环境情况，这样才能全面的监测外部以及内部因素对睡眠的影响，从而得知对健康的影响，及时采取措施保证健康。
1．3 课题的主要研究内容
本课题主要使用了STC89C52RC MCU当做整个系统的指挥中心。传感器部分分别通过感应温湿度、氧气和二氧化碳浓度，输出电平信号，然后经单片机处理，实现传感器信号的采集、显示、储存等功能[4]。该系统设计集中检测睡眠环境信息，能实时检测多个受控制的点，每隔一个小时对传感器读取数据，用LCD液晶显示屏显示出相应信息，并把睡眠时8个整点的数据存储在EPROM中，通过无线通讯可以把存储的数据打印出来方便与医生进行交流，实现了智能定时读取、存储与显示，实现8次数据的可提取。 概括为：
（1）采用温湿度传感器、氧含量传感器以及二氧化碳传感器进行温湿度、氧含量、二氧化碳含量的测量；
（2）把采集的数据通过A/D转换，利用单片机对获取的数据进行存储，记录下0点到7点半之间8个睡眠时点的数据，同时利用LCD显示采集的温湿度、氧含量、二氧化碳含量以及实时时钟；
（3）单片机的预留端口接打印机，利用无线通信把采集的数据通过打印机绘制成图表。
本课题主要解决以下几个问题：
一．单片机对传感器的数据采集的速度和精度,
二．采集到的8组数据的存储,
三．单片机与下位机、打印机的通讯问题。
1．4 本章小结
本章首先简述了睡眠环境监测的背景与意义，强调了良好的睡眠质量与优质的睡眠环境对人体健康的影响，同时也介绍了睡眠环境中温湿度、氧含量、二氧化碳含量的重要性。
其次阐述了国内外此研究领域的一些不足之处，突出了本设计中监测睡眠环境的意义。
最后介绍了本设计的研究内容，重点介绍了以单片机为核心的传感器对数据的采集与处理，以及实现的功能。还提出了本课题需要解决的问题。
2 基于单片机的睡眠环境监测系统的总体设计
2．1 总体设计概述
2.键盘模块的设计：通过编写程序实现对年、月、日、时、分、秒的设置以及调增、调减。
3.LCD1602显示与字库的设计：通过编写程序实现对时间、温湿度、氧含量以及二氧化碳含量的显示。
系统复位键
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