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摘要：本文针对大学生晚睡、赖床的不良习惯，通过对光线、温度对睡眠的影响理论探究与数据分析，提出了利用LED灯与风扇的调节使人自然苏醒，改善人体生物钟的方法。经过对学生的实验调查，证实了系统的可行性，并开发了相关的感觉唤醒装置。
关键词：生物钟睡眠光线唤醒装置51单片机
在现实社会中，越来越多的人无法适应快节奏的生活，生物钟混乱。在大学中的学生也同样如此，晚睡晚起已经成为了中国大学生的生活现状，由于大学课程设置不合理，常常缺乏规律性，使得学生有课早起，无课则睡懒觉。不良的生物钟不仅影响了学生的学习质量，而且严重危害学生的身体素质。所以利用科技手段调节学生生物钟显得至关重要。
在我们眼睛的视网膜上有一类光敏感细胞，这些细胞被称为黑视素神经节细胞。我们大脑接受到黑视素神经节细胞传导的刺激，判断外接光的强弱，同时不同波长的光对其刺激程度是不同的，以蓝光的刺激最为强烈。由于白光包含蓝光的波长段，所以白光也同样能引起大脑的强烈反应。这些反应导致人体趋向于兴奋状态，常表现为心率的加快、肌肉活动的加强。
我们将学生分为两组，A组学生睡眠时对光线比较敏感，容易受到光线的刺激，B组睡眠实则不易受到光线的刺激，两组学生睡眠习惯没有太大的区别，且都有睡懒觉的习惯。在实验中，我们现在打开灯光的情况下让学生入睡，B组学生入睡较快，而且苏醒时间与平时相差不多，而A组学生难以入睡，而且睡眠容易惊醒。而后我们又尝试在黑暗相对安静的环境下让两组学生入睡，并在早晨打开室内灯光，且是逐渐增加亮灯的数目，最后对于那些未苏醒的学生，打开风扇来叫醒他们，我们发现A组学生容易在开灯后苏醒，而B组学生多在打开风扇后苏醒。
通过上述实验，我们发现通过改变光线与温度使人苏醒并且调节生物钟的方案是可行的，尤其是对于那些睡眠对光敏感的学生，作用十分明显，而对于对光不敏感的学生，也可通过风扇适时调节睡眠温度来使其苏醒。
实现改善生物钟的目的，对光线的控制尤为重要。在晚上学生应尽量远离光线辐射较强的电子产品，睡眠时为保证睡眠质量，应关闭所有灯光，拉下窗帘，保持室内为一个安静、黑暗的环境，对于环境嘈杂的宿舍，可以带上耳塞来隔离噪音。早晨时，由于窗帘影响，阳光进入室内较少，控制仪器可以按时间自动调节室内光照，以渐亮的方式开启室内灯光。学生受到光线刺激，有深度睡眠转为半清醒状态，再适时开启风扇，降低体表温度与附近温度，从而实现自然唤醒。
系统的显示通过LCD实现，LCD能够显示当前的日期与时间，另外，通过独立按键的调控，可以使LCD切换至设定时间的显示，并通过按键调节设定时间的“时”与“分”。单片机通过比对时钟数据与设定时间数据来判定时间的到达。通过IO口P
系统采用模块化设计，程序基本由主模块、时钟模块、存储模块、按键模块、LCD显示模块、LED驱动与电机驱动模块构成，其中主模块将各个模块联系在一起。系统运行后，首先进行各模块的初始化，之后进入主循环，逐次调用按键模块、时钟模块、LCD模块相关程序，在符合条件（时间吻合或按键按下）时运行驱动模块与存储模块函数，由于采用中断控制，主循环运行流畅可以达到计时的准确性（如图2）。
驱动模块的开启是通过标志位的置位实现的，当时钟信号与设定时间“时”“分”“秒”统一时，标志位置位，启动中断中的驱动程序。由于主循环的一次循环的时间小于10ms，可以在1s内及时响应。对于LED灯亮度的调节，采用PWM控制，使LED在预定时间一小时内逐渐变亮。
本系统制作完成后，整体功能如下。系统通过LCD进行日期与时间的显示，利用独立按键可切换显示模式以及更改时间设置，同时，在系统启动LED灯或风扇后还可以通过按键复位。系统中的LED会在定时前1h开启，并逐渐变亮，之后打开风扇，LED灯与风扇共同作用，使人苏醒。
4、结语
通过研究光线、温度对睡眠的影响程度，研制了新型的唤醒装置。将新型的唤醒装置应用于宿舍，并配之以合理舒适的睡眠环境，合理改善了大学生的生物钟，优化了生活。新型的唤醒装置符合新时代人们对健康生活的需求，顺应了物联网发展的趋势，有广泛的应用前景。
参考文献
FOR KIDS： Making light of sleep. Science News For Kids，2010，03（1）.
李端
关键词：生物钟睡眠光线唤醒装置51单片机
在现实社会中，越来越多的人无法适应快节奏的生活，生物钟混乱。在大学中的学生也同样如此，晚睡晚起已经成为了中国大学生的生活现状，由于大学课程设置不合理，常常缺乏规律性，使得学生有课早起，无课则睡懒觉。不良的生物钟不仅影响了学生的学习质量，而且严重危害学生的身体素质。所以利用科技手段调节学生生物钟显得至关重要。
1、调节方法的依据
1.1 光线对生物钟的影响
研究表明，昼夜光线的变化是影响生物钟的决定因素。通常我们知道眼睛能分辨物体，但同样重要的是眼睛接受的光线能对负责生物钟的大脑区域起到刺激作用。最近的研究表明，我们的眼睛有两个独立的感光系统。其中一个让我们能够看到东西；另一个则用于判断昼夜。在我们眼睛的视网膜上有一类光敏感细胞，这些细胞被称为黑视素神经节细胞。我们大脑接受到黑视素神经节细胞传导的刺激，判断外接光的强弱，同时不同波长的光对其刺激程度是不同的，以蓝光的刺激最为强烈。由于白光包含蓝光的波长段，所以白光也同样能引起大脑的强烈反应。这些反应导致人体趋向于兴奋状态，常表现为心率的加快、肌肉活动的加强。
1.2 温度的影响
人体睡眠时的最佳室温为20℃，湿度最佳为60%。卧室的温度在20℃以下人就会因冷而蜷曲身躯并裹紧被子，在18℃以下会容易翻转，不容易进入深度睡眠。人体体表经受寒冷刺激后会使大脑皮层兴奋，从而推迟入睡时间或造成睡眠不深。所以，可以通过降低温度来使人苏醒，温度对睡眠的影响与光线同样重要。2、调节生物钟，优化睡眠的方法探究
旧式的闹钟已经不能满足人们对于产品智能化、科技化的需求，可以借用物联网的理论，将时钟、灯光与风扇结合起来，通过控制模块，调节光线的强弱与体表温度的高低，从而控制人的自然苏醒。为了验证方案的可行性，我们对不同的学生进行了实验调查。我们将学生分为两组，A组学生睡眠时对光线比较敏感，容易受到光线的刺激，B组睡眠实则不易受到光线的刺激，两组学生睡眠习惯没有太大的区别，且都有睡懒觉的习惯。在实验中，我们现在打开灯光的情况下让学生入睡，B组学生入睡较快，而且苏醒时间与平时相差不多，而A组学生难以入睡，而且睡眠容易惊醒。而后我们又尝试在黑暗相对安静的环境下让两组学生入睡，并在早晨打开室内灯光，且是逐渐增加亮灯的数目，最后对于那些未苏醒的学生，打开风扇来叫醒他们，我们发现A组学生容易在开灯后苏醒，而B组学生多在打开风扇后苏醒。
通过上述实验，我们发现通过改变光线与温度使人苏醒并且调节生物钟的方案是可行的，尤其是对于那些睡眠对光敏感的学生，作用十分明显，而对于对光不敏感的学生，也可通过风扇适时调节睡眠温度来使其苏醒。
实现改善生物钟的目的，对光线的控制尤为重要。在晚上学生应尽量远离光线辐射较强的电子产品，睡眠时为保证睡眠质量，应关闭所有灯光，拉下窗帘，保持室内为一个安静、黑暗的环境，对于环境嘈杂的宿舍，可以带上耳塞来隔离噪音。早晨时，由于窗帘影响，阳光进入室内较少，控制仪器可以按时间自动调节室内光照，以渐亮的方式开启室内灯光。学生受到光线刺激，有深度睡眠转为半清醒状态，再适时开启风扇，降低体表温度与附近温度，从而实现自然唤醒。
3、仪器的设计与实现
3.1 系统的硬件构成
在实际操作中，我们构建了一个综合时钟、灯光、风扇调控的电子系统，系统的核心采用了51系列单片机，系统结构如图1。本系统由DS1302时钟芯片精确控制时间，时间调节有手动调节与单片机串口更新两种方式。系统中EEPROM负责存储设定苏醒时间，独立存储可以防止单片机异常带来的数据复位，有效保证设定时间的稳定性与可靠性。其中时钟调节与设定时间调节均可由独立按键实现（如图1）。系统的显示通过LCD实现，LCD能够显示当前的日期与时间，另外，通过独立按键的调控，可以使LCD切换至设定时间的显示，并通过按键调节设定时间的“时”与“分”。单片机通过比对时钟数据与设定时间数据来判定时间的到达。通过IO口P
1.6来驱动并调节LED灯的亮度，通过IO口P7来驱动电机以带动风扇。
3.2 系统的软件构成
本系统的控制是由51单片机完成的，通过51单片机的程序设置，使整个系统能够流畅的运行。图2为单片机程序流程图。系统采用模块化设计，程序基本由主模块、时钟模块、存储模块、按键模块、LCD显示模块、LED驱动与电机驱动模块构成，其中主模块将各个模块联系在一起。系统运行后，首先进行各模块的初始化，之后进入主循环，逐次调用按键模块、时钟模块、LCD模块相关程序，在符合条件（时间吻合或按键按下）时运行驱动模块与存储模块函数，由于采用中断控制，主循环运行流畅可以达到计时的准确性（如图2）。
驱动模块的开启是通过标志位的置位实现的，当时钟信号与设定时间“时”“分”“秒”统一时，标志位置位，启动中断中的驱动程序。由于主循环的一次循环的时间小于10ms，可以在1s内及时响应。对于LED灯亮度的调节，采用PWM控制，使LED在预定时间一小时内逐渐变亮。
本系统制作完成后，整体功能如下。系统通过LCD进行日期与时间的显示，利用独立按键可切换显示模式以及更改时间设置，同时，在系统启动LED灯或风扇后还可以通过按键复位。系统中的LED会在定时前1h开启，并逐渐变亮，之后打开风扇，LED灯与风扇共同作用，使人苏醒。
3.3 系统的不足之处以及改进措施
该系统在制作完成后，有效的将时钟与LED灯、风扇联系在一起，有效地调节了学生们的生物钟，但仍存在两点不足之处。第一，存在体积较大、不易携带，模块之间没有紧密连接；第二LED灯渐亮时间固定，无法调节，根据不同习惯的人可能效果不同。针对以上两点，可以提出进一步改进措施。首先，将模块集成化，芯片采用小型贴片封装，整体PCB设计可将体积进一步缩小，将电源改为5V/1A独立电源，使系统可减少移动限制。其次，更改程序，增加独立按键，调节LED发光时间，使对LED发光有不同需求的人得到满足。4、结语
通过研究光线、温度对睡眠的影响程度，研制了新型的唤醒装置。将新型的唤醒装置应用于宿舍，并配之以合理舒适的睡眠环境，合理改善了大学生的生物钟，优化了生活。新型的唤醒装置符合新时代人们对健康生活的需求，顺应了物联网发展的趋势，有广泛的应用前景。
参考文献
FOR KIDS： Making light of sleep. Science News For Kids，2010，03（1）.
李端
摘自：硕士论文开题报告www.udooo.com
俊.《温度的学问》[J].绿化与生活，2009.03.