基于STM32單片機的智能書桌設(shè)計與實現(xiàn)

謝福 王振省 李俊 童宣科

摘 要：為了讓使用者養(yǎng)成良好的讀寫習(xí)慣，減少近視、頸椎腰椎疾病的發(fā)生，本文設(shè)計了一個智能書桌。該智能書桌用STM32作為主控芯片，通過超聲波測距判斷使用者身高，然后自動調(diào)節(jié)合適的桌面高度，當使用時間超過1小時后語音提醒使用者起身活動。該智能書桌還可以根據(jù)環(huán)境光照自動調(diào)節(jié)LED臺燈至適合人眼的光照強度；當溫度較高時，風(fēng)扇會開啟降溫；配備密碼鎖的抽屜可供用戶保存私人物品。測試結(jié)果表明，該智能書桌可以按照不同使用者情況進行調(diào)節(jié)，達到了預(yù)期的設(shè)計目標。

關(guān)鍵詞：智能書桌；溫度測量；光照度測量；步進電機；超聲波測距

*項目支持：本課題得到了國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目（項目編號：201510595024）的支持

研究結(jié)果表明，學(xué)生的讀寫姿勢不正確率高達70%甚至85%以上[1]。不良的讀寫姿勢、不合適的光照條件會令學(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，進而導(dǎo)致近視[2]。從長遠看，不良的讀寫姿勢還會對學(xué)生的脊柱和頸椎形狀，乃至整體形貌和健康產(chǎn)生負面影響；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，本項目設(shè)計了一款能根據(jù)使用者情況自動調(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)境光照自動控制亮度的LED臺燈、隨環(huán)境溫度自動控制轉(zhuǎn)速的風(fēng)扇、帶密碼鎖的抽屜等功能。同時為了提高使用者使用體驗，也允許用戶對桌面高度、LED臺燈、風(fēng)扇進行手動控制。

1 設(shè)計思路

在對設(shè)計需求進行分析后，畫出系統(tǒng)的原理框圖，如圖1所示。為了能夠簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和測試過程，本設(shè)計采用模塊化的思想。其中人體感應(yīng)模塊用于判斷當前是否有使用者。身高測量模塊測量使用者身高，從而自動控制、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。語音播報模塊用于坐姿不正提醒、久坐提醒。在自動模式下，主控芯片通過亮度測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，對溫度進行調(diào)節(jié)。為了適應(yīng)不同使用者的習(xí)慣，智能書桌系統(tǒng)還提供了手動控制功能，通過鍵盤模塊手動調(diào)節(jié)桌面高度、亮度、鬧鐘以及抽屜密碼鎖。顯示屏可以顯示當前時間、溫度、光照度等信息。

2 方案選擇

本設(shè)計選擇了STM32F407ZET6作為主控芯片，這是因為該芯片最高能以168 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，便于簡化設(shè)計電路，專注于實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

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

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

亮度測量模塊采用GY-30亮度傳感器實現(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)雜計算環(huán)節(jié)，無需標定就能獲得高精度測量值。

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

語音播報模塊采用CN-TTS語音合成模塊，可實現(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控制方式簡單，可兼容5 V或3.3 V單片機，單片機可以通過串口發(fā)送GBK編碼的形式對其控制。

3 方案實施

3.1 主程序流程

圖2是主程序流程圖。當檢測到使用者在書桌旁后，首先檢測使用者的身高，然后對書桌高度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、臺燈亮度進行調(diào)節(jié)，最后對坐姿進行監(jiān)測，實現(xiàn)對不正確坐姿的友好提醒。此外，如圖3所示，本系統(tǒng)還設(shè)計了中斷處理程序，當人體感應(yīng)模塊檢測到人離開桌子時，程序會自動跳出主程序，進入待機模式，以實現(xiàn)低功耗要求。

3.2 人體感應(yīng)、身高測量、坐姿檢測

如圖4所示，通過3個超聲波測距儀可以實現(xiàn)人體感應(yīng)、身高測量、坐姿檢測的功能。

測距儀1位置固定，其測量方向與桌面平行，用于測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來確定當前是否有人使用書桌。

測距儀2固定在舵機上，可隨舵機轉(zhuǎn)動，其初始測量方向與桌面平行。當判斷當前有人使用書桌時，測距儀2從初始位置開始隨舵機向上轉(zhuǎn)動，同時測量距離；直到該距離突然增大，表明測距儀2此時發(fā)出的超聲波已經(jīng)越過了使用者的頭頂，則上一時間點檢測到的距離就是測距儀2與使用者頭部的距離S2。

3.3 桌面高度、亮度、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

桌面高度調(diào)節(jié)通過控制電機帶動書桌升降實現(xiàn)。為了實現(xiàn)對溫度的自動調(diào)節(jié)，主控芯片通過PID算法調(diào)制I/O口輸出的PWM波進行控制。單片機通過指定溫度和當前溫度計算出偏差，將其送入PID控制器，PID控制器經(jīng)過運算，可計算出使誤差最快減為0的PWM占空比，單片機通過設(shè)置定時器中斷產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM脈沖，從而實現(xiàn)對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制，達到指定溫度[6]。同樣，亮度調(diào)節(jié)可通過單片機的I/O口輸出PWM信號的方法來實現(xiàn)。為確保人的肉眼看不到PWM脈沖，PWM信號的頻率必須高于100 Hz[7]，即定時器定時時間T < 0.01 s。LED燈的亮度與PWM信號的占空比成正比[8]，通過線性調(diào)節(jié)PWM高電平時間可以進行調(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]，當亮度低于這一值時，系統(tǒng)將會自動調(diào)光。

4 調(diào)試與測試

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)雜計算，無需標定就能獲得高精度測量值。

邀請了10位不同身高的同學(xué)對系統(tǒng)進行了整體測試。測試表明，智能書桌能按測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坐姿矯正和久坐提醒。當切換到手動模式時，桌面高度、臺燈、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。

5 結(jié)束語

本項目基于STM32單片機實現(xiàn)了一個智能書桌。該書桌能按照使用者的身高自動初步調(diào)節(jié)桌面到合適的高度，能在使用者距離桌面過近時發(fā)出語音提示，在久坐時進行提示，此外還能按照環(huán)境光、環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)臺燈和風(fēng)扇。該智能書桌有助于使用者培養(yǎng)良好的讀寫習(xí)慣。

參考文獻：

[1]呂敏之，何鮮桂，王明進.學(xué)生讀寫姿勢研究進展[J].中國學(xué)校衛(wèi)生，2017，38（5）：795-798.

[2]王雁，薛金山，銀麗高，等.青少年兒童近視的影響因素及防治[J].中國藥物經(jīng)濟學(xué)，2013（6）：175-177.

[3]方躍偉，潘松濤，段蔣文.辦公室坐姿作業(yè)肌肉骨骼疾患健康危害及對策[J].健康教育與健康促進，2014（4）：326-328.

[4]武珊珊，何麗華，王生，等.坐姿作業(yè)肌肉骨骼疾患問卷的編制[J].中華勞動衛(wèi)生職業(yè)病雜志，2011（12）：908-912.

[5]GB/T 3976—2014 學(xué)校課桌椅功能尺寸及技術(shù)要求[S].

[6]王蕊.基于單片機的多功能自動調(diào)溫風(fēng)扇系統(tǒng)設(shè)計[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2014.

[7]周志敏.LED照明技術(shù)與應(yīng)用電路[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2009.

[8]李淵，李寶營，穆艷，等.LED可調(diào)光自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].液晶與顯示，2011，26（1）：96-99.

[9]GB7793—2010 中小學(xué)教室采光和照明衛(wèi)生標準[S].

[10]季濤.時差法多聲道氣體超聲波流量計的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2017.

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