基于STM32F103RCT6單片機(jī)的戶外多功能智能長椅設(shè)計(jì)*

朱 凱 ， 張金花 ， 邵晨偉 ， 佘 勃

（宿遷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

隨著現(xiàn)代化生活越來越豐富，人們生活的壓力也越來越大，日常的休息、娛樂就顯得尤為重要。社區(qū)、公園、廣場等公共場所作為人們茶余飯后小憩的主要場所，為了方便人們休閑，都設(shè)置了休息長椅。普通長椅只能供人們疲勞后的短暫休息，不能滿足人們（尤其是老年人）個性化的生理和心理需求。

國外戶外休閑產(chǎn)品市場無論在休閑活動市場上還是戶外旅游上都相對成熟，如2016年，在美國紐約的時代廣場就出現(xiàn)了一款“X”型戶外愛心躺椅，為人們提供一個寧靜舒適的休息之地。另外，在美國部分公園中出現(xiàn)了一種多功能長椅，這種椅子在提供手機(jī)充電功能的同時還滿足了人們休息的需求。它是由一家初創(chuàng)公司發(fā)明的，椅子安裝了太陽能轉(zhuǎn)換裝置，人們可以使用上面的USB接口為手機(jī)充電，該功能為了保護(hù)客戶隱私還給硬件部分裝配了保護(hù)，如果有人試圖拆除或者破壞保護(hù)部分，充電器就會斷開充電。而且，長椅還設(shè)置了顯示電腦，能夠收集城市的空氣質(zhì)量、日照強(qiáng)度以及過往的人群密度并在顯示屏上顯示出來。由于這種長椅性價比較低，目前在社區(qū)街道和公共場合還沒有普及。英格蘭西部的兩個小鎮(zhèn)則嘗試在公園設(shè)置“聊天長椅”，以降低人們的孤獨(dú)感。

相比以上產(chǎn)品，我國的戶外休閑長椅多為大型的躺椅，這類躺椅雖然十分舒適，但僅僅是提供休息，沒有考慮實(shí)現(xiàn)其他用途。也就是說，我國早期在戶外休閑用品的人性化設(shè)計(jì)方面幾乎是一片空白[1]。經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，我國目前戶外休閑椅在設(shè)計(jì)方面普遍存在著功能單調(diào)、設(shè)置不合理等問題，要使戶外休閑椅滿足戶外活動人群的需求及達(dá)到與環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，必須關(guān)注和諧理念，將和諧化設(shè)計(jì)的相關(guān)理論融入戶外休閑椅的設(shè)計(jì)過程中。和諧化設(shè)計(jì)的相關(guān)理論研究及其實(shí)踐活動是時代發(fā)展的需要，但目前尚處在較初級的階段，還需要進(jìn)一步地拓展和深化，尤其是在應(yīng)用研究領(lǐng)域的深化[2]。另外，人口老齡化是我國日益嚴(yán)重的問題，關(guān)愛老年人健康，為老年人設(shè)計(jì)輔助產(chǎn)品和服務(wù)，將是重中之重。基于“人-戶外休閑躺椅-環(huán)境”相互協(xié)調(diào)，目前已研究設(shè)計(jì)出一款滿足老年人生理和心理需求的可攜式戶外休閑躺椅，以解決老年人睡眠和站立困難等問題[3]。伴隨著智能時代的來臨，目前還研究設(shè)計(jì)出一款基于公共空間的多功能長椅，它可以供給有需要的路人為手機(jī)充電以及進(jìn)行LED燈照明，該長椅也可變化成睡床，隱含折疊帳篷，滿足無家可歸者的臨時居住需求。這款長椅功能較多，成本較高，目前也尚未推廣應(yīng)用[4]。

本課題兼顧了人們戶外休息與休閑娛樂的需求，設(shè)計(jì)了一款多功能智能長椅，在普通長椅的基礎(chǔ)上增設(shè)了天暗亮燈、手機(jī)充電、自動播放音樂等功能，使人們在休閑時還可以享受到一定的服務(wù)，提高了人們整體的戶外休閑生活質(zhì)量。該設(shè)計(jì)有一定的創(chuàng)新性，同時前景十分廣闊。

1 總體方案制訂

課題組采用STM32F103RCT6單片機(jī)為主控芯片，設(shè)計(jì)了一款性能優(yōu)良、運(yùn)行可靠的戶外智能長椅，其主要由STM32F103RCT6單片機(jī)、USB充電模塊、音樂播放模塊、光敏電路傳感器、驅(qū)動電路模塊等組成，如圖1所示。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理是：當(dāng)人們使用長椅時，通過光敏感應(yīng)模塊檢測環(huán)境，若光線不足，則自動點(diǎn)亮LED燈，提供照明；同時控制板上有手機(jī)充電模塊、音樂播放模塊為人們提供充電和點(diǎn)歌娛樂的功能，使人們身體休息的同時，精神也得到充分的放松。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 STM32F103RCT6簡介

這次單片機(jī)設(shè)計(jì)采用的是STM32F103RCT6芯片，這個單片機(jī)包含了32位的高速時鐘、存儲器、內(nèi)置的溫度傳感器、復(fù)位、Cortex-M3內(nèi)核和電源管理。而作為高速的嵌入式的存儲器，器件擁有一路PWM定時器、兩個12位的ADC通道和三路通用16位定時器，以及兩個IIC數(shù)據(jù)傳輸接口與API數(shù)據(jù)傳輸接口，還有一個USB通道等。單片機(jī)耗能小，工作電壓低，僅為2.0 V~3.6 V。芯片實(shí)物如圖2所示，文獻(xiàn)[5]介紹了STM32F103RCT6單片機(jī)的功能。

圖2 STM32F103RCT6單片機(jī)芯片

2.2 按鍵輸入模塊

通過按鍵來調(diào)試音樂播放功能，按鍵功能：K1.播放；K2.暫停；K3.上一首；K4.下一首。按鍵模塊電路圖如圖3所示。

圖3 按鍵模塊

2.3 光敏電阻傳感器模塊

本設(shè)計(jì)添加了自動補(bǔ)光系統(tǒng)，即在光線較暗的情況下能夠提供充足的光源，感應(yīng)元件可以感應(yīng)到光線的強(qiáng)弱，利用這一特性來實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)光功能。光線強(qiáng)度較強(qiáng)時，光敏電阻阻值變小，就形成通路（并聯(lián)的兩個LED燈都亮），無信號輸出。光線強(qiáng)度較弱時，光敏電阻阻值變大，形成斷路狀態(tài)（只有另一個支路的LED燈亮），獲得此時環(huán)境中光線較暗的信號輸出給MCU，再由MCU控制驅(qū)動模塊讓LED燈亮（紅燈）。光敏感應(yīng)電路中增加綠色LED燈則是為了讓電路狀態(tài)顯示更加明了，光敏模塊電路圖如圖4所示。

圖4 光敏模塊

2.4 驅(qū)動模塊電路

繼電器的本質(zhì)是用一個回路控制另一個回路的通斷，其基本原理是利用電磁效應(yīng)控制機(jī)械觸點(diǎn)達(dá)到通斷的目的，用鐵芯給線圈通電，對線圈電流產(chǎn)生磁場，并吸收電樞作用使觸點(diǎn)通斷。輸入電壓以及MCU光線較暗信號的輸入給線圈通電，開關(guān)閉合，與LED（紅燈）形成回路，光線較暗時，照明燈就會打開。繼電器驅(qū)動模塊的電路圖如圖5所示。

圖5 驅(qū)動模塊電路

2.5 USB充電模塊

對于長椅增加手機(jī)充電功能而言，USB接口符合市面上大部分手機(jī)的充電接口，而且這一措施也十分便利，防止出現(xiàn)人們在椅子上休息時手機(jī)電量耗盡的情況，以備不時之需。

本設(shè)計(jì)使用TP5100充電元件，充電電路如圖6所示，現(xiàn)介紹引腳功能如下：

圖6 充電電路

引腳16和引腳1的作用是接輸入電壓；

引腳2和引腳3的作用是MOS管為輸出端，連接USB數(shù)據(jù)線給手機(jī)充電，并聯(lián)二極管（保護(hù)MOS管防漏），串聯(lián)電感（阻交流，通直流），并聯(lián)兩個電容（提高工作效率，降低損耗）；

引腳9和引腳8的作用是串聯(lián)回路來檢測充電進(jìn)行；

引腳12的作用是設(shè)置恒流電流；

引腳15的作用是元件開始導(dǎo)電和充電進(jìn)行中藍(lán)燈常亮。

2.6 音樂播放模塊

本設(shè)計(jì)使用DY-SV17F語音模塊，UART串口控制的引腳1接MCU的RX端口和引腳2接MCU的TX端口同時給MCU輸送串口信號，通過引腳5接MCU的PA7口接收播放音樂的信號，引腳18和引腳17接喇叭的正負(fù)極和5 W的功放芯片來直接驅(qū)動3 W~5 W喇叭，板載32Mbit flash存儲音頻，通過USB下載音頻文件，如圖7所示。

圖7 播放、調(diào)試下載模塊

3 軟件設(shè)計(jì)

首先，調(diào)用庫函數(shù)，GPIO口初始化函數(shù)，定時器初始化函數(shù)，ADC，串口，PWM，IIC。其次，根據(jù)光敏電阻的ADC采樣值線性改變臺燈的亮度，控制充電模塊進(jìn)行，使用按鍵中斷進(jìn)行音樂模塊的操作，控制串口發(fā)送對應(yīng)指令，進(jìn)而控制音樂播放模塊進(jìn)行音樂播放，主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

4 系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試

4.1 自動補(bǔ)光

測試光線傳感器，查看是否可以檢測到環(huán)境的亮暗。如圖9所示。

圖9 光線強(qiáng)弱的區(qū)別

4.2 手機(jī)充電

測試USB充電口是否可以充電，如圖10所示。

圖10 能否充電

4.3 音樂播放

測試音樂播放模塊是否可以使用，按鍵調(diào)試是否出錯，如圖11所示。

圖11 可以順利使用按鍵播放音樂

5 結(jié)論

課題組設(shè)計(jì)了一款性能優(yōu)良、運(yùn)行可靠的多功能智能長椅，能夠滿足人們休閑娛樂的個性化需求，操作便捷，結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。只要公共設(shè)施地理空間允許，就可以安裝該多功能智能長椅，滿足人們的多重需求，豐富了人們的生活，完善了城市的服務(wù)功能。