基于STC89C52RC與STM8S005技術的智能書桌①

江華麗,林介本,林 琳

(福建師范大學 閩南科技學院,泉州 362332)

1 引言

隨著智能家居的發展,智能產品的應用越來越廣泛.現在市面上出現的智能書桌價格昂貴,應用范圍少,成本高,功能單一,難以滿足人們的需求.因此本文專門介紹一款新型的智能書桌,它與目前市場上的傳統書桌不同的地方在于它的智能性,能隨時隨地調整高度,實現人體的站立和坐下,設計APP實現外加音樂播放,LED照明和七彩燈變化等功能[1,2],同時設置時鐘模塊提醒使用者休息,為人體健康考慮,防止人們長時間過度閱讀,具有很強的科學性.

2 系統硬件設計

2.1 系統結構

智能書桌的MCU采用STC89C52RC[3-5],芯片具有 3 個定時器,2 個串行中斷,2 個外部中斷,32 個 I/O.基本上可以滿足整個設計的要求,用3.6寸的四位共陽數碼管顯示.STM8S005通過藍牙與手機APP相互通訊,播放音樂和操作LED燈.STM8S005是基于8位框架結構的微控制器,內部寄存器有6個,數據處理高速有效,多種1尋址模式以及每種寄存器都可以找到對應的地址.硬件結構如圖1所示,系統包含8個模塊:(1)電源充放模塊;(2)電源充放模塊;(3)ADC 按鍵讀取模塊;(4)超聲波檢測模塊;(5)顯示控制模塊;(6)推桿控制模塊;(7)數字式紅外檢測電路和接觸式感應;(8)藍牙連接播放音樂;(9)LED照明和節奏燈.

圖1 硬件結構圖

整體設計思路:超聲波檢測人體姿態,紅外檢測人體是否工作,經過主控芯片對信號進行分析,從而驅動推桿控制電路上升或下降,然后送入數碼管實時顯示.同時,還有一些娛樂功能的使用.采用超聲波來檢測距離,由超聲波發射器,接收器和主控電路組成.它是通過TRIG口發出一定頻率的聲波,遇到障礙物就返回,從發出到返回這段時間通過單片機計數器可得出,并利用測距公式即可得出距離(測距=(計數器時間*聲速(340 M/S))/2)[6].

主控芯片為 STM8F005,Flash 有 32 KB 字節,10 KB次擦寫數據在常溫下可保存20年,EEPROM擁有多1 KB字節的內部存儲,可達30萬次擦寫.RAM多達2 KB字節,3.0～5.5 V 工作電壓,靈活的時鐘控制,有 4 個主時鐘源和低功率晶體振蕩器.外部時鐘輸入時用戶可調整內部為 16 MHz RC,內部低功耗 128 kHz RC.電源管理的三種模式可供選擇,等待、活躍停機、停機,外設的時鐘可單獨關閉.中斷控制器有32個,外部中斷向量6個.16位通用定時器有2個,分別是PD和PC的IO端口,且帶有3個(IC、OC或PWM)通道模式選擇,2個看門狗定時器,可通過外設中斷喚醒.通信接口帶有UART串口通訊和DW在線調試功能,SPI接口最高到 8 Mbit/s,I2C 接口最高到 400 Kbit/s.PB 口 10 位10個通道都具有ADC功能,檢測模式和模擬看門狗中斷喚醒功能.32腳的芯片具有28個I/O.高吸收電流輸入輸出口 16 個,輸出可達到 40 mA,輸入高達 100 mA,獨特的I/O設計,非常強的高電流承受能力.

2.2 電源充放電路

電源充放電路如下圖2所示,電源5 V通過芯片給 7.4 V 電池充電,最大充電電流可達到 1.2 A.同時MCU通過ADC電壓檢測控制充電是否滿,MCU與藍牙之間互傳數據實現手機APP顯示電池容量.

圖2 充放電路

2.3 藍牙通訊

藍牙是采用的是ATS2805B,其方便且穩定性強,價格便宜,通過串口與MCU連接,并且可以實現APP與MCU之間數據雙向傳輸.把電池電量傳送到手機APP上面并顯示,如圖3所示,用于播放音樂和燈的控制.

2.4 ADC按鍵讀取

由于MCU的IO口數量有限,所以為了節省成本,本文采用ADC檢測電壓的方式讀取按鍵,在硬件上利用電阻的分壓特點來設置各個按鍵的電壓值,不同的電壓值實現不同的功能,電路如圖4所示.

圖3 藍牙模塊電路

圖4 ADC 按鍵讀取電路

2.5 超聲波

輸入控制信號由TRIG口觸發,回響信號輸出為ECHO口[7,8].本文采用的是兩個超聲波模塊進行測距,首先是定時器0先初始化,將定時器設定為計數器模式,超聲波TRIG發射出方波,在接收端等待接收,接收端檢測為低電平后計數器開始計時,在接收端變成高電平停止計時,同時利用計數器所記錄的時間計算出距離,若在一定的時間內接收端沒有變成高電平,在中斷函數中對溢出的標志位清零,發送端重新發送高電平.

2.6 接近式感應

如圖5所示,檢測距離可調 (為 5 mm 至 1 m),電流為 6 mA,主動發射紅外線,根據反射光探測,如果探測到障礙,OUT腳輸出0,否則1.用于檢測人體是否在工作.本文所采用的是定時器 1.利用中斷標志位法,當檢測到有人工作時,將標志位置1,利用中斷開始計時,當人離開時,標志位清 0,停止當前計數,啟動另一個計數器計時.當計數時間超過兩分鐘,則通過語音模塊來提醒人工作時間過長.當人離開桌子超過一分鐘,則將另一計數值清0.等待下次重新計數.

圖5 數字紅外感應傳感器

如圖6所示,通過接近式感應與紅外檢測相結合,增加檢測的準確性,IQS227芯片工作電流大概為132 uA,調節CX輸出腳的電阻可以改變其靈敏度.

2.7 LED驅動

如圖7所示,該圖為LED驅動電路,通過時鐘線和數據線可以控制多個燈,燈可分為兩個部分,一個為LED照明,另一個為彩燈控制,分別可實現PWM調光以及八種彩燈模式選擇.

3 軟件設計

3.1 系統流程

本設計采用的MCU為STM8S005,利用超聲波檢測坐姿使書桌上升或下降,在數碼管上顯示高度,同時紅外檢測和接近式感應人體是否工作并計時,最后根據功能劃分進行編程.軟件流程圖如圖8所示,程序上電后進入初始化,包括定時器0和定時器1初始化.接著就是超聲波測距時間采集,將采集的時間通過公式計算出距離,每采集完一組時間就將時間處理并在數碼管上顯示,超聲波用定時器0,書桌高度也可通過按鍵手動調整,在數碼管上顯示高度,同時,紅外和接近感應通過定時器開始計時,并顯示在數碼管上面,并且在計時到一定得時間之后,語音錄放提醒你要注意休息.還有MCU與手機APP之間通過串口通訊,通過藍牙相互傳輸數據,播放音樂以及控制LED.

圖6 接近式感應電路

3.2 ADC按鍵讀取

整個設計屏面上有六個功能鍵:停止和上升鍵,以及控制led的PWM調節鍵,彩燈的功能鍵,音量大小調節鍵.由于每個人的身高都是不同的,設立上升可調裝置,在站立辦公過程中,用戶可根據自身高度調節書桌的站立高度.根據硬件上設置的分壓特點,通過ADC檢測即可讀取出當前IO口的電壓,通過讀取到電壓的不同值來實現不同的操作,其程序流程圖如圖9所示.

采用的是兩個超聲波模塊進行測距,首先是定時器0先初始化,將定時器設定為計數器模式,超聲波TRIG發射出方波,在接收端等待接收,接收端檢測為低電平后計數器開始計時,在接收端變成高電平停止計時,同時利用計數器所記錄的時間計算出距離,若在一定的時間內接收端沒有變成高電平,在中斷函數中對溢出的標志位清零,發送端重新發送高電平.所采用的是定時器1.利用中斷標志位法,當檢測到有人工作時,將標志位置1,利用中斷開始計時,當人離開時,標志位清 0,停止當前計數,啟動另一個計數器計時.當計數時間超過兩分鐘,則通過語音模塊來提醒人工作時間過長.當人離開桌子超過一分鐘,則將另一計數值清0.等待下次重新計數.所采用的是寄存器控制方式,通過時鐘線和數據線把數據傳送芯片內部處理,通過寄存器操作,作出判斷[9].

圖7 LED 驅動電路

3.3 APP通訊

系統內置一塊藍牙模塊,可以通過手機APP來通訊并控制播放音樂,控制LED燈以及讀取當前電池的電量百分比.APP具體內容如圖10所示.

4 系統調試技術難點

4.1 超聲波調試

智能書桌的最主要功能就是實現跟隨人自動升降,一個超聲波模塊的精度要求是不夠的,所以兩個超聲波模塊是最好的選擇,這就要考慮如何在兩個超聲波模塊上共用同一個定時器.這里面就采用到主次問題,系統采用定時器0,判斷兩個超聲波測到的距離,將距離高的顯示,但是在硬件上兩個超聲波如果做的高度差,程序就會出現死機,因此在硬件上超聲波模塊位置應設為一高一低來解決程序死機問題.

4.2 定時器調試

紅外檢測工作狀態并顯示工作時間,這里采用一個定時器通過中斷來計量時間,當人離開工作位置,又需要一個定時器來計量離開的時間,并在規定的時間內清零,單片機最多是使用2個定時器,在超聲波上面用一個定時器,接下來的程序只能用一個定時器來解決,所以采用標志位的方法.通過紅外檢測和接近式感應的電平變化充當標志位,可以實現系統的要求.

五、人文關懷對圍術期麻醉與鎮痛的意義。隨著麻醉學向圍術期醫學的發展，人文關懷成為圍術期醫學發展的重要組成部分，但是由于中國臨床麻醉醫生手術多壓力大，有時經常會忽視與患者溝通的重要性。另外許多年輕醫務人員在平時就疏于自身人文素質建設，從而導致根本不知道如何對患者實施人文關懷。這種種因素使得醫務人員在患者診療中沒有給患者創造出好的人文關懷環境氛圍。所以，我們要意識到人文關懷的重要性，醫護人員對患者的人文關懷應貫穿于整個圍術期，包括術前訪視的宣教，入手術室麻醉前的安慰，術后的訪視等，這不僅是麻醉醫生和醫護人員的義務，也是我們的責任，積極的人文關懷，可以提升患者身心的舒適度，減少醫患矛盾。

圖8 系統總體框圖

4.3 IO口

LED燈作照明使用和彩燈作酷炫使用,可以使用八組LED燈,需要32個IO口來控制使用.本文采用的是SN3731芯片,通過時鐘線和數據線就可以控制最高可達到144顆LED燈,按鍵上使用AD讀取功能,利用電壓的不同來實現同一個IO口的不同按鍵識別.

4.4 靈敏度調節

本文設有一個檢測人體工作時間的功能,采用的是紅外檢測和接近式感應,紅外只檢測桌子與椅子方向的距離,而且距離是限制的.所以在桌面上放置一塊接近式感應芯片iqs227,它最大的優點就是可以以桌面上的物體進行自校準,通過靈敏度調節,它的最大檢測距離可以達到2 cm,所以在桌面上工作的時候,芯片幾乎都可以感應到,用接近感應芯片和紅外檢測兩個一起用增大工作檢測的靈敏度.

5 系統測試

本產品有正常工作有以下幾步組成:

(1)各個模塊正常上電,傳感器之間是否正常工作.

(2)人體模擬站立坐著,傳感器之間相互合作開始執行相應的動作.

(3)書桌能正確識別到有人在桌面上工作,并記錄時間,工作滿一定的時間,開始語音提示用戶休息.

圖9 鍵盤控制流程圖

(4)藍牙模塊連接 APP,當光線暗時,是否可以打開調節燈光,能正常播放音樂.

經過以上測試流程各個部分均能正常工作并且達到測試效果.

表1數據是采取10位不同人的身高進行測試,經過測試,高度調節誤差保持在0.02%左右,工作到特定時間報警電路發出響聲提醒,沒有存在延遲時間,系統的靈敏度高.

圖10 手機 APP 界面

圖11 書桌底板硬件圖

6 結論

本設計是基于STM8S005與STC89C52RC技術的智能書桌,成本低,靈敏度較高,性能穩定,功能齊全,其特色在于能夠充分利用其自帶的定時器及AD轉換功能,能顯示和實現坐姿檢測,并能準確算出工作時間.手機APP部分和藍牙的調試可以實現雙向傳輸和LED燈的控制.在原理圖設計過程中采用SN3731,可通過時鐘線和數據線控制,節省IO口.市面上智能書桌價格大多在幾千元,該智能書桌設計成本低,今后若推廣實現大眾化,需要在書桌外觀和材質上進一步包裝和完善.

表1 測試數據