基于單片機(jī)的智能型桌椅的設(shè)計(jì)?

榮 蓮，王海明，朱昌昊，杜 娟，韓建華

（太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

近視已成為危害我國學(xué)生健康的突出問題，因此，近視防治刻不容緩。造成我國學(xué)生近視的原因除了少部分是遺傳因素外，大部分是由于學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)過重，加上不良的用眼習(xí)慣，導(dǎo)致近距離用眼時(shí)間過長而引起的。作為中小學(xué)生，學(xué)習(xí)所用的桌椅成為他們必不可少的伙伴。因此，我們可以利用這些桌椅來協(xié)助家長和老師培養(yǎng)學(xué)生良好的用眼習(xí)慣和正確的坐姿。

1 桌子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使學(xué)生在看書寫字時(shí)眼睛與書本保持垂直，把桌面設(shè)計(jì)成有一定傾斜斜度的結(jié)構(gòu)，并且傾斜角度與圓弧寬度可調(diào)（采用拉桿式可調(diào)裝置），以適應(yīng)不同的學(xué)生。另外，為保持學(xué)生讀寫時(shí)的正確坐姿，把桌面靠近學(xué)生的一邊設(shè)計(jì)成有一定圓弧狀的邊緣結(jié)構(gòu)，使學(xué)生在坐直的時(shí)候貼緊桌子邊緣，這樣也增加了學(xué)習(xí)的舒適度。

根據(jù)人體工效學(xué)原理，兒童桌的高度設(shè)計(jì)在484 mm～708mm之間并可調(diào)節(jié)。高度調(diào)節(jié)通過旁板和調(diào)節(jié)板上不同高度的孔連接來進(jìn)行。桌子的高度設(shè)計(jì)分為8檔，各檔高度的適應(yīng)身高如表1所示。

表1 桌面高度調(diào)節(jié)范圍

旁板和調(diào)節(jié)板的設(shè)計(jì)分別如圖1和圖2所示。根據(jù)兒童每年身高的增長情況，調(diào)節(jié)桌面至適用高度。

2 椅子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使體重更多地集中于坐骨骨節(jié)處，減少腿部的負(fù)荷，座椅的前端不宜過高，即座椅不能前高后低，而應(yīng)后高前低，傾角為8°～12°，最大不能超過15°，這樣就可有效減輕脊柱彎曲的程度。但由于椅面向前傾斜容易下滑，所以應(yīng)設(shè)置軟坐墊和腳踏。桌子的高度和傾角也是影響坐姿的重要因素，太低將導(dǎo)致脊柱的過度彎曲，太高又會(huì)使上肢不能自然舒適的支撐，并影響眼睛到桌面的距離。為了更適合眼睛觀察，桌面應(yīng)向座位下方傾斜10°～15°。

圖1 旁板

圖2 調(diào)節(jié)板

依據(jù)人體工程學(xué)要求，對(duì)椅面大小、椅背高低以及角度進(jìn)行設(shè)計(jì)。椅背和椅面呈95°，使用時(shí)可以完全輕松地靠在椅背上，使身體第4至第5節(jié)腰椎的壓力減小，不易產(chǎn)生疲勞。兒童椅的高度在260mm～452mm間可調(diào)，通過氣壓式腳動(dòng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。腰墊的位置一般位于第3至第5腰椎部分，厚度以5cm左右為宜。座面傾角一般設(shè)計(jì)成0°～3°，以保證身體姿勢(shì)及腰墊的合理支撐。另外，工作之余，為使人能得到充分的休息，背傾角應(yīng)為5°～30°可調(diào)。

3 糾正坐姿設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件電路組成與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要包括壓力信號(hào)電路、紅外信號(hào)電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、按鍵電路等，各部分的主要功能如下。

3.1.1 壓力信號(hào)電路

該電路信號(hào)用于控制系統(tǒng)計(jì)時(shí)時(shí)鐘和系統(tǒng)處于待機(jī)時(shí)鐘，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)時(shí)間的控制。在按下學(xué)習(xí)鍵的同時(shí)，壓力信號(hào)電路有信號(hào)輸入，系統(tǒng)計(jì)時(shí)時(shí)鐘開始計(jì)時(shí)。當(dāng)學(xué)習(xí)時(shí)間達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的最高時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警電路每隔5min發(fā)出語音提示，提示使用者應(yīng)該休息了。

當(dāng)使用者因?yàn)槟承┰螂x開椅子，壓力傳感器無電流輸入后，系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)。此時(shí)待機(jī)時(shí)鐘啟動(dòng)并開始計(jì)時(shí)，而系統(tǒng)學(xué)習(xí)時(shí)間停止計(jì)時(shí)，當(dāng)達(dá)到最高待機(jī)設(shè)定時(shí)間時(shí)（最機(jī)待機(jī)時(shí)間設(shè)定為8min），系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)使用者在設(shè)定時(shí)間內(nèi)回到椅子上，壓力傳感器有電流輸入后，系統(tǒng)學(xué)習(xí)時(shí)間繼續(xù)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)待機(jī)時(shí)間歸零。如此重復(fù)。

3.1.2 紅外信號(hào)電路

該電路信號(hào)用于控制系統(tǒng)使用者坐姿中的肩平、背直，讓使用者在學(xué)習(xí)中保持正確的坐姿，從而幫助學(xué)生養(yǎng)成良好的用眼習(xí)慣，有效防治近視的發(fā)生。

系統(tǒng)在學(xué)習(xí)模式下通過4個(gè)紅外感應(yīng)器控制肩平，4個(gè)紅外感應(yīng)器兩兩相對(duì)，分別位于兩肩正中。每兩個(gè)紅外感應(yīng)器在豎直方向上有一定的距離，而肩上方就在這兩個(gè)紅外感應(yīng)器之間，當(dāng)肩的傾斜超過一定程度時(shí)發(fā)出語音提示。

系統(tǒng)在學(xué)習(xí)模式下通過4個(gè)紅外感應(yīng)器控制背直，當(dāng)下端兩個(gè)紅外感應(yīng)信號(hào)均無電流輸入時(shí)，系統(tǒng)也將發(fā)出語音提示。

系統(tǒng)在調(diào)試模式下當(dāng)肩上端在兩感應(yīng)器之間時(shí)（即上端兩個(gè)感應(yīng)器無電流輸入而下端兩個(gè)感應(yīng)器有電流輸入時(shí)），系統(tǒng)提示調(diào)試成功。

3.1.3 復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和按鍵電路

單片機(jī)在工作之前進(jìn)行復(fù)位，使單片機(jī)所有部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作，使程序從指定處開始執(zhí)行。當(dāng)程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于“死機(jī)”狀態(tài)時(shí)，需復(fù)位以重新啟動(dòng)。本次設(shè)計(jì)采用兼有上電外部復(fù)位與按鍵復(fù)位的電路，它能輸出兩種電平的復(fù)位控制信號(hào)，以適應(yīng)外圍I／O接口芯片所需要的不同復(fù)位電平信號(hào)。復(fù)位電路圖如圖3所示。

單片機(jī)必須在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下才能進(jìn)行工作。AT89C51型單片機(jī)內(nèi)部具有一個(gè)時(shí)鐘振蕩電路，只需要外接振蕩器，即可為各部提供時(shí)鐘信號(hào)。

系統(tǒng)共有4個(gè)按鍵：開／關(guān)機(jī)鍵、調(diào)試鍵、學(xué)習(xí)鍵和復(fù)位鍵。通過按鍵來控制系統(tǒng)的開關(guān)、復(fù)位、學(xué)習(xí)與調(diào)試狀態(tài)的切換。每個(gè)按鍵都對(duì)應(yīng)有一個(gè)指示燈，用以提示使用者現(xiàn)在系統(tǒng)處于何種狀態(tài)。同時(shí)使用者可以通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)通信。

圖3 復(fù)位電路圖

3.1.4 系統(tǒng)供電電路和指示燈電路

選用兩節(jié)3.6V充電鋰電池串聯(lián)，即輸入電壓為7.2V。由于AT89C51型單片機(jī)的工作電壓為5V，所以需要對(duì)輸入電壓進(jìn)行降壓，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用TPS71401電池管理芯片。

在指示燈電路中共有4個(gè)指示燈，每個(gè)指示燈都對(duì)應(yīng)一個(gè)按鍵，用以提示使用者現(xiàn)在系統(tǒng)處于何種狀態(tài)。指示燈1對(duì)應(yīng)開關(guān)機(jī)鍵，它與開關(guān)電路相連；指示燈2對(duì)應(yīng)復(fù)位鍵，其對(duì)應(yīng)的I／O接口為P1.1；指示燈3對(duì)應(yīng)調(diào)試鍵，其對(duì)應(yīng)的I／O接口為P1.2；指示燈4對(duì)應(yīng)學(xué)習(xí)鍵，其對(duì)應(yīng)的I／O接口為P1.0。當(dāng)相應(yīng)的鍵按下時(shí)，發(fā)光二級(jí)管導(dǎo)通，指示燈發(fā)光。指示燈電路如圖4所示。

圖4 指示燈電路圖

3.1.5 語音提示電路

語音提示電路用于引起使用者的注意并提示使用者所犯的錯(cuò)誤，共有4種語音提示：調(diào)試合適、注意肩平、注意背直、應(yīng)該休息了。本系統(tǒng)選擇APR9600語音錄放芯片，其具有音質(zhì)好、噪聲低、不怕斷電、可反復(fù)錄放的特點(diǎn)。

3.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.2.1 主程序流程

該智能桌椅控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用的是順序執(zhí)行并反復(fù)循環(huán)的方法。智能桌椅共有4個(gè)功能鍵，每個(gè)功能鍵各調(diào)用一個(gè)子程序完成相應(yīng)的功能。在程序中定時(shí)掃描P3接口，若有鍵按下，則調(diào)用鍵盤子程序進(jìn)行相應(yīng)的處理；若無，則程序繼續(xù)掃描。主程序流程如圖5所示。

3.2.2 初始化子程序流程

任何控制系統(tǒng)開始正常工作前都必須進(jìn)行初始化，該智能桌椅的初始化程序主要是針對(duì)兩個(gè)定時(shí)器和一個(gè)中斷。初始化子程序流程如圖6所示。

3.2.3 中斷程序流程

該程序用于當(dāng)壓力傳感器無輸入時(shí)，控制系統(tǒng)待機(jī)時(shí)間進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)關(guān)機(jī)。中斷程序流程如圖7所示。

3.2.4 按鍵子程序流程

在該控制系統(tǒng)中，共使用了4個(gè)功能鍵S1、S2、S3、S4來處理智能桌椅的不同功能。按鍵子程序的控制流程如圖8所示。

4 總結(jié)

本文通過對(duì)智能桌椅的設(shè)計(jì)，并利用單片機(jī)的原理，來提醒使用者保持正確的坐姿和良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，從而達(dá)到預(yù)防近視的目的，實(shí)現(xiàn)了桌椅的智能化，為青少年的健康學(xué)習(xí)提供了有力保障，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

圖5 主程序流程圖

圖6 初始化子程序流程圖

圖7 中斷程序流程圖

圖8 按鍵子程序流程圖

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