基于STM32單片機的智能書桌設計與實現*

*項目支持：本課題得到了國家級大學生創(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生不停地調整眼睛的睫狀肌，容易降低睫狀肌調節(jié)能力，進而導致近視^[2]。從長遠看，不良的讀寫姿勢還會對學生的脊柱和頸椎形狀，乃至整體形貌和健康產生負面影響；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生能否形成良好讀寫習慣的重要因素。傳統(tǒng)桌椅高度固定，不能很好適應個性化的身高。所以，為了讓不同身高的使用者培養(yǎng)良好的使用習慣，本項目設計了一款能根據使用者情況自動調節(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)境溫度自動控制轉速的風扇、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、風扇進行手動控制。

1 設計思路

在對設計需求進行分析后，畫出系統(tǒng)的原理框圖，如圖1 所示。為了能夠簡化系統(tǒng)結構和測試過程，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，從而自動控制、調整書桌桌面高度以便適應使用者，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，對溫度進行調節(jié)。為了適應不同使用者的習慣，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。

圖1 系統(tǒng)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，便于簡化設計電路，專注于實現系統(tǒng)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測距實現。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，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據進行處理，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，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)境亮度的數字值，省略了復雜計算環(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，可實現中文、英文、數字的語音合成，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。

桌面高度調節(jié)模塊采用步進電機和傳動結構進行調整。步進電機在低速轉動狀態(tài)下扭矩大，帶動的負載也更大。相數越多步距角就越小，能更為精確地調節(jié)桌面高度。為了能較精確控制桌面的高度，選擇步進電機。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、風扇轉速、臺燈亮度進行調節(jié)，最后對坐姿進行監(jiān)測，實現對不正確坐姿的友好提醒。此外，如圖3 所示，本系統(tǒng)還設計了中斷處理程序，當人體感應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3 個超聲波測距儀可以實現人體感應、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。

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系表^[5]，將書桌桌面高度自動調節(jié)至適合人體的位置。

表1 桌面高與身高對應關系表/m

監(jiān)測坐姿時，測距儀1用于間接測量使用者胸膛位置到書桌邊緣的距離L₁，測距儀1 到書桌邊緣的實測距離為60 cm，則L₁ = S₁-60。正確坐姿時，L₁ 應是“一拳”的距離，約為8 cm。當L₁ ＜ 8 cm 時，系統(tǒng)判定使用者胸膛位置到書桌邊緣的距離不規(guī)范并進行語音提醒。測距儀2通過使用者的身高L自動隨舵機調節(jié)至合適位置并保持不動，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，系統(tǒng)判定使用者視線距離不規(guī)范并進行語音提醒。

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(jié)

桌面高度調節(jié)通過控制電機帶動書桌升降實現。為了實現對溫度的自動調節(jié)，主控芯片通過PID 算法調制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，單片機通過設置定時器中斷產生相應占空比的PWM 脈沖，從而實現對風扇轉速的控制，達到指定溫度^[6]。同樣，亮度調節(jié)可通過單片機的I/O 口輸出PWM 信號的方法來實現。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]，通過線性調節(jié)PWM 高電平時間可以進行調光。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，系統(tǒng)將會自動調光。

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，無需復雜計算，無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生誤差，改用帶溫度補償公式^[10] 之后，測量值與實際值更接近：

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

邀請了10 位不同身高的同學對系統(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鍵盤指令。智能書桌系統(tǒng)可以穩(wěn)定、可靠地完成預設功能。

經過測試，本項目所實現的智能書桌參數如表2 所示。

5 結束語

本項目基于STM32 單片機實現了一個智能書桌。該書桌能按照使用者的身高自動初步調節(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)境溫度自動調節(jié)臺燈和風扇。該智能書桌有助于使用者培養(yǎng)良好的讀寫習慣。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年1月期）