基于STM32單片機的智能書桌設計與實現

2022-03-22 21:26:40謝福王振省李俊童宣科

電子產品世界 2022年1期

謝福王振省李俊童宣科

摘要：為了讓使用者養成良好的讀寫習慣，減少近視、頸椎腰椎疾病的發生，本文設計了一個智能書桌。該智能書桌用STM32作為主控芯片，通過超聲波測距判斷使用者身高，然后自動調節合適的桌面高度，當使用時間超過1小時后語音提醒使用者起身活動。該智能書桌還可以根據環境光照自動調節LED臺燈至適合人眼的光照強度；當溫度較高時，風扇會開啟降溫；配備密碼鎖的抽屜可供用戶保存私人物品。測試結果表明，該智能書桌可以按照不同使用者情況進行調節，達到了預期的設計目標。

關鍵詞：智能書桌；溫度測量；光照度測量；步進電機；超聲波測距

*項目支持：本課題得到了國家級大學生創新創業計劃項目（項目編號：201510595024）的支持

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桌面高度的智能書桌系統。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、隨環境光照自動控制亮度的LED臺燈、隨環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，畫出系統的原理框圖，如圖1所示。為了能夠簡化系統結構和測試過程，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。為了適應不同使用者的習慣，智能書桌系統還提供了手動控制功能，通過鍵盤模塊手動調節桌面高度、亮度、鬧鐘以及抽屜密碼鎖。顯示屏可以顯示當前時間、溫度、光照度等信息。

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。可見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，便于安放在智能書桌上。同時考慮書桌系統實際工作環境為室內，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能夠直接輸出環境亮度的數字值，省略了復雜計算環節，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送GBK編碼的形式對其控制。

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，最后對坐姿進行監測，實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。

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。

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。

3.3 桌面高度、亮度、轉速調節

桌面高度調節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，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。