基于单片机的智能睡眠监测系统设计

基于单片机的智能睡眠监测系统设计汇报人：2025-05-10摘要绪论系统总体设计硬件电路设计系统软件设计目录系统调试及测试总结参考文献电路原理图源程序目录摘要01基于STM32C8T6的单片机，智能睡眠监测系统连接温湿度、心率等传感器，精准分析用户睡眠阶段与关键指标，如深度睡眠、浅度睡眠和翻身次数等。智能睡眠监测系统系统利用WIFI模块，实现睡眠数据同步至手机或智能设备，便于用户随时掌握睡眠质量；同时，预设阈值能在检测到异常时发出报警，提升睡眠安全性。睡眠数据远程监控摘要绪论02研究背景与意义01快节奏生活、高强度工作及丰富娱乐导致睡眠受扰，我国成人失眠率高达38.2%，睡眠问题不仅致短期疲劳、注意力下降，更与高血压等慢性疾病相关。传统睡眠监测如多导睡眠监测仪需专业医疗环境，设备复杂且成本高，难以日常监测；消费级智能手环虽便携，但单传感器精度有限，难全面捕捉睡眠生理参数。基于单片机、生物传感器及信号处理，实时监测睡眠数据，通过服务器分析后上传至移动终端，助用户关注睡眠，判断睡眠障碍，改善睡眠，前景广阔。0203睡眠质量受影响传统监测手段局限智能睡眠监测系统睡眠监测技术进展现代专业睡眠监测设备兴起前，中国睡眠监测设备从萌芽到启动期，逐渐发展至高端智能路线，智能手表等销量增长，小米、华为、苹果等公司均有售出大量的相关产品。智能穿戴设备兴起随着科技和社会经济水平飞速发展，人们对生活品质要求提升，智能穿戴设备行业发展迅速，中国智能可穿戴设备出货量占全球四分之一，市场需求大。智能睡眠监测系统智能睡眠监测系统应用新型技术，功能不断升级，满足用户需求；包括通过床垫感知人体压力、集成自动化检测及控制技术于一体的新型智能婴儿床。国内外研究现状国内外研究现状物联网技术通过有线或无线通讯连接电子设备，实现智能化识别、定位、监控等；智能睡眠监测系统利用WIFI、蓝牙等加入智能家居，检测睡眠质量并调节环境。物联网技术的融合智能睡眠监测系统采用过采样性生物电检测法、心电信号检测法、指端脉搏信号检测法等多种方法，实现精准检测，满足不同用户需求。多种检测方法应用太阳能供电技术利用太阳热辐射发电，环保节能；融入智能睡眠监测系统，可延长设备使用寿命，是一种大有前途的新型电源。清洁能源供电方向国外智能睡眠监测集成压力、心率、体温传感器，利用先进技术实现智能化控制，如摄像机监测、智能纺织背心和智能床铺，提高监测精度且注重舒适度。国际监测技术成熟智能睡眠监测技术的研究及升级对我国人体健康发展是重要保证，未来将有更多技术应用，产品功能不断完善，成为人人都能用的健康保障利器。智能监测未来可期国内外研究现状系统方案设计系统调试总结与展望系统软件的设计硬件电路设计本设计说明书主要内容以STM32单片机为核心，连接LED灯、蜂鸣器、加速度传感器、心率传感器、OLED屏和WIFI模块，打造一个睡眠监测仪器。设计了单片机主控单元电路，并详细介绍了心率传感器、温度传感器、加速度传感器和WIFI模块等主要模块。详细介绍了主程序的流程图以及WIFI模块、按键模块、温度检测模块及翻身次数检测模块的子程序流程图。对系统每个模块进行调试准备，确保各部分能正常运行；然后对制作的实物进行功能测试，实现设计的正常工作。对智能睡眠监测系统设计的过程及成果做出总结，同时对智能睡眠监测系统的未来升级进行展望构想。系统总体设计03智能监测睡眠质量设计以单片机为主控，通过检测体温、翻身次数、心率判断睡眠质量，超阈值报警；系统可按键或手机设置阈值，有模式指示灯，体温过高风扇转，心率超阈值声光报警。智能监测供电灵活系统基本功能智能睡眠监测系统具备电脑USB供电功能，同时兼容充电宝供电，确保了设备在各种环境下都能稳定运行，实现便捷的电力供应，满足不同用户的需求。0102系统总体方案系统框图展示了一个全面的系统架构，包括STM32最小系统、温度检测、加速度检测、按键单元电路、指示灯单元电路、步进电机驱动单元电路、心率检测单元电路、电源单元电路等。系统框图概览智能睡眠监测系统整合了多种传感器与先进控制单元，实时监测睡眠中的体温、翻身与心率，以判断睡眠质量，并在数据异常时即时报警，确保用户睡眠安全与健康。智能监测睡眠系统01MCU主控模块选择MCU主控方案选用STM32F103C8T6单片机，基于ARM7架构的32位实时仿真微控制器，外设丰富，性能卓越，完美匹配设计需求，确保智能睡眠监测系统的高效稳定运行。温度检测模块选择采用DS18B20数字温度传感器模块，支持单总线数字通信，高精度测量，可编程分辨率，稳定性强，适合多数温度检测场景，是本设计的理想选择。显示模块选择采用0.96寸OLED屏，兼具显示效果与尺寸优势，采用I²C通信协议，分辨率128×64，显示多样信息，节能且便于开发，适合本设计需求。各模块方案选取0203加速度检测模块选择采用ADXL345加速度传感器模块，支持I²C和SPI通信，数据传输稳定可靠，功能多样，开发便捷，适合本设计中对加速度传感器的需求。心率检测模块选择通信模块选择各模块方案选取采用Pulsesensor心率检测模块，基于PPG原理，使用简便，开发资料丰富，体积小巧，低功耗，适合本设计对心率检测模块的需求。选用ESP8266通信模块，集成Wi-Fi功能，支持STA、AP、STA+AP模式，低功耗高性能，内置TCP/IP协议栈，开发资源丰富，满足设计需求。硬件电路设计04STM32外部晶振电路为ST主控芯片提供时钟基准，含8MHz高速与32.768KHz低速晶振，分别用于主频与实时时钟功能，设计如图3-2所示。外部晶振电路的设计复位电路含上电复位与手动复位，利用电容充电与按键短接实现；STM32还支持软件与看门狗复位，确保系统稳定；设计如图3-3，实现手动复位功能。复位电路的设计STM32单片机最小系统继电器模块电路设计继电器模块概述继电器模块用于控制风扇，通过STM32PB9引脚与继电器相连，当温度超设定值时，PB9置高电平，继电器动作驱动风扇，实现自动温控。01电路设计细节具体电路设计包括手机APP控制开关，继电器模块连接风扇，STM32通过检测温度信号控制PB9引脚，进而通过继电器实现风扇的启动与停止。02OLED显示优势作为人机显示交互屏幕，OLED具备字符型显示、数字接口、高画质、低功耗、小巧轻便及简单电路设计等优点，开发便捷，适用于多种应用场景。01.OLED电路设计OLED电路设计液晶显示利用物理特性实现字符显示，OLED稳定工作于5V环境，功耗低，其电量消耗主要用在模块内部的电极以及数据通信上，深受人们喜爱。02.接口与通信OLED端口3SCL连STM32PC14,端口4SDA连PC13,采用软件模拟I2C通信，节省IO口资源，实现高效人机交互显示功能，具体电路设计如图3-5。03.温度监测与报警STM32配置为推挽输出与DS18B20相连，通过优化适配电路参数提升通信性能，达阈值时触发报警装置，实现温度监测与报警功能，如图3-6。DS18B20测温原理DS18B20温度检测模块利用半导体热敏特性测环境温度，传感器芯片感知变化并通过单总线协议传输数字信号至适配电路进行读取和处理。模块电路设计DS18B20与STM32通过单总线连接，适配电路为其提供电源与通信接口，STM32发送初始化脉冲及指令读取温度数据，经转换算法得实际温度值。温度检测模块电路设计加速度模块电路设计01ADXL345加速度检测电路利用MEMS技术检测物体加速度，传感器内部微机械结构感知加速度并输出电信号，经模数转换后以数字信号传输至控制板。ADXL345通过I2C与控制板传输数据，STM32配置初始化指令启动传感器，周期性读取三轴加速度数据，经处理得实际加速度值，优化通信性能确保测量准确。加速度达阈值时触发报警，通过调整STM32读取频率和加速度阈值实现监测；具体电路设计如图3-7，STM32PA6/7模拟I2C模式与ADXL345通信。0203ADXL345检测原理模块电路设计监测与报警功能红外检测原理人体红外检测电路利用人体发出的红外辐射原理检测存在，红外感应探头感知辐射变化并输出电信号，经放大滤波后由比较器比较。电路设计与功能采用LM393运放芯片作比较器，电信号与可调电阻压降比较后控制LED指示灯与STM32引脚状态，调节电阻可调人体红外检测灵敏度阈值。红外检测流程配置STM32PB15口为上拉输入模式来读取红外模块的检测状态，遇人体时反射信号被接收管接收，经比较器处理后绿色指示灯亮起。人体红外检测模块电路设计010203设计采用ESP8266作为WIFI模块，通过UART接口与单片机连接，实现数据通信。ESP8266支持ASCII码链接，便于与手机APP进行数据交互。WIFI模块选型与连接ESP8266WIFI模块的引脚分配包括2脚和4脚接电源正极，8脚接电源负极。通过UART串口通信，将RX和TX分别接单片机PA9（TX）和PA10（RX）。引脚分配与电路设计WIFI模块电路设计心率检测模块电路设计心率检测原理与电路设计Pulsesensor心率检测电路利用脉搏跳动时血液透光率变化原理来检测心率，通过发光二极管和光电探测器将生物信号转换为电信号。01电信号处理与读取电信号经过放大、滤波后，由LM324运放芯片作为比较器进行比较。STM32的PB1引脚通过ADC模数转换器读取处理后的电信号，实现心率检测。02系统软件设计05主程序流程系统通电开机后，运行OLED屏初始化，显示体温、心率和翻身次数；可通过按键设置阈值，超阈值报警并执行操作；等待WIFI模块初始化，初始化完成可通过手机显示和设定阈值。智能睡眠监测系统逻辑主程序流程图详细展示了智能睡眠监测系统从开机自检、参数初始化、数据采集、阈值判断、报警处理到WIFI模块初始化的完整运行逻辑，支持手机远程查看数据及阈值设置。主程序流程图继电器控制风扇实验系统通过控制继电器来风扇的开关，利用ESP8266来实现通讯，通过对APP数据的解析，来实现相关的控制。解析APP数据控制通过配置WIFI、串口收发数据，并解析数据与设置指令，实现继电器开关控制，从而调节风扇启停。继电器驱动流程温度检测子程序01温度检测模块与单片机设计中的温度检测模块电路的数据线通过PA8引脚与单片机相连，温度检测子程序的本质是利用热敏电阻来检测外界温度，再通过数据线将数据发给单片机。02温度检测子程序温度检测子程序负责通过热敏电阻采集温度数据，经数据线传输至单片机，由单片机进行处理，实现对外界温度的实时监测与反馈。加速度检测子程序加速度检测模块与单片机设计中的加速度检测模块电路利用I2C通信，模块的SCL连接PA7,SDA连接PA6，加速度检测子程序的本质是通过本身传感器的变化来感受人体翻身次数。01数据传输与处理通过数据线（I2C通信）将数据传输给单片机，并将该状态返回到主程序中进行处理；加速度检测子程序如图4-4加速度检测子程序流程图所示。02设计使用了4个按键，分别是设置检测阈值，阈值次数加一、阈值次数减一和播放音乐它们分别对应连接了单片机的PB12、PB13、PB14、PB11引脚。按键检测子程序设计按键子程序的本质就是通过轮询来检测与按键相连接的单片机引脚的电平状态；当检测到对应的引脚为低电平并经过处理后即可判断为该按键被按下。按键子程序本质按键子程序系统调试及测试06调试概述程序调试与仿真在论文收尾阶段，我将进行程序调试、仿真搭建、原理图完善及实物焊接，并通过万用表检测数据，确保无误后进行程序烧录，最后通电演示。01调试顺序与模块测试设计采用洞洞板与飞线连接模块，调试顺序为先硬件后软件，先测试单片机硬件电路，再测软件子程序模块，最后进行系统总体调试。02元器件检查与测试为确保硬件电路的稳定运行，首先检查选择的元器件是否损坏，使用万用表检查元器件的特性是否正常，防止硬件模块损坏从而导致问题的发生。分步焊接与供电测试原理图核对与引脚焊接硬件调试在焊接过程中，采取先焊接小的器件，再焊接大的器件的策略，根据模块特性逐一供电，确保不会因短路、断路而烧坏模块，从而减少不必要的麻烦。硬件焊接时，需根据原理图精确对应元器件数据口与单片机的IO，防止焊错引脚，同时通过程序再次检查，确保各芯片方向正确，以保障系统稳定运行。程序下载与设置编写好设计程序后，通过烧录器进行相关的下载，下载之前首先检查软件配置，检查芯片型号，频率是否一致，再DEDUG里进行相关的设置。软件bug调试在KEIL5平台上进行软件bug调试，通过编译解决软件问题，同时利用MDK的硬件寄存器查看功能辅助判断程序执行情况，确保软件稳定运行。系统软件调试流程使用keil5平台进行软件调试，通过编译排除基本问题，利用MDK查看硬件配置与状态，判断程序执行情况，确保软件质量与稳定性。系统软件调试智能睡眠监测测试智能睡眠监测系统测试成功，支持按键与手机配置阈值，并配备指示灯与声光报警；测试显示，按键与手机均可设置阈值，且系统能准确报警。心率检测模块测试心率检测模块测试通过按键调低心率上限模拟心率过高情况，系统及时报警并亮起LED灯，证明心率监测功能稳定可靠，能有效保障用户健康安全。温度检测功能测试温度检测功能经测试，通过调高或调低设定温度模拟异常情况，系统准确响应并报警，证明温度监测功能稳定，能有效保障用户的安全。系统测试010203翻身次数测试方法翻身次数测试通过按键设置初始翻身上下限，分别进行测试高于或低于上下限的情况并观察指示灯的亮灭情况，以验证翻身次数监测功能的准确性。01.系统测试手机端控制测试手机端控制测试显示，利用APP可轻松建立与WIFI模块的通信连接，实现数据同步与阈值设置；如图5-5所示，操作简便，功能实现稳定可靠。02.系统测试误差分析系统功能测试表明，设计基本满足需求，可翻身次数与心率测试存在误差；分析推测加速度传感器可能存在零点漂移误差，心率传感器受外界干扰影响。03.总结07睡眠监测研究背景介绍了睡眠监测的发展现状和市场，分析了传统睡眠监测的弊端和国内外智能睡眠监测方面的研究现状，提出了本文的研究目标和意义。智能睡眠监测设计设计了基于STM32单片机的智能睡眠监测系统，选择了合适的传感器、执行器、控制器等元件，并编写了相应的程序代码。智能睡眠监测系统设计概述验证智能睡眠监测系统可行性与稳定性，实现心率、翻身、温度检测，OLED显示，ESP8266手机通信，继电器控风扇，集成于STM32单片机系统。智能睡眠监测验证系统功能测试满足需求，支持按键与手机设阈值，含指示灯；翻身次数与心率测试存误差，分析可能由传感器零点漂移及外界干扰导致。系统测试与误差分析系统功能实现与测试未来展望与功能扩展计划睡眠健康管理系统预留升级接口，现有功能单一，未来将构建睡眠健康管理生态，增加环境监测，联动智能穿戴与家居，实现全场景睡眠健康管理。01社交互动与数据共享开发社交互动功能，允许用户分享睡眠数据、参与睡眠挑战等，增强用户粘性；探索与智能穿戴设备、智能家居的深度联动，实现数据共享。02参考文献08参考文献张浩静.基于智能床垫的睡眠呼吸暂停检测方法研究[D].北京邮电大学,2020.曹贝贝.可穿戴式睡眠质量智能检测系统[D].哈尔滨理工大学,2019.梁超,王鹏,曹贝贝,等.可穿戴智能睡眠质量检测系统[J].电子测量与仪器学报,2018,32(05):159-167.王杰华,刘晓彬,洪丽芳,等.多功能智能婴儿床的设计[J].福建电脑,2019,35(05):133-135.黄耀梁,刘大树,陈东来,等.结合睡眠状态检测的睡眠环境智能调节系统[C].中国自动化学会.中南六省区（广东,广西,湖南,湖北.中国自动化学会中南六省（区）2010年第28届年会·论文集.中山大学信息科学与技术学院;,2010:198-200.参考文献马倩,张萍淑,王连辉,等.基于智能无感睡眠监测系统的康养人群睡健康研究[J].中华全科医学,2023.付丽,蒋硕,田佳,等.用于智能睡眠监测设备的心率与呼吸频率模拟装置[J].中国医疗器械杂志,2023.韦文婧,刘杰,冯嘉泽,等.基于嵌入式系统的智能睡眠监测系统设计[C].中国航空工业技术装备工程协会,中国航空学会测试技术分会.第十八届中国航空测控技术年会论文集,2021.6.傅国强,邬伟峰.智能睡眠监测系统的设计与实现[J].现代信息科技,2020.4顾天宇,李一帆,肖利,等.智能实时睡眠监测与干预系统的设计与实现[J].北京生物医学工程,2020.何峰,李刚,林凌.基于过采样的通用生物电检测系统的实现[J].天津大学学报,2008,(10):1178-1182.苗旭.便携式睡眠监测系统的研究[D].哈尔滨工业大学,2013.吴锋,周玉彬,成奇明,等.便携式睡眠监测系统的研制[J].医疗卫生装备,2008,29(11):20-22.参考文献HoangLM,MatrellaG,CiampoliniP.ArtificialIntelligenceImplementationinInternetofThingsEmbeddedSystemforReal-TimePersonPresenceinBedDetectionandSleepBehaviourMonitor[J].Electronics,2024,13(11):WangQ,ChengH,WangW.Video-PSG:AnIntelligentContactlessMonitoringSystemforSleepStaging.[J].IEEEtransactionsonbio-medicalengineering,2024,PP参考文献KanwalF,AtiehA,GhafoorS,etal.RemotemonitoringofsleepdisorderusingFBGsensorsandFSOtransmissionsystemenabledsmartvest[J].EngineeringResearchExpress,2024,6(2):参考文献电路原理图09智能睡眠监测系统原理基于单片机的智能睡眠监测系统设计，包括温湿度传感器、心率传感器等，实现判断用户的睡眠阶段及关键指标的监测。睡眠数据传输与异常报警系统利用WIFI通信模块传输睡眠数据至手机，方便用户查看；同时，可根据预设阈值在睡眠指标异常时发出报警提醒。电路原理图源程序10源程序头文件预处理包括STM32F10x设备头文件、系统配置、标准输入输出、字符串操作、延迟、OLED、加速度传感器、GPIO、定时器、ADC、DS18B20、JQ8900语音模块和ESP8266WiFi模块。变量定义包括显示缓冲区、设置标识、按键标识、蜂鸣器控制标记、陀螺仪数据、ADXL345状态标志、播放标志、警告标志、步数、步数上下限、闰年标志以及与时间相关的全局变量。函数声明主要声明了初始化函数、数据显示函数、控制流程函数、传感器数据获取函数、按键扫描及处理函数、显示设置页面函数、ADC数据获取函数和蜂鸣器控制函数等关键函数。01intmain(void)主函数中调用初始化函数，并进入无限循环，执行按键扫描处理、数据显示、步数获取、ADC数据获取和控制流程；若设置标识为0，则执行相关操作并定时器更新。voidInit(void)初始化函数中，依次进行OLED显示初始化、按键GPIO初始化、蜂鸣器初始化、继电器初始化，以及ADXL345加速度传感器和DS18B20温