基于STM32單片機(jī)的智能書桌設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

*項(xiàng)目支持：本課題得到了國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201510595024）的支持

**通訊作者：王振省。

研究結(jié)果表明，學(xué)生的讀寫姿勢(shì)不正確率高達(dá)70%甚至85% 以上^[1]。不良的讀寫姿勢(shì)、不合適的光照條件會(huì)令學(xué)生不停地調(diào)整眼睛的睫狀肌，容易降低睫狀肌調(diào)節(jié)能力，進(jìn)而導(dǎo)致近視^[2]。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，不良的讀寫姿勢(shì)還會(huì)對(duì)學(xué)生的脊柱和頸椎形狀，乃至整體形貌和健康產(chǎn)生負(fù)面影響；另一方面，久坐的辦公方式容易導(dǎo)致肌肉骨骼疾患和頸椎、腰椎疾病^[3-4]。

桌椅高度和光照情況是決定學(xué)生能否形成良好讀寫習(xí)慣的重要因素。傳統(tǒng)桌椅高度固定，不能很好適應(yīng)個(gè)性化的身高。所以，為了讓不同身高的使用者培養(yǎng)良好的使用習(xí)慣，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一款能根據(jù)使用者情況自動(dòng)調(diào)節(jié)桌面高度的智能書桌系統(tǒng)。在此基本功能之外，該智能書桌還具有久坐提醒、坐姿不正提醒、隨環(huán)境光照自動(dòng)控制亮度的LED 臺(tái)燈、隨環(huán)境溫度自動(dòng)控制轉(zhuǎn)速的風(fēng)扇、帶密碼鎖的抽屜等功能。同時(shí)為了提高使用者使用體驗(yàn)，也允許用戶對(duì)桌面高度、LED 臺(tái)燈、風(fēng)扇進(jìn)行手動(dòng)控制。

1 設(shè)計(jì)思路

在對(duì)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行分析后，畫出系統(tǒng)的原理框圖，如圖1 所示。為了能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和測(cè)試過程，本設(shè)計(jì)采用模塊化的思想。其中人體感應(yīng)模塊用于判斷當(dāng)前是否有使用者。身高測(cè)量模塊測(cè)量使用者身高，從而自動(dòng)控制、調(diào)整書桌桌面高度以便適應(yīng)使用者，讓使用者可以以一個(gè)舒適的坐姿使用書桌，從而降低因不良坐姿導(dǎo)致眼部、頸椎、脊椎等健康問題的概率。坐姿檢測(cè)模塊用于判斷使用者坐姿，并將信息反饋給主控芯片處理，避免使用者與桌面太近。語音播報(bào)模塊用于坐姿不正提醒、久坐提醒。在自動(dòng)模式下，主控芯片通過亮度測(cè)量模塊得到的光照度控制LED 燈的亮度；并通過溫度傳感器控制電扇通斷及檔位，對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了適應(yīng)不同使用者的習(xí)慣，智能書桌系統(tǒng)還提供了手動(dòng)控制功能，通過鍵盤模塊手動(dòng)調(diào)節(jié)桌面高度、亮度、鬧鐘以及抽屜密碼鎖。顯示屏可以顯示當(dāng)前時(shí)間、溫度、光照度等信息。

圖1 系統(tǒng)原理

2 方案選擇

本設(shè)計(jì)選擇了STM32F407ZET6 作為主控芯片，這是因?yàn)樵撔酒罡吣芤?68 MHz工作，且直接內(nèi)置晶振、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，便于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)電路，專注于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

人體感應(yīng)模塊、身高測(cè)量模塊、坐姿檢測(cè)模塊功能通過測(cè)距實(shí)現(xiàn)。常用的測(cè)距傳感器有激光測(cè)距和超聲波測(cè)距2 種，激光測(cè)距使用串行通信（TTL）返回測(cè)量距離數(shù)據(jù)，測(cè)量精度最小可達(dá)到2 mm，有效測(cè)量范圍約為0.02 ～ 100 m。超聲波測(cè)距測(cè)量精度同樣2 mm，測(cè)量范圍0.02 ～ 4 m。可見兩種傳感器最小精度相同，但是激光測(cè)距具有更大的測(cè)量范圍。另一方面，激光測(cè)距模塊尺寸為72 mm×40 mm×18 mm；而超聲波測(cè)距模塊的尺寸為45 mm×20 mm×15 mm，更加小巧，便于安放在智能書桌上。同時(shí)考慮書桌系統(tǒng)實(shí)際工作環(huán)境為室內(nèi)，激光可能對(duì)人眼有的一定危害，所以選擇超聲波測(cè)距方式。

溫度測(cè)量模塊采用測(cè)量精度較高的DS18B20 溫度傳感器。DS18B20 溫度傳感器通過單總線與主控芯片連接，主控芯片對(duì)從傳感器傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到環(huán)境溫度值。溫度傳感器的作用不僅是測(cè)量室溫、提供給單片機(jī)判斷是否開啟風(fēng)扇降溫，而且還用于超聲波測(cè)距時(shí)對(duì)超聲波速度進(jìn)行補(bǔ)償。

亮度測(cè)量模塊采用GY-30 亮度傳感器實(shí)現(xiàn)，這是由于GY-30 亮度傳感器與主控芯片以IIC總線方式連接，需要的控制線少；另一方面，GY-30 能夠直接輸出環(huán)境亮度的數(shù)字值，省略了復(fù)雜計(jì)算環(huán)節(jié)，無需標(biāo)定就能獲得高精度測(cè)量值。

鍵盤模塊和顯示模塊采用觸摸屏集成。為了實(shí)現(xiàn)良好的用戶使用效果，采用支持多點(diǎn)觸控的電容觸摸屏，而不選用電阻觸摸屏。

語音播報(bào)模塊采用CN-TTS 語音合成模塊，可實(shí)現(xiàn)中文、英文、數(shù)字的語音合成，且支持用戶的命令詞或提示音的定制需求。CN-TTS 控制方式簡(jiǎn)單，可兼容5 V或3.3 V單片機(jī)，單片機(jī)可以通過串口發(fā)送GBK 編碼的形式對(duì)其控制。

桌面高度調(diào)節(jié)模塊采用步進(jìn)電機(jī)和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。步進(jìn)電機(jī)在低速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下扭矩大，帶動(dòng)的負(fù)載也更大。相數(shù)越多步距角就越小，能更為精確地調(diào)節(jié)桌面高度。為了能較精確控制桌面的高度，選擇步進(jìn)電機(jī)。該升降桌重量W₁ = 16 kg，升降部分重量W₂ = 11 kg，最大載荷W₃ = 56 kg，升降速度v = 13 mm/s，傳動(dòng)效率η = 0.6，所需最大功率為P = V*(W₂+W₃)*g/η = 14.2 W。為保證正常工作，可選定30 W 功率電機(jī)。

3 方案實(shí)施

3.1 主程序流程

圖2 是主程序流程圖。當(dāng)檢測(cè)到使用者在書桌旁后，首先檢測(cè)使用者的身高，然后對(duì)書桌高度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、臺(tái)燈亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后對(duì)坐姿進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不正確坐姿的友好提醒。此外，如圖3 所示，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了中斷處理程序，當(dāng)人體感應(yīng)模塊檢測(cè)到人離開桌子時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)跳出主程序，進(jìn)入待機(jī)模式，以實(shí)現(xiàn)低功耗要求。

圖2 主程序流程

圖3 中斷處理

3.2 人體感應(yīng)、身高測(cè)量、坐姿檢測(cè)

如圖4 所示，通過3 個(gè)超聲波測(cè)距儀可以實(shí)現(xiàn)人體感應(yīng)、身高測(cè)量、坐姿檢測(cè)的功能。

圖4 身高測(cè)量

測(cè)距儀1位置固定，其測(cè)量方向與桌面平行，用于測(cè)量模塊到使用者胸前位置的水平距離S₁，通過判斷S₁是否小于80 cm 來確定當(dāng)前是否有人使用書桌。

測(cè)距儀2 固定在舵機(jī)上，可隨舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，其初始測(cè)量方向與桌面平行。當(dāng)判斷當(dāng)前有人使用書桌時(shí)，測(cè)距儀2 從初始位置開始隨舵機(jī)向上轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)測(cè)量距離；直到該距離突然增大，表明測(cè)距儀2此時(shí)發(fā)出的超聲波已經(jīng)越過了使用者的頭頂，則上一時(shí)間點(diǎn)檢測(cè)到的距離就是測(cè)距儀2與使用者頭部的距離S₂。

測(cè)距儀3位置固定，位于桌面下方，用于測(cè)量桌面到地面的垂直高度S₃。由勾股定理得出，使用者的身高為L=S₃+得到使用者身高后，依據(jù)表1 桌面高與身高對(duì)應(yīng)關(guān)系表^[5]，將書桌桌面高度自動(dòng)調(diào)節(jié)至適合人體的位置。

表1 桌面高與身高對(duì)應(yīng)關(guān)系表/m

監(jiān)測(cè)坐姿時(shí)，測(cè)距儀1用于間接測(cè)量使用者胸膛位置到書桌邊緣的距離L₁，測(cè)距儀1 到書桌邊緣的實(shí)測(cè)距離為60 cm，則L₁ = S₁-60。正確坐姿時(shí)，L₁ 應(yīng)是“一拳”的距離，約為8 cm。當(dāng)L₁ ＜ 8 cm 時(shí)，系統(tǒng)判定使用者胸膛位置到書桌邊緣的距離不規(guī)范并進(jìn)行語音提醒。測(cè)距儀2通過使用者的身高L自動(dòng)隨舵機(jī)調(diào)節(jié)至合適位置并保持不動(dòng)，用于測(cè)量其到使用者頭部的距離S₂，使用者眼睛到桌面的距離應(yīng)為“1 尺”，約為33 cm，可用公式表示為L_e2d ≈，當(dāng)L_e2d < 33 cm 時(shí)，系統(tǒng)判定使用者視線距離不規(guī)范并進(jìn)行語音提醒。

圖5 人體感應(yīng)、坐姿高測(cè)量、坐姿檢測(cè)

3.3 桌面高度、亮度、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

桌面高度調(diào)節(jié)通過控制電機(jī)帶動(dòng)書桌升降實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，主控芯片通過PID 算法調(diào)制I/O 口輸出的PWM 波進(jìn)行控制。單片機(jī)通過指定溫度和當(dāng)前溫度計(jì)算出偏差，將其送入PID 控制器，PID 控制器經(jīng)過運(yùn)算，可計(jì)算出使誤差最快減為0 的PWM 占空比，單片機(jī)通過設(shè)置定時(shí)器中斷產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM 脈沖，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制，達(dá)到指定溫度^[6]。同樣，亮度調(diào)節(jié)可通過單片機(jī)的I/O 口輸出PWM 信號(hào)的方法來實(shí)現(xiàn)。為確保人的肉眼看不到PWM 脈沖，PWM 信號(hào)的頻率必須高于100 Hz^[7]，即定時(shí)器定時(shí)時(shí)間T < 0.01 s。LED 燈的亮度與PWM 信號(hào)的占空比成正比^[8]，通過線性調(diào)節(jié)PWM 高電平時(shí)間可以進(jìn)行調(diào)光。為適應(yīng)人眼舒適度，桌面上的維持平均照度值不能低于300 lx^[9]，當(dāng)亮度低于這一值時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)調(diào)光。

4 調(diào)試與測(cè)試

由于GY-30 亮度傳感器能夠直接輸出環(huán)境亮度的數(shù)字值，無需復(fù)雜計(jì)算，無需標(biāo)定就能獲得高精度測(cè)量值。

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，由于溫度影響導(dǎo)致超聲波測(cè)距產(chǎn)生誤差，改用帶溫度補(bǔ)償公式^[10] 之后，測(cè)量值與實(shí)際值更接近：

式中，t 為當(dāng)前溫度（單位：℃），v 為當(dāng)前溫度下的實(shí)際超聲波速度（單位：m/s）。

邀請(qǐng)了10 位不同身高的同學(xué)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了整體測(cè)試。測(cè)試表明，智能書桌能按測(cè)試者的坐姿高度將桌面調(diào)整到合適的高度，且語音模塊能正確播報(bào)坐姿矯正和久坐提醒。當(dāng)切換到手動(dòng)模式時(shí)，桌面高度、臺(tái)燈、電扇等模塊都能正確地響應(yīng)鍵盤指令。智能書桌系統(tǒng)可以穩(wěn)定、可靠地完成預(yù)設(shè)功能。

經(jīng)過測(cè)試，本項(xiàng)目所實(shí)現(xiàn)的智能書桌參數(shù)如表2 所示。

5 結(jié)束語

本項(xiàng)目基于STM32 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)智能書桌。該書桌能按照使用者的身高自動(dòng)初步調(diào)節(jié)桌面到合適的高度，能在使用者距離桌面過近時(shí)發(fā)出語音提示，在久坐時(shí)進(jìn)行提示，此外還能按照環(huán)境光、環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)燈和風(fēng)扇。該智能書桌有助于使用者培養(yǎng)良好的讀寫習(xí)慣。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年1月期）