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(fā)展,智能產(chǎn)品的應用越來越廣泛.現(xiàn)在市面上出現(xiàn)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(tǒng)書桌不同的地方在于它的智能性,能隨時隨地調(diào)整高度,實現(xiàn)人體的站立和坐下,設計APP實現(xiàn)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(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(shù)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(jié)構(gòu)的微控制器,內(nèi)部寄存器有6個,數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)如圖1所示,系統(tǒng)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(shù)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(jié)奏燈.

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

整體設計思路:超聲波檢測人體姿態(tài),紅外檢測人體是否工作,經(jīng)過主控芯片對信號進行分析,從而驅(qū)動推桿控制電路上升或下降,然后送入數(shù)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(fā)射器,接收器和主控電路組成.它是通過TRIG口發(fā)出一定頻率的聲波,遇到障礙物就返回,從發(fā)出到返回這段時間通過單片機計數(shù)器可得出,并利用測距公式即可得出距離(測距=(計數(shù)器時間*聲速(340 M/S))/2)[6].

主控芯片為 STM8F005,Flash 有 32 KB 字節(jié),10 KB次擦寫數(shù)據(jù)在常溫下可保存20年,EEPROM擁有多1 KB字節(jié)的內(nèi)部存儲,可達30萬次擦寫.RAM多達2 KB字節(jié),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(diào)整內(nèi)部為 16 MHz RC,內(nèi)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?guī)в?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(diào)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(shù)據(jù)實現(xiàn)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(wěn)定性強,價格便宜,通過串口與MCU連接,并且可以實現(xiàn)APP與MCU之間數(shù)據(jù)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(shù)量有限,所以為了節(jié)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(xiàn)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(fā),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(shù)器模式,超聲波TRIG發(fā)射出方波,在接收端等待接收,接收端檢測為低電平后計數(shù)器開始計時,在接收端變成高電平停止計時,同時利用計數(shù)器所記錄的時間計算出距離,若在一定的時間內(nèi)接收端沒有變成高電平,在中斷函數(shù)中對溢出的標志位清零,發(fā)送端重新發(fā)送高電平.

2.6 接近式感應

如圖5所示,檢測距離可調(diào) (為 5 mm 至 1 m),電流為 6 mA,主動發(fā)射紅外線,根據(jù)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(shù),啟動另一個計數(shù)器計時.當計數(shù)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(shù)值清0.等待下次重新計數(shù).

圖5 數(shù)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(jié)合,增加檢測的準確性,IQS227芯片工作電流大概為132 uA,調(diào)節(jié)CX輸出腳的電阻可以改變其靈敏度.

2.7 LED驅(qū)動

如圖7所示,該圖為LED驅(qū)動電路,通過時鐘線和數(shù)據(jù)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(xiàn)PWM調(diào)光以及八種彩燈模式選擇.

3 軟件設計

3.1 系統(tǒng)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(shù)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(jù)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(shù)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(diào)整,在數(shù)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(shù)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(shù)據(jù),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(diào)節(jié)鍵,彩燈的功能鍵,音量大小調(diào)節(jié)鍵.由于每個人的身高都是不同的,設立上升可調(diào)裝置,在站立辦公過程中,用戶可根據(jù)自身高度調(diào)節(jié)書桌的站立高度.根據(jù)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(xiàn)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(shù)器模式,超聲波TRIG發(fā)射出方波,在接收端等待接收,接收端檢測為低電平后計數(shù)器開始計時,在接收端變成高電平停止計時,同時利用計數(shù)器所記錄的時間計算出距離,若在一定的時間內(nèi)接收端沒有變成高電平,在中斷函數(shù)中對溢出的標志位清零,發(fā)送端重新發(fā)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(shù),啟動另一個計數(shù)器計時.當計數(shù)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(shù)值清0.等待下次重新計數(shù).所采用的是寄存器控制方式,通過時鐘線和數(shù)據(jù)線把數(shù)據(jù)傳送芯片內(nèi)部處理,通過寄存器操作,作出判斷[9].

圖7 LED 驅(qū)動電路

3.3 APP通訊

系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)容如圖10所示.

4 系統(tǒng)調(diào)試技術難點

4.1 超聲波調(diào)試

智能書桌的最主要功能就是實現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)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(diào)試

紅外檢測工作狀態(tài)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(guī)定的時間內(nèi)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(xiàn)系統(tǒng)的要求.

五、人文關懷對圍術期麻醉與鎮(zhèn)痛的意義。隨著麻醉學向圍術期醫(yī)學的發(fā)展，人文關懷成為圍術期醫(yī)學發(fā)展的重要組成部分，但是由于中國臨床麻醉醫(yī)生手術多壓力大，有時經(jīng)常會忽視與患者溝通的重要性。另外許多年輕醫(yī)務人員在平時就疏于自身人文素質(zhì)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(yī)務人員在患者診療中沒有給患者創(chuàng)造出好的人文關懷環(huán)境氛圍。所以，我們要意識到人文關懷的重要性，醫(yī)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(yī)生和醫(yī)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(yī)患矛盾。

圖8 系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(xiàn)同一個IO口的不同按鍵識別.

4.4 靈敏度調(diào)節(jié)

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(yōu)點就是可以以桌面上的物體進行自校準,通過靈敏度調(diào)節(jié),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(tǒng)測試

本產(chǎn)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(zhí)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(diào)節(jié)燈光,能正常播放音樂.

經(jīng)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(shù)據(jù)是采取10位不同人的身高進行測試,經(jīng)過測試,高度調(diào)節(jié)誤差保持在0.02%左右,工作到特定時間報警電路發(fā)出響聲提醒,沒有存在延遲時間,系統(tǒng)的靈敏度高.

圖10 手機 APP 界面

圖11 書桌底板硬件圖

6 結(jié)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(wěn)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(zhuǎn)換功能,能顯示和實現(xiàn)坐姿檢測,并能準確算出工作時間.手機APP部分和藍牙的調(diào)試可以實現(xiàn)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(shù)據(jù)線控制,節(jié)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(xiàn)大眾化,需要在書桌外觀和材質(zhì)上進一步包裝和完善.

表1 測試數(shù)據(jù)