基于單片機的智能型桌椅的設計?

2015-01-01 02:28:02王海明朱昌昊韓建華

機械工程與自動化 2015年5期

榮蓮，王海明，朱昌昊，杜娟，韓建華

（太原科技大學機械工程學院，山西太原 030024）

0 引言

近視已成為危害我國學生健康的突出問題，因此，近視防治刻不容緩。造成我國學生近視的原因除了少部分是遺傳因素外，大部分是由于學習負擔過重，加上不良的用眼習慣，導致近距離用眼時間過長而引起的。作為中小學生，學習所用的桌椅成為他們必不可少的伙伴。因此，我們可以利用這些桌椅來協助家長和老師培養學生良好的用眼習慣和正確的坐姿。

1 桌子結構設計

為了使學生在看書寫字時眼睛與書本保持垂直，把桌面設計成有一定傾斜斜度的結構，并且傾斜角度與圓弧寬度可調（采用拉桿式可調裝置），以適應不同的學生。另外，為保持學生讀寫時的正確坐姿，把桌面靠近學生的一邊設計成有一定圓弧狀的邊緣結構，使學生在坐直的時候貼緊桌子邊緣，這樣也增加了學習的舒適度。

根據人體工效學原理，兒童桌的高度設計在484 mm～708mm之間并可調節。高度調節通過旁板和調節板上不同高度的孔連接來進行。桌子的高度設計分為8檔，各檔高度的適應身高如表1所示。

表1 桌面高度調節范圍

旁板和調節板的設計分別如圖1和圖2所示。根據兒童每年身高的增長情況，調節桌面至適用高度。

2 椅子結構設計

為了使體重更多地集中于坐骨骨節處，減少腿部的負荷，座椅的前端不宜過高，即座椅不能前高后低，而應后高前低，傾角為8°～12°，最大不能超過15°，這樣就可有效減輕脊柱彎曲的程度。但由于椅面向前傾斜容易下滑，所以應設置軟坐墊和腳踏。桌子的高度和傾角也是影響坐姿的重要因素，太低將導致脊柱的過度彎曲，太高又會使上肢不能自然舒適的支撐，并影響眼睛到桌面的距離。為了更適合眼睛觀察，桌面應向座位下方傾斜10°～15°。

圖1 旁板

圖2 調節板

依據人體工程學要求，對椅面大小、椅背高低以及角度進行設計。椅背和椅面呈95°，使用時可以完全輕松地靠在椅背上，使身體第4至第5節腰椎的壓力減小，不易產生疲勞。兒童椅的高度在260mm～452mm間可調，通過氣壓式腳動調節裝置進行調節。腰墊的位置一般位于第3至第5腰椎部分，厚度以5cm左右為宜。座面傾角一般設計成0°～3°，以保證身體姿勢及腰墊的合理支撐。另外，工作之余，為使人能得到充分的休息，背傾角應為5°～30°可調。

3 糾正坐姿設計

3.1 系統硬件電路組成與設計

系統硬件電路主要包括壓力信號電路、紅外信號電路、復位電路、時鐘電路、按鍵電路等，各部分的主要功能如下。

3.1.1 壓力信號電路

該電路信號用于控制系統計時時鐘和系統處于待機時鐘，從而實現對學習時間的控制。在按下學習鍵的同時，壓力信號電路有信號輸入，系統計時時鐘開始計時。當學習時間達到系統設定的最高時間時，系統報警電路每隔5min發出語音提示，提示使用者應該休息了。

當使用者因為某些原因離開椅子，壓力傳感器無電流輸入后，系統處于待機狀態。此時待機時鐘啟動并開始計時，而系統學習時間停止計時，當達到最高待機設定時間時（最機待機時間設定為8min），系統自動關閉。當使用者在設定時間內回到椅子上，壓力傳感器有電流輸入后，系統學習時間繼續計時，系統待機時間歸零。如此重復。

3.1.2 紅外信號電路

該電路信號用于控制系統使用者坐姿中的肩平、背直，讓使用者在學習中保持正確的坐姿，從而幫助學生養成良好的用眼習慣，有效防治近視的發生。

系統在學習模式下通過4個紅外感應器控制肩平，4個紅外感應器兩兩相對，分別位于兩肩正中。每兩個紅外感應器在豎直方向上有一定的距離，而肩上方就在這兩個紅外感應器之間，當肩的傾斜超過一定程度時發出語音提示。

系統在學習模式下通過4個紅外感應器控制背直，當下端兩個紅外感應信號均無電流輸入時，系統也將發出語音提示。

系統在調試模式下當肩上端在兩感應器之間時（即上端兩個感應器無電流輸入而下端兩個感應器有電流輸入時），系統提示調試成功。

3.1.3 復位電路、時鐘電路和按鍵電路

單片機在工作之前進行復位，使單片機所有部件處于一個確定的初始狀態，并從這個狀態開始工作，使程序從指定處開始執行。當程序運行出錯或操作錯誤使系統處于“死機”狀態時，需復位以重新啟動。本次設計采用兼有上電外部復位與按鍵復位的電路，它能輸出兩種電平的復位控制信號，以適應外圍I／O接口芯片所需要的不同復位電平信號。復位電路圖如圖3所示。

單片機必須在時鐘的驅動下才能進行工作。AT89C51型單片機內部具有一個時鐘振蕩電路，只需要外接振蕩器，即可為各部提供時鐘信號。

系統共有4個按鍵：開／關機鍵、調試鍵、學習鍵和復位鍵。通過按鍵來控制系統的開關、復位、學習與調試狀態的切換。每個按鍵都對應有一個指示燈，用以提示使用者現在系統處于何種狀態。同時使用者可以通過鍵盤輸入數據或命令，實現簡單的人機通信。

圖3 復位電路圖

3.1.4 系統供電電路和指示燈電路

選用兩節3.6V充電鋰電池串聯，即輸入電壓為7.2V。由于AT89C51型單片機的工作電壓為5V，所以需要對輸入電壓進行降壓，該設計系統采用TPS71401電池管理芯片。

在指示燈電路中共有4個指示燈，每個指示燈都對應一個按鍵，用以提示使用者現在系統處于何種狀態。指示燈1對應開關機鍵，它與開關電路相連；指示燈2對應復位鍵，其對應的I／O接口為P1.1；指示燈3對應調試鍵，其對應的I／O接口為P1.2；指示燈4對應學習鍵，其對應的I／O接口為P1.0。當相應的鍵按下時，發光二級管導通，指示燈發光。指示燈電路如圖4所示。