基于STM32F103RCT6單片機的戶外多功能智能長椅設計*

朱 凱 ， 張金花 ， 邵晨偉 ， 佘 勃

（宿遷學院機電工程學院，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

隨著現代化生活越來越豐富，人們生活的壓力也越來越大，日常的休息、娛樂就顯得尤為重要。社區、公園、廣場等公共場所作為人們茶余飯后小憩的主要場所，為了方便人們休閑，都設置了休息長椅。普通長椅只能供人們疲勞后的短暫休息，不能滿足人們（尤其是老年人）個性化的生理和心理需求。

國外戶外休閑產品市場無論在休閑活動市場上還是戶外旅游上都相對成熟，如2016年，在美國紐約的時代廣場就出現了一款“X”型戶外愛心躺椅，為人們提供一個寧靜舒適的休息之地。另外，在美國部分公園中出現了一種多功能長椅，這種椅子在提供手機充電功能的同時還滿足了人們休息的需求。它是由一家初創公司發明的，椅子安裝了太陽能轉換裝置，人們可以使用上面的USB接口為手機充電，該功能為了保護客戶隱私還給硬件部分裝配了保護，如果有人試圖拆除或者破壞保護部分，充電器就會斷開充電。而且，長椅還設置了顯示電腦，能夠收集城市的空氣質量、日照強度以及過往的人群密度并在顯示屏上顯示出來。由于這種長椅性價比較低，目前在社區街道和公共場合還沒有普及。英格蘭西部的兩個小鎮則嘗試在公園設置“聊天長椅”，以降低人們的孤獨感。

相比以上產品，我國的戶外休閑長椅多為大型的躺椅，這類躺椅雖然十分舒適，但僅僅是提供休息，沒有考慮實現其他用途。也就是說，我國早期在戶外休閑用品的人性化設計方面幾乎是一片空白[1]。經調查研究發現，我國目前戶外休閑椅在設計方面普遍存在著功能單調、設置不合理等問題，要使戶外休閑椅滿足戶外活動人群的需求及達到與環境的協調統一，必須關注和諧理念，將和諧化設計的相關理論融入戶外休閑椅的設計過程中。和諧化設計的相關理論研究及其實踐活動是時代發展的需要，但目前尚處在較初級的階段，還需要進一步地拓展和深化，尤其是在應用研究領域的深化[2]。另外，人口老齡化是我國日益嚴重的問題，關愛老年人健康，為老年人設計輔助產品和服務，將是重中之重。基于“人-戶外休閑躺椅-環境”相互協調，目前已研究設計出一款滿足老年人生理和心理需求的可攜式戶外休閑躺椅，以解決老年人睡眠和站立困難等問題[3]。伴隨著智能時代的來臨，目前還研究設計出一款基于公共空間的多功能長椅，它可以供給有需要的路人為手機充電以及進行LED燈照明，該長椅也可變化成睡床，隱含折疊帳篷，滿足無家可歸者的臨時居住需求。這款長椅功能較多，成本較高，目前也尚未推廣應用[4]。

本課題兼顧了人們戶外休息與休閑娛樂的需求，設計了一款多功能智能長椅，在普通長椅的基礎上增設了天暗亮燈、手機充電、自動播放音樂等功能，使人們在休閑時還可以享受到一定的服務，提高了人們整體的戶外休閑生活質量。該設計有一定的創新性，同時前景十分廣闊。

1 總體方案制訂

課題組采用STM32F103RCT6單片機為主控芯片，設計了一款性能優良、運行可靠的戶外智能長椅，其主要由STM32F103RCT6單片機、USB充電模塊、音樂播放模塊、光敏電路傳感器、驅動電路模塊等組成，如圖1所示。該系統設計原理是：當人們使用長椅時，通過光敏感應模塊檢測環境，若光線不足，則自動點亮LED燈，提供照明；同時控制板上有手機充電模塊、音樂播放模塊為人們提供充電和點歌娛樂的功能，使人們身體休息的同時，精神也得到充分的放松。

2 硬件電路設計

2.1 STM32F103RCT6簡介

這次單片機設計采用的是STM32F103RCT6芯片，這個單片機包含了32位的高速時鐘、存儲器、內置的溫度傳感器、復位、Cortex-M3內核和電源管理。而作為高速的嵌入式的存儲器，器件擁有一路PWM定時器、兩個12位的ADC通道和三路通用16位定時器，以及兩個IIC數據傳輸接口與API數據傳輸接口，還有一個USB通道等。單片機耗能小，工作電壓低，僅為2.0 V~3.6 V。芯片實物如圖2所示，文獻[5]介紹了STM32F103RCT6單片機的功能。

圖2 STM32F103RCT6單片機芯片

2.2 按鍵輸入模塊

通過按鍵來調試音樂播放功能，按鍵功能：K1.播放；K2.暫停；K3.上一首；K4.下一首。按鍵模塊電路圖如圖3所示。

圖3 按鍵模塊

2.3 光敏電阻傳感器模塊

本設計添加了自動補光系統，即在光線較暗的情況下能夠提供充足的光源，感應元件可以感應到光線的強弱，利用這一特性來實現自動補光功能。光線強度較強時，光敏電阻阻值變小，就形成通路（并聯的兩個LED燈都亮），無信號輸出。光線強度較弱時，光敏電阻阻值變大，形成斷路狀態（只有另一個支路的LED燈亮），獲得此時環境中光線較暗的信號輸出給MCU，再由MCU控制驅動模塊讓LED燈亮（紅燈）。光敏感應電路中增加綠色LED燈則是為了讓電路狀態顯示更加明了，光敏模塊電路圖如圖4所示。

圖4 光敏模塊

2.4 驅動模塊電路

繼電器的本質是用一個回路控制另一個回路的通斷，其基本原理是利用電磁效應控制機械觸點達到通斷的目的，用鐵芯給線圈通電，對線圈電流產生磁場，并吸收電樞作用使觸點通斷。輸入電壓以及MCU光線較暗信號的輸入給線圈通電，開關閉合，與LED（紅燈）形成回路，光線較暗時，照明燈就會打開。繼電器驅動模塊的電路圖如圖5所示。

圖5 驅動模塊電路

2.5 USB充電模塊

對于長椅增加手機充電功能而言，USB接口符合市面上大部分手機的充電接口，而且這一措施也十分便利，防止出現人們在椅子上休息時手機電量耗盡的情況，以備不時之需。

本設計使用TP5100充電元件，充電電路如圖6所示，現介紹引腳功能如下：

圖6 充電電路

引腳16和引腳1的作用是接輸入電壓；

引腳2和引腳3的作用是MOS管為輸出端，連接USB數據線給手機充電，并聯二極管（保護MOS管防漏），串聯電感（阻交流，通直流），并聯兩個電容（提高工作效率，降低損耗）；

引腳9和引腳8的作用是串聯回路來檢測充電進行；

引腳12的作用是設置恒流電流；

引腳15的作用是元件開始導電和充電進行中藍燈常亮。

2.6 音樂播放模塊

本設計使用DY-SV17F語音模塊，UART串口控制的引腳1接MCU的RX端口和引腳2接MCU的TX端口同時給MCU輸送串口信號，通過引腳5接MCU的PA7口接收播放音樂的信號，引腳18和引腳17接喇叭的正負極和5 W的功放芯片來直接驅動3 W~5 W喇叭，板載32Mbit flash存儲音頻，通過USB下載音頻文件，如圖7所示。

圖7 播放、調試下載模塊

3 軟件設計

首先，調用庫函數，GPIO口初始化函數，定時器初始化函數，ADC，串口，PWM，IIC。其次，根據光敏電阻的ADC采樣值線性改變臺燈的亮度，控制充電模塊進行，使用按鍵中斷進行音樂模塊的操作，控制串口發送對應指令，進而控制音樂播放模塊進行音樂播放，主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

4 系統聯機調試

4.1 自動補光

測試光線傳感器，查看是否可以檢測到環境的亮暗。如圖9所示。

圖9 光線強弱的區別

4.2 手機充電

測試USB充電口是否可以充電，如圖10所示。

圖10 能否充電

4.3 音樂播放

測試音樂播放模塊是否可以使用，按鍵調試是否出錯，如圖11所示。

圖11 可以順利使用按鍵播放音樂

5 結論

課題組設計了一款性能優良、運行可靠的多功能智能長椅，能夠滿足人們休閑娛樂的個性化需求，操作便捷，結構簡單，經濟實惠。只要公共設施地理空間允許，就可以安裝該多功能智能長椅，滿足人們的多重需求，豐富了人們的生活，完善了城市的服務功能。