基于STM32單片機的智能書(shū)桌設計與實(shí)現*

*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

**通訊作者：王振省。

研究結果表明，學(xué)生的讀寫(xiě)姿勢不正確率高達70%甚至85% 以上^[1]。不良的讀寫(xiě)姿勢、不合適的光照條件會(huì )令學(xué)生不停地調整眼睛的睫狀肌，容易降低睫狀肌調節能力，進(jìn)而導致近視^[2]。從長(cháng)遠看，不良的讀寫(xiě)姿勢還會(huì )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(xiě)習慣的重要因素。傳統桌椅高度固定，不能很好適應個(gè)性化的身高。所以，為了讓不同身高的使用者培養良好的使用習慣，本項目設計了一款能根據使用者情況自動(dòng)調節桌面高度的智能書(shū)桌系統。在此基本功能之外，該智能書(shū)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 臺燈、隨環(huán)境溫度自動(dòng)控制轉速的風(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，也允許用戶(hù)對桌面高度、LED 臺燈、風(fēng)扇進(jìn)行手動(dòng)控制。

1 設計思路

在對設計需求進(jìn)行分析后，畫(huà)出系統的原理框圖，如圖1 所示。為了能夠簡(jiǎn)化系統結構和測試過(guò)程，本設計采用模塊化的思想。其中人體感應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(dòng)控制、調整書(shū)桌桌面高度以便適應使用者，讓使用者可以以一個(gè)舒適的坐姿使用書(shū)桌，從而降低因不良坐姿導致眼部、頸椎、脊椎等健康問(wèn)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(yǔ)音播報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(guò)亮度測量模塊得到的光照度控制LED 燈的亮度；并通過(guò)溫度傳感器控制電扇通斷及檔位，對溫度進(jìn)行調節。為了適應不同使用者的習慣，智能書(shū)桌系統還提供了手動(dòng)控制功能，通過(guò)鍵盤(pán)模塊手動(dòng)調節桌面高度、亮度、鬧鐘以及抽屜密碼鎖。顯示屏可以顯示當前時(shí)間、溫度、光照度等信息。

圖1 系統原理

2 方案選擇

本設計選擇了STM32F407ZET6 作為主控芯片，這是因為該芯片最高能以168 MHz工作，且直接內置晶振、模數轉換器和數模轉換器，便于簡(jiǎn)化設計電路，專(zhuān)注于實(shí)現系統的功能。

人體感應模塊、身高測量模塊、坐姿檢測模塊功能通過(guò)測距實(shí)現。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）返回測量距離數據，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?jiàn)兩種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(shū)桌上。同時(shí)考慮書(shū)桌系統實(shí)際工作環(huán)境為室內，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(guò)單總線(xiàn)與主控芯片連接，主控芯片對從傳感器傳來(lái)的數據進(jìn)行處理，得到環(huán)境溫度值。溫度傳感器的作用不僅是測量室溫、提供給單片機判斷是否開(kāi)啟風(fēng)扇降溫，而且還用于超聲波測距時(shí)對超聲波速度進(jìn)行補償。

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

鍵盤(pán)模塊和顯示模塊采用觸摸屏集成。為了實(shí)現良好的用戶(hù)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(yǔ)音播報模塊采用CN-TTS 語(yǔ)音合成模塊，可實(shí)現中文、英文、數字的語(yǔ)音合成，且支持用戶(hù)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，單片機可以通過(guò)串口發(fā)送GBK 編碼的形式對其控制。

桌面高度調節模塊采用步進(jìn)電機和傳動(dòng)結構進(jìn)行調整。步進(jìn)電機在低速轉動(dòng)狀態(tài)下扭矩大，帶動(dòng)的負載也更大。相數越多步距角就越小，能更為精確地調節桌面高度。為了能較精確控制桌面的高度，選擇步進(jìn)電機。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。

3 方案實(shí)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(shū)桌旁后，首先檢測使用者的身高，然后對書(shū)桌高度、風(fēng)扇轉速、臺燈亮度進(jìn)行調節，最后對坐姿進(jìn)行監測，實(shí)現對不正確坐姿的友好提醒。此外，如圖3 所示，本系統還設計了中斷處理程序，當人體感應模塊檢測到人離開(kāi)桌子時(shí)，程序會(huì )自動(dòng)跳出主程序，進(jìn)入待機模式，以實(shí)現低功耗要求。

圖2 主程序流程

圖3 中斷處理

3.2 人體感應、身高測量、坐姿檢測

如圖4 所示，通過(guò)3 個(gè)超聲波測距儀可以實(shí)現人體感應、身高測量、坐姿檢測的功能。

圖4 身高測量

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(guò)判斷S₁是否小于80 cm 來(lái)確定當前是否有人使用書(shū)桌。

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

測距儀3位置固定，位于桌面下方，用于測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，依據表1 桌面高與身高對應關(guān)系表^[5]，將書(shū)桌桌面高度自動(dòng)調節至適合人體的位置。

表1 桌面高與身高對應關(guān)系表/m

監測坐姿時(shí)，測距儀1用于間接測量使用者胸膛位置到書(shū)桌邊緣的距離L₁，測距儀1 到書(shū)桌邊緣的實(shí)測距離為60 cm，則L₁ = S₁-60。正確坐姿時(shí)，L₁ 應是“一拳”的距離，約為8 cm。當L₁ ＜ 8 cm 時(shí)，系統判定使用者胸膛位置到書(shū)桌邊緣的距離不規范并進(jìn)行語(yǔ)音提醒。測距儀2通過(guò)使用者的身高L自動(dòng)隨舵機調節至合適位置并保持不動(dòng)，用于測量其到使用者頭部的距離S₂，使用者眼睛到桌面的距離應為“1 尺”，約為33 cm，可用公式表示為L_e2d ≈，當L_e2d < 33 cm 時(shí)，系統判定使用者視線(xiàn)距離不規范并進(jìn)行語(yǔ)音提醒。

圖5 人體感應、坐姿高測量、坐姿檢測

3.3 桌面高度、亮度、轉速調節

桌面高度調節通過(guò)控制電機帶動(dòng)書(shū)桌升降實(shí)現。為了實(shí)現對溫度的自動(dòng)調節，主控芯片通過(guò)PID 算法調制I/O 口輸出的PWM 波進(jìn)行控制。單片機通過(guò)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(guò)運算，可計算出使誤差最快減為0 的PWM 占空比，單片機通過(guò)設置定時(shí)器中斷產(chǎn)生相應占空比的PWM 脈沖，從而實(shí)現對風(fēng)扇轉速的控制，達到指定溫度^[6]。同樣，亮度調節可通過(guò)單片機的I/O 口輸出PWM 信號的方法來(lái)實(shí)現。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(shí)器定時(shí)時(shí)間T < 0.01 s。LED 燈的亮度與PWM 信號的占空比成正比^[8]，通過(guò)線(xiàn)性調節PWM 高電平時(shí)間可以進(jìn)行調光。為適應人眼舒適度，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(shí)，系統將會(huì )自動(dòng)調光。

4 調試與測試

由于GY-30 亮度傳感器能夠直接輸出環(huán)境亮度的數字值，無(wú)需復雜計算，無(wú)需標定就能獲得高精度測量值。

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

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

邀請了10 位不同身高的同學(xué)對系統進(jìn)行了整體測試。測試表明，智能書(shū)桌能按測試者的坐姿高度將桌面調整到合適的高度，且語(yǔ)音模塊能正確播報坐姿矯正和久坐提醒。當切換到手動(dòng)模式時(shí)，桌面高度、臺燈、電扇等模塊都能正確地響應鍵盤(pán)指令。智能書(shū)桌系統可以穩定、可靠地完成預設功能。

經(jīng)過(guò)測試，本項目所實(shí)現的智能書(shū)桌參數如表2 所示。

5 結束語(yǔ)

本項目基于STM32 單片機實(shí)現了一個(gè)智能書(shū)桌。該書(shū)桌能按照使用者的身高自動(dòng)初步調節桌面到合適的高度，能在使用者距離桌面過(guò)近時(shí)發(fā)出語(yǔ)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)調節臺燈和風(fēng)扇。該智能書(shū)桌有助于使用者培養良好的讀寫(xiě)習慣。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年1月期）