基于STC89C52單片機的坐姿矯正系統(tǒng)設(shè)計

摘" 要：文章以STC89C52單片機為核心器件，結(jié)合HC-RS04超聲波傳感器、光敏電阻、定時器、ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器、LCD1602液晶顯示屏，設(shè)計了坐姿糾正系統(tǒng)。通過超聲波傳感器對用戶與被測物體的距離進行實時監(jiān)測，通過光敏電阻對所處環(huán)境的光照強度進行實時監(jiān)測，并通過單片機處理收集到的數(shù)據(jù)。當測得的距離或者光照強度任意一者超出正常范圍時，單片機通過驅(qū)動蜂鳴器報警，提醒用戶注意糾正。同時，通過LCD1602顯示屏實時顯示測得的數(shù)據(jù)。詳細研究了基于單片機的坐姿糾正系統(tǒng)設(shè)計的硬件電路和軟件設(shè)計方案，運用Keil軟件進行代碼調(diào)試，運用Proteus進行軟件仿真。功能測試證明，所設(shè)計的坐姿糾正系統(tǒng)能夠在多種情況下正常工作。

關(guān)鍵詞：單片機；超聲波傳感器；姿態(tài)監(jiān)測；功能測試

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2025）03-0020-08

Design of Sitting Posture Correction System Based on STC89C52 Single-chip Microcomputer

LI Na， WANG Wei， YAN Meng， WANG Li， ZHENG Ru

（Department of Electronic Engineering， Xihang University， Xi'an" 710077， China）

Abstract： This paper uses STC89C52 single-chip microcomputer as the core device， combined with HC-RS04 ultrasonic sensor， photoresistor， timer， ADC0832 analog-to-digital converter， and LCD1602 LCD screen， to design a sitting posture correction system. Real-time monitoring of the distance between the user and the measured object is carried out through ultrasonic sensors， and the illumination intensity of the environment is monitored in real time through photoresistors. The collected data is processed by the single-chip microcomputer. When either the measured distance or illumination intensity exceeds the normal range， the single-chip microcomputer drives a buzzer alarm to remind the user to pay attention to correction. Meanwhile， the measured data is displayed in real time on the LCD1602 display screen. A detailed study is conducted on the hardware circuit and software design scheme of a sitting posture correction system based on a single-chip microcomputer. Keil software is used for code debugging， and Proteus is used for software simulation. Through functional testing， it has been proven that the designed sitting posture correction system can work normally in various situations.

Keywords： Single-chip Microcomputer; ultrasonic sensor; sitting posture monitoring; functional testing

0" 引" 言

隨著我國科技發(fā)展、電子產(chǎn)品的使用迅速發(fā)展，極大地提高了人們完成事情的效率，但久坐于電腦前也成了大多數(shù)人的常態(tài)，加之當代社會高強度、快節(jié)奏的生活方式，人們工作、學習等時間越來越久，姿勢不良現(xiàn)象十分常見，導致諸多健康問題[1-2]，坐姿矯正系統(tǒng)用于人體坐姿監(jiān)測，能提醒人們及時糾正不良坐姿，有目的性地改善自身的坐姿問題。坐姿糾正對維護人們身體健康、提高辦事效率和預防各種疾病具有十分重要的意義[3-4]。

根據(jù)實際遇到的坐姿問題，從軟硬件兩個方面設(shè)計了基于STC89C52單片機的計步器系統(tǒng)，系統(tǒng)以STC89C52單片機作為核心控制器，采用HC-RS04超聲波模塊監(jiān)測距離，光敏電阻檢測采集環(huán)境光照強度，并通過LCD1602液晶顯示坐姿距離，環(huán)境光強，坐姿時間。系統(tǒng)包括單片機主控模塊、測距模塊、光敏模塊、復位模塊、按鍵模塊、顯示模塊和報警模塊，擁有隨時提醒用戶調(diào)整光強、坐姿以及注意休息的功能，防止對身體產(chǎn)生危害。

1" 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1" 設(shè)計任務(wù)

本系統(tǒng)是以主控單片機電路為控制系統(tǒng)進行的測量和顯示，具體任務(wù)如下：

1）根據(jù)該系統(tǒng)的工作原理，完成系統(tǒng)的總體設(shè)計和框架，包括對硬件的選型等。

2）采用Proteus仿真平臺逐步搭建各模塊硬件電路圖；明確各模塊的工作原理；模塊化、結(jié)構(gòu)化完成主程序和子程序的編寫。

3）完成各種狀態(tài)下硬件的仿真和功能調(diào)試，多次實驗采集數(shù)據(jù)并且進行了數(shù)據(jù)處理和誤差分析，驗證其可行性。

1.2" 設(shè)計方案

以主控單片機為核心的坐姿矯正系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示，利用光敏電阻采集光線信號，通過AD采集光線信號的強弱，把光線強度等級化，用戶通過自己設(shè)置上限和下限來確定報警范圍，提醒用戶調(diào)整光強[5-6]。利用超聲波傳感器測出用戶與被測物體的距離，當?shù)玫降木嚯x值超出用戶設(shè)置的距離范圍時發(fā)出報警聲提醒用戶調(diào)整坐姿。通過單片機內(nèi)部定時器計時，當使用時長達到用戶設(shè)定的時間時，自動發(fā)出報警提示，提醒用戶注意休息。

2" 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1" 主控制模塊

采用STC89C52單片機作為本次設(shè)計的核心控制單元，單片機主控電路如圖2所示，實現(xiàn)自動報警與提醒、處理超聲波測得的信號，以及處理光照強度信息。

2.2" 超聲波測距模塊

超聲波模塊接線如圖3所示，共有4個引腳，分別為VCC、GND、TRIG、ECHO。VCC提供5 V電源，GND為地線，TRIG觸發(fā)控制信號輸入，ECHO為回響信號輸出。用戶可以根據(jù)實際需求自主設(shè)定距離閾值，當測得的數(shù)據(jù)超出標準時觸發(fā)報警[7-8]。

測距原理如圖4所示，系統(tǒng)通過超聲波發(fā)射器發(fā)出一系列高頻率聲波信號，這些聲波信號以一定的速度在空氣中傳播；當遇到障礙物時，會被反射回來，超聲波接收器會捕捉到這些反射信號[9]；系統(tǒng)會記錄從發(fā)射超聲波到接收的時間，這個時間即為往返的總時間；根據(jù)距離=速度×時間，就可以計算出測量距離。

超聲波時序如圖5所示，基本工作流程為：IO口TRIG觸發(fā)測距，提供至少10 μs的高電平信號；模塊自動發(fā)送8個40 kHz的方波，并且自動檢測是否有信號返回；若一旦檢測到有信號返回，則通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，言外之意為回響信號的脈沖寬度與所測距離成正比。所測距離=聲速×高電平持續(xù)時間÷2。

2.3" 光照強度檢測電路

光照強度檢測電路如圖6所示，光照強度檢測模塊采用光敏電阻，光敏電阻的阻值會隨著光線強度的變化而變化，然后分得的電壓也會產(chǎn)生變化[10]。經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后就可以得到各種光照強度下的電壓值，從而便于設(shè)定出理想的光線強度報警值。

2.4" 電源電路

采用5 V-USB給單片機供電，電源電路如圖7所示。

3" 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1" 系統(tǒng)主程序流程圖

主程序流程圖如圖8所示，系統(tǒng)開始工作后進行初始化操作，此后看到的液晶顯示屏上的內(nèi)容為：當下測得的距離、當下所處的光照強度和準備開始計時界面。然后，就會進行對各個數(shù)據(jù)的判定。首先詢問的是光照強度數(shù)值，判斷用戶所處的環(huán)境是否適宜；若在正常值內(nèi)，則會進行下一步；反之，則會報警提醒用戶注意調(diào)整光線。接下來判斷用戶的坐姿是否正確，如果在正常范圍內(nèi)，則進行下一步判斷；如果用戶坐姿錯誤，則系統(tǒng)就會報警提示用戶，注意糾正姿勢。最后一步就是判斷時間是否達到45分鐘，若沒有達到，則系統(tǒng)會返回持續(xù)實時監(jiān)測；若達到45分鐘，則系統(tǒng)報警，提醒用戶注意休息調(diào)整。

3.2" 系統(tǒng)子程序流程圖

3.2.1" 測量距離子程序

測量距離流程圖如圖9所示，測距功能開始后，首先判斷定時是否到1 s，如果已經(jīng)到1 s，則超聲波發(fā)射標志位置1，開始超聲波發(fā)射，同時開啟定時器T1和外部中斷0；若不到1 s，則返回繼續(xù)計時。接下來詢問是否檢測到回波，若接收到了回波，停止定時器T1，計算距離；若沒有接收到回波，則返回繼續(xù)發(fā)射超聲波。計算得來的距離值若小于設(shè)定的距離值，說明用戶坐姿過于靠近，則系統(tǒng)報警提醒用戶注意調(diào)整；如果大于設(shè)定的距離，則返回主程序進行下一步。

3.2.2" 測量光照子程序

光照強度測量流程圖如圖10所示，系統(tǒng)初始化后，光敏電阻會實時采集環(huán)境的光照強度；然后傳輸給ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將光敏電阻采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，方便于單片機處理和顯示。系統(tǒng)會根據(jù)用戶設(shè)定的閾值進行判斷，超出用戶設(shè)定的正常范圍則蜂鳴器報警、LED指示燈閃爍；反之，則返回繼續(xù)檢測光強。

3.2.3" 定時器子程序

定時器計時流程圖如圖11所示，系統(tǒng)初始化后，開啟定時器計時；在計時過程中，可以選擇暫?；蛘咔辶阒匦聠佣〞r；定時器會不間斷檢測是否到達用戶預設(shè)時間，如果達到則計時結(jié)束，引發(fā)蜂鳴器報警；如果沒有達到預設(shè)時間，則返回繼續(xù)檢測。

3.2.4" 報警提示子程序

報警提示流程圖如圖12所示，系統(tǒng)初始化后讀取傳感器傳來的數(shù)據(jù)，并且做出判斷處理。如果數(shù)據(jù)處于正常范圍則繼續(xù)監(jiān)測；反之，激活報警。緊接著，判斷用戶是否做出相應(yīng)調(diào)整，如果做出調(diào)整則關(guān)閉報警，如果用戶未調(diào)整則持續(xù)報警。

4" 系統(tǒng)仿真及測試

4.1" 系統(tǒng)軟件仿真

首先，在Proteus軟件中搭建仿真環(huán)境，將設(shè)計的電路圖進行正確的連線；然后燒入程序，初始化；觀察系統(tǒng)是否顯示正常，如LCD1602顯示屏是否可以正常顯示距離、光照和時間，蜂鳴器是否可以正常發(fā)出響聲，LED是否可以閃爍等。接下來就可以進行各個功能測試。

系統(tǒng)正常工作狀態(tài)如圖13所示。測得的距離值為0.44 m，光照強度為76 lx，蜂鳴器未發(fā)出響聲，LED指示燈D1熄滅。

當坐姿過于靠近時，如圖14所示，系統(tǒng)發(fā)出警示，蜂鳴器發(fā)出響聲，LED指示燈D1被點亮。測得的距離為0.27 m，小于所設(shè)定的0.3 m，因此報警；光照強度為72 lx，時間為39 s。

光照強度過強時也會引發(fā)報警，仿真結(jié)果如圖15所示，測得的距離為0.46 m，坐姿距離處于正常狀態(tài)下；光照強度為85 lx，大于設(shè)定的最高值80 lx，因此蜂鳴器發(fā)出響聲，LED指示燈D1閃爍。

光照強度過弱時同樣也會觸發(fā)報警，仿真結(jié)果如圖16所示，測得的距離為0.44 m，坐姿距離處于正常狀態(tài)下；光照強度為6 lx，小于設(shè)定的最低值20 lx，因此蜂鳴器發(fā)出響聲，LED指示燈D1閃爍。

4.2" 系統(tǒng)測試

首先進行功能驗證，實驗的基礎(chǔ)是要確保所有模塊都能夠正常工作。檢查模塊的初始化程序能否正常運行，是否存在錯誤，能否實現(xiàn)所需的功能。第二，進行距離檢測，通過實際測量，驗證超聲波測距所得到的結(jié)果是否準確，能否處于正常的誤差范圍之中。第三，設(shè)置報警閾值，因為使用的用戶是不同的，所處的環(huán)境是不同的，所以應(yīng)考慮到種種情況，合理設(shè)置閾值。對于不同的用戶群體，可以分別重新設(shè)置報警數(shù)值，便于提高使用范圍，普及更多的使用群體。第四，針對場景的適應(yīng)性，進行多組實驗，測試在不同的光照強度下系統(tǒng)的準確性、穩(wěn)定性，驗證系統(tǒng)能否靈活適應(yīng)環(huán)境的變化，擴大使用場景。

先將距離的警戒值設(shè)置為0.3 m，定時設(shè)為45分鐘，光照強度上限設(shè)為80 lx，下限設(shè)為20 lx。距離及時間設(shè)置界面如圖17所示，第一行為超聲波測距設(shè)置距離范圍界面，小于此數(shù)值便會報警；第二行為設(shè)置時間界面。光照強度設(shè)置界面如圖18所示，第一行為光照強度上限設(shè)置，第二行為光照強度下限設(shè)置。

當用戶保持正常的坐姿時，系統(tǒng)工作一切正常。測得的距離值為0.35 m，光照強度值為60 lx，計時為34 s。蜂鳴器未響，LED指示燈未被點亮，測試結(jié)果如圖19所示。

坐姿過于靠近的測試結(jié)果如圖20所示，當用戶坐姿過于靠近時，系統(tǒng)開始警示。測得的距離值為0.27 m，小于設(shè)定的0.3 m，所以報警提醒用戶；光照強度值為60 lx，計時為38 s。蜂鳴器開始發(fā)出響聲，LED指示燈開始閃爍。

在不同的光照強度下進行對比實驗，為了方便操作，在接下來的實驗中將光照強度上限設(shè)定為了70 lx，下限保持不變?nèi)詾?0 lx。當用戶坐姿處于正常狀態(tài)下，但光照強度過低時會發(fā)出報警。光照強度過低的測試結(jié)果如圖21所示，光照強度為8 lx，小于設(shè)定的最低值，蜂鳴器發(fā)聲，LED指示燈閃爍。

當用戶坐姿仍然處于正常狀態(tài)時，光照強度過高也會引起報警提醒用戶。此時的測試結(jié)果如圖22所示，光照強度為72 lx，大于設(shè)定的最高值70 lx，蜂鳴器發(fā)聲，LED指示燈閃爍。

4.3" 測試結(jié)果及誤差分析

對所要求測量范圍3～200 cm內(nèi)的平面物體做了50次實驗，記錄測量結(jié)果如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以得出：最小的誤差為0 cm，最大的誤差為2 cm，準確監(jiān)測坐姿狀態(tài)的成功率達到90%。結(jié)合實際生活場景，此設(shè)計可以較好地監(jiān)測用戶坐姿狀態(tài)，并且準確監(jiān)測的成功率較高，滿足坐姿糾正功能。

從實驗結(jié)果來看，設(shè)計的系統(tǒng)雖有一定誤差，但既簡單又有效，相較于市面上的大多數(shù)智能坐姿矯正器成本低，以便可以被普通消費者所接受，并且易于安裝和使用，減少對用戶造成不便，不需要復雜的設(shè)置或調(diào)試，可以及時糾正不良坐姿，有目的性地改善自身的坐姿問題。

5" 結(jié)" 論

本文闡述了基于STC89C52單片機的坐姿矯正系統(tǒng)的設(shè)計過程及測試結(jié)果。通過超聲波傳感器對用戶與被測物體的距離進行實時監(jiān)測，通過光敏電阻對所處環(huán)境的光照強度進行實時監(jiān)測，并通過單片機處理收集到的數(shù)據(jù)，當測得的距離或者光照強度任意一者超出正常范圍時，單片機通過驅(qū)動蜂鳴器報警，提醒用戶注意糾正。分析表明，該坐姿矯正系統(tǒng)可以較好地監(jiān)測用戶坐姿狀態(tài)，并且準確監(jiān)測的成功率較高，滿足坐姿糾正功能，為未來的趨向于智能化的坐姿糾正系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1] 李林翰.基于深度學習的人體異常坐姿識別方法研究 [D].貴陽：貴州大學，2023.

[2] 張沛濤.長時間坐姿使用手機頸肩肌肉疲勞的變化特征及干預研究 [D].天津：天津體育學院，2023.

[3] 鄭臺臺，姚燕，蔡晉輝.基于三維坐姿的壓力數(shù)據(jù)自動標注方法 [J].儀器儀表學報，2023，44（10）：71-79.

[4] 牛連丁，孫劍明，楊碩，等.基于坐姿壓力檢測的人腦注意力分析研究 [J].智能計算機與應(yīng)用，2024，14（6）：95-101.

[5] 國鑫，吳翔昊，王語奇，等.具有坐姿糾正功能的聯(lián)網(wǎng)智能臺燈系統(tǒng)設(shè)計 [J].長江信息通信，2023，36（11）：26-29.

[6] 孟彩茹，孫明揚，宋京.智能化坐姿監(jiān)測機器人控制系統(tǒng)的研究 [J].機械設(shè)計與制造，2021（12）：273-276+281.

[7] 劉艷峰.基于STM32單片機智能臺燈控制系統(tǒng)的設(shè)計 [J].工業(yè)控制計算機，2023，36（3）：142-143+146.

[8] 陳玉瑜，喬生紅，陸宇輝.一種觸碰報警坐姿矯正器的設(shè)計 [J].機電工程技術(shù)，2021，50（6）：161-162.

[9] 王毅，王愷，張藝譚，等.基于超聲波傳感器的智能跟隨系統(tǒng)設(shè)計 [J].傳感器與微系統(tǒng)，2021，40（8）：92-95.

[10] 區(qū)娟蘭，王桐，付煥森，等.具有光照度檢測和坐姿矯正的智能臺燈研制 [J].工業(yè)控制計算機，2023，36（3）：149-150.

作者簡介：李娜（2002—），女，漢族，陜西咸陽人，本科在讀，研究方向：信號處理；通信作者：王威（1980—），男，漢族，陜西西安人，副教授，博士，研究方向：電磁場與微波技術(shù)。