单片机开发|基于单片机的婴儿睡眠监测系统设计

简介: 单片机开发|基于单片机的婴儿睡眠监测系统设计

前言:

婴儿一天中的大多数时间都处于睡眠状态,如何对婴儿进行睡眠监测、及时安抚婴儿,以及如何解决婴儿的尿湿问题,这些都是新妈妈们最关心的问题。大部分的家庭都会选择方便的纸尿裤,但是纸尿裤不仅价格昂贵,而且吸水性很强,如果不及时更换,很可能会长出红疹等皮肤疾病,对婴儿的身体也是有威胁的;婴儿醒了就会大哭,家长没有及时的听见,造成婴儿很长一段时间没有人照料。所以,为婴儿设计一个适合婴儿的睡眠监测系统,对于新手家长来说是很有帮助的。本论文采用STC89C52单片机为核心,采用声控、语音播报、湿度采集电路采集各种场景的数据,并通过 LED灯光、语音播报等方式来实现对幼儿进行实时监测。

一,环境介绍

语言环境:C语言开发

 

开发技术:51单片机;声音控制电路;语音播报;湿度采集;液晶显示

二,项目简介

睡眠是人体的一个重要的生理过程,其质量的高低直接关系到人体的健康。在医学上,人们对睡眠的结构和过程的认识,主要是通过多导睡眠记录仪和多通道睡眠描记法来实现。具体来说,就是使用脑电图(EEG)来监测睡眠者的脑波,来预测睡眠状况。但是,由于医疗器械和技术都以医院、科研院所为主,其普及程度受到高昂的费用限制。近年来,随着传感技术的飞速发展,微型探测器的研制也在不断地进步。目前,最常见的是使用体动记录仪进行监测,通常使用三个方向的传感器来获取人体各个部分的动作,如 Fitbit、 JawboneUP、 WakeMate、 YawnLog等都是目前市场上使用的一种便携式智能手机。分析软件可以根据采集到的信息,对人体的能量消耗、睡眠质量、唤醒时间、睡眠效率等进行分析。

与此同时,一大批以智能手机为基础的睡眠管理软件(SleepAsAndroid、 Sleep Cycle),通过调用智能硬件中的加速传感器,对睡眠行为进行记录,从而达到了只需使用智能硬件就能够监测睡眠质量的目的。然而,这种类型的传感器仍然有一些缺陷,如:行为识别不清楚,错误识别率高。

现在的社会,工作压力越来越大,女人要同时兼顾工作与家庭,特别是刚做母亲的,要照顾婴儿,又要操持家务,这让新妈妈很是焦头烂额。婴儿一天中的大多数时间都是在睡觉,如何监测婴儿的睡眠,如何安抚婴儿,如何解决婴儿的尿湿问题,这些都是忙碌的新妈妈们所关心的问题。大部分的家庭都会选择用便携的纸尿裤,但是纸尿裤不仅价格昂贵,而且吸水性很强,如果不及时更换,很可能会引起婴儿的皮肤起疹子。纯棉纸尿裤既卫生又舒服,又要及时更换,目前市场上的尿液湿度测试设备大都是单一的,容易造成漏报。所以在婴儿睡觉的时候,要想知道婴儿有没有尿床,这对于新手家长来说也是非常重要的。

本论文主要针对以单片机为核心的婴儿睡眠监测系统进行了设计。当婴儿在睡眠中被监测,当婴儿被尿湿或者因为需要照料而哭泣时,就会发出警报。

首先,在参考了有关的数据之后,确定了整个方案和功能,并按照设计的要求,完成了电路的设计和硬件的构建,然后编写了单片机的控制软件,最后进行了实际的焊接和试验。

该系统主要包括:51单片机最小系统, LED指示灯,ULN2003驱动步进电机,功能按键,WT588D播放,声音采集模块,湿度检测, LCD显示当前信息和状况,声音传感器检测婴儿哭闹,湿度传感器检测婴儿尿床,检测尿床, LED灯亮,声音播报。具体是这样的:

1)查阅有关数据,了解51微处理器的基本原理;

2)了解51微处理器在婴儿睡眠监测中的应用;

3)完成了以单片机为核心的婴儿睡眠监测系统的电路设计;

4)用 C语言进行有关的控制;

5)对程序进行调试,使之符合设计要求;

6)焊接一块用于检测和分析婴儿睡眠监测系统的硬件电路;

7)完成毕业设计报告。

2.1 系统总体框图

此方案的整体设计方框图见图2-1。

图2-1 系统框图

图2-1是本系统的系统配置,从图中可以看出,它包括九个部件:

1)微处理器:

由于STC89C52是一种低功耗,高性能的COMS8位单片机,它的系统中有8 K的可编程 Flash内存。该系统以STC89C52系列微处理器为核心,根据采集到的数据进行相应的数据处理和控制。

2)声控电路:

本系统主要用于采集超过某一特定数值分贝的声音,以满足起动步进电动机的要求。

3)湿度度采集电路:

本电路主要完成对各温度的测量,并将其送至单片机进行处理。

4)语音采集电路:

该线路用于判断婴儿是否在哭泣。

5)步进电机:

此模块可实现婴儿床的晃动。

6)LED灯:

在这个系统中, LED灯会及时发光,可以让保姆们及时地照看婴儿,查看婴儿有没有尿床。

7)语音播报:

WT588D在这个系统中会自动报警,提醒保姆注意婴儿有没有尿床,并能及时的哄婴儿入睡。

8)LCD1602模块:

本系统采用杜邦线路与单片机连接,由单片机采集相关的信号,并将其传输至液晶显示器,以提高其亮度。

9)系统供电电路:为报警系统的工作提供稳定的直流稳压电源。

2.2 系统功能设计

在系统启动后,将会针对以下情况进行相应的处理:

1.每当婴儿号角哭泣时,电机由音响控制回路自动摇摆,语音模组会自动播放轻歌,以安抚婴儿的心情;

2.语音控制模块能够实时获取婴儿的哭闹情况;

3.每当儿童小便造成棉被湿时,由湿度传感器发出的信号触发自动警报,语音提示是否尿床, LED灯点亮;

4.采用ULN2003驱动步进电动机,在需要哄婴儿的时候,可以控制马达左右转动,让婴儿安静。

5.按键用于进行3种不同的设定,便于对各种情况进行快速的处理。

 

三,系统展示

整体展示

系统测试:湿度检测器检测到婴儿尿床会进行语音播报+LCD灯闪烁展示

 

四,核心代码展示

#include <reg52.h>       //调用单片机头文件
#include <intrins.h>
#include "lcd1602.h"
#include "StepMotor.h"
#define uchar unsigned char  //无符号字符型 宏定义 变量范围0~255
#define uint  unsigned int   //无符号整型 宏定义  变量范围0~65535
#include "WT588D.h"
//按键引脚定义
sbit KEY1 = P3^5;
sbit KEY2 = P3^6;
sbit KEY3 = P3^7;
sbit ShiDu = P1^0;//湿度传感器
sbit LED = P1^1;
sbit Voice = P1^2;//声音传感器
bit openFlag = 0;//电机开启标志 
bit Mode = 0;//0是自动模式,1是手动模式
uint DJ_TIME = 0;//电机开启时间
/*********************定时器1初始化******************/
void time_init()    
{
  TMOD |= 0X10;   
  TH1=0x4c;//50ms
  TL1=0x00;   
  ET1 = 1;
  TR1 = 1;//开启定时
  EA  = 1;      //开总中断
}
void keyscan()
{
    if(KEY1 == 0)//切换键按下
    {
        delay_ms(10);
        if(KEY1 == 0)
        {
            while(!KEY1);//等待按键松开
            Mode = !Mode;
            if(Mode==0)lcd_write_str(0, 1, "MODE: ZIDONG    ");     
            else lcd_write_str(0, 1, "MODE: SHOUDONG  "); 
            openFlag = 0;         
        }
    }
    if(Mode==1)//手动模式
    {
        if(KEY2 == 0)//手动开关键按下
        {
            delay_ms(10);
            if(KEY2 == 0)
            {
                while(!KEY2);
                openFlag = 1;
            }
        }
        if(KEY3 == 0)//手动开关键按下
        {
            delay_ms(10);
            if(KEY3 == 0)
            {
                while(!KEY3);
                openFlag = 0;
            }
        }
    }
}
void motoRotate()//电机处理
{
    static uint djcount=0;
    static bit flag = 0;
    if(flag == 0)
    {
        djcount++;
        if(djcount < 30)
        {
            MotorCW();//正转
        }
        else
        {
            if(djcount < 130)
            {
                MotorStop();//电机停止
            }
            else
            {
                flag = 1;
                djcount = 130;
            }
        }
    }
    else
    {
        djcount--;
        if(djcount > 100)
        {
            MotorCCW();//电机反转
        }
        else
        {
            if(djcount<=0){flag = 0;djcount=0;}
            MotorStop();//电机停止
        }
    }
}
void main()
{
    uint sy_count1 = 0;
    uint sy_count2 = 0;
    uint yuyin = 0;
    bit flag = 0;
    time_init();//定时器初始化
    lcd_init();//1602初始化
    lcd_write_str(0, 0, "STATE: CLOSE    ");
    lcd_write_str(0, 1, "MODE: ZIDONG    ");
    while(1)
    {
        keyscan();
        if(Mode == 0)//在自动模式下
        {
            if(Voice == 0)//检测到有声音
            {
                if(sy_count1++ > 10)//检测哭声是否延续
                {
                    DJ_TIME = 60;//电机开启时间1分钟
                    openFlag = 1;//电机开启
                    sy_count1 = 0;
                    if(ShiDu==0)Line_1A(1);//播报歌曲
                }
            }
            else
            {
                if(sy_count2++ > 200)
                {
                    sy_count2 = 0;
                    sy_count1 = 0;
                }
            }
        }
        if(ShiDu==1)//检测到尿不湿湿了
        {
            LED = 0;
            if(flag == 0)//只播报一次
            {
                flag = 1;
                Line_1A(0);//播报
                yuyin = 0;
            }
            if(flag==1)
            {
                if(yuyin++ > 400)
                {
                    yuyin = 0;
                    Line_1A(0);//播报
                }
            }
        }
        else
        {
            LED = 1;flag = 0;
        }
        if(openFlag==1)//电机开启
        {
            lcd_write_str(0, 0, "STATE: OPEN ");
            motoRotate(); 
        }else 
        {
            lcd_write_str(0, 0, "STATE: CLOSE");
            MotorStop();//电机关闭
        }
        delay_ms(1);
    }
}
void zd1() interrupt 3
{
    static uchar cnt1=0;
    TH1=0x4c;//50ms
    TL1=0x00; 
    if(cnt1++ >= 20)//1s
    {
        cnt1 = 0;
        if(DJ_TIME > 0)
        {
            DJ_TIME--;
        }
        else
        {
            if(Mode == 0)openFlag=0;
        }
    }
}
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>
#include "lcd1602.h"
sbit RS = P2^5;//数据命令引脚
sbit RW = P2^6;//读写引脚
sbit E = P2^7;//使能引脚
#define DataPort P0//1602并行通信口
void delay_ms(unsigned int ms)//延时毫秒函数
{
  unsigned char i, j;
    do
    {
        _nop_();
        i = 2;
        j = 199;
        do
        {
          while (--j);
        } while (--i);
    }while(--ms);
}
void lcd_clear(void)//清屏函数
{
     lcd_write_com(0x01);
    delay_ms(5);
}
void lcd_write_com(unsigned char byte)//写命令
{
    RS = 0;
    RW = 0;
    E = 1;
    DataPort = byte;
    _nop_();
    _nop_();
    delay_ms(1);
    E = 0; 
}
void lcd_write_data(unsigned char byte)//写数据
{
    RS = 1;
    RW = 0;
    E = 1;
    DataPort = byte;
    _nop_();
    _nop_();
    delay_ms(1);
    E = 0;
}
void lcd_init()//1602初始化
{
    delay_ms(5);
    lcd_write_com(0x38);//设置16*2显示,5*7点阵,8位数据接口
    delay_ms(5);
    lcd_write_com(0x38);//设置16*2显示,5*7点阵,8位数据接口
    delay_ms(5);
    lcd_write_com(0x38);//设置16*2显示,5*7点阵,8位数据接口
    delay_ms(5);
    lcd_write_com(0x08); //关闭显示
    delay_ms(5);
    lcd_write_com(0x01);//清屏指令
    delay_ms(5);
    lcd_write_com(0x06);
    delay_ms(5);
    lcd_write_com(0x0c);
    delay_ms(5);
}
void lcd_write_char(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char byte)//在某一位置显示一字符
{
    if(0 == y)
    {
      lcd_write_com(0x80 + x);//第一行
    }
    else if(1 == y)
    {
      lcd_write_com(0x80 + 0x40 + x);//第二行
    }
    lcd_write_data(byte);//显示数据
}
void lcd_write_str(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *s)//在某一位置显示一字符串
{
   if(0 == y)
    {
      lcd_write_com(0x80 + x);//第一行
    }
    else
    {
      lcd_write_com(0x80 + 0x40 + x);//第二行
    }
    while(*s)//判断是否检测到结尾符 
    {
      lcd_write_data(*s);//显示数据
      s++;//指针加1 
    }
}

五,项目总结

本论文采用了信息学习法、文献研究法、经验法等多种研究方法,包括:

(1)信息学习法:了解和实践婴儿的睡眠监测功能,并结合当前的实际情况,进行婴儿的睡眠监测系统的开发。

(2)文献调研:收集了国内外有关婴儿睡眠监测设计的研究成果,并对其进行了梳理,并对其进行了系统的需求分析。

(3)经验方法:在进行系统设计时,常常会出现代码错误等问题。


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