李博，劉云連，魏安敏，何威，毛依凡

（1.湖南人文科技學(xué)院能源與機(jī)電工程學(xué)院，湖南婁底 417000；2.湖南人文科技學(xué)院信息學(xué)院，湖南婁底 417000）

1 引言

兒童正處于成長(zhǎng)期，不良的坐姿容易導(dǎo)致駝背和近視。傳統(tǒng)的兒童書桌高度固定，使得很多兒童由于高度不合適導(dǎo)致坐姿不端正，嚴(yán)重影響了兒童的身體健康。2020年國(guó)務(wù)院明確提出兒童學(xué)習(xí)桌能適應(yīng)“科學(xué)用眼，預(yù)防近視”，對(duì)兒童書桌提出了更高的要求[1]?，F(xiàn)在的兒童書桌在傳統(tǒng)書桌中融入智能化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)書桌進(jìn)行升降高度、智能補(bǔ)光等措施，滿足學(xué)齡兒童成長(zhǎng)過(guò)程中視力健康、坐姿正確等健康需求[2]。國(guó)外人們關(guān)注孩子的獨(dú)立性培養(yǎng)，追求成長(zhǎng)型的設(shè)計(jì)，盡量滿足不同年齡階段的兒童的需求[3]。我國(guó)在兒童書桌方面的發(fā)展起步較晚，以低端產(chǎn)品為主，并沒有考慮到兒童成長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)書桌的需求。衛(wèi)靜婷研制的一款基于單片機(jī)的智能兒童書桌，該書桌采用STC89C52RC單片機(jī)作為主控芯片能夠?qū)和?，兒童視力起保護(hù)作用[4]。當(dāng)前針對(duì)兒童設(shè)計(jì)的家具智能化程度不高，但是由于三胎政策以及兒童對(duì)產(chǎn)品性能的更高追求，使得智能化兒童書桌具有良好的發(fā)展前景[5]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

智能兒童書桌的主要功能為：書桌高度調(diào)節(jié)、桌面斜度控制、自動(dòng)補(bǔ)光和語(yǔ)音提醒兒童坐姿。智能兒童書桌改善了傳統(tǒng)書桌死板固定的缺陷，能夠升降高度可以滿足兒童在不同年齡段因?yàn)殚L(zhǎng)個(gè)子需要調(diào)整書桌高度的需求，不同的桌面傾斜程度則可以滿足兒童寫字，繪畫，看書等不同情況下對(duì)書桌的需求。智能兒童書桌還檢測(cè)環(huán)境光照強(qiáng)度并且自動(dòng)補(bǔ)光，當(dāng)光照強(qiáng)度檢測(cè)值低于兒童學(xué)習(xí)適宜強(qiáng)度時(shí)，自動(dòng)調(diào)高光線亮度，智能補(bǔ)光，人離開之后自動(dòng)關(guān)燈。智能兒童書桌可以檢測(cè)學(xué)習(xí)距離，當(dāng)兒童離桌面過(guò)近時(shí)會(huì)有語(yǔ)音提示或者震動(dòng)提示達(dá)到提醒兒童保持正確坐姿，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)防駝背裝置需要束縛兒童的身體。智能兒童書桌還有任務(wù)提醒功能，可以設(shè)置學(xué)習(xí)時(shí)間，兒童在規(guī)定時(shí)間學(xué)習(xí)完后，會(huì)語(yǔ)音提示兒童休息。以上系統(tǒng)的開關(guān)、光照強(qiáng)度、學(xué)習(xí)時(shí)間等參數(shù)的設(shè)置都是利用按鍵實(shí)現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)框圖

智能兒童書桌的系統(tǒng)框圖如圖1所示。電源模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供電，超聲波模塊(HC-SR04)檢測(cè)桌面到人體的直線距離用以判斷坐姿，語(yǔ)言播報(bào)模塊(DY-SV17F)進(jìn)行語(yǔ)言播報(bào)，電機(jī)模塊(TB6612)驅(qū)動(dòng)用于四路推桿電機(jī)伸縮控制，控制推桿的收縮程度來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)桌面上升、下降和傾斜等功能，PWM驅(qū)動(dòng)模塊控制LED的亮度調(diào)節(jié)，OLED顯示模塊顯示相關(guān)參數(shù)。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 概述

硬件設(shè)計(jì)中采用模塊化的電路設(shè)計(jì)，主要有電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、OLED模塊、語(yǔ)言播報(bào)模塊、按鍵電路模塊等。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

在本設(shè)計(jì)的元件組成中，電機(jī)用于作為推桿伸縮的主要?jiǎng)恿ρb置，采用的是低壓直流電機(jī)，使幾組線圈可以輪流產(chǎn)生磁場(chǎng)，在電機(jī)內(nèi)部的永磁體的作用下使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

由于直流電機(jī)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，對(duì)供電電源有比較高的要求，在啟動(dòng)瞬間會(huì)有較大的啟動(dòng)電流，若電路設(shè)計(jì)不當(dāng)則可能影響其他控制部分，選用了TB6612電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

TB6612作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，它的封裝不僅體積小巧，而且又含大電流MOS橋結(jié)構(gòu)，支持兩個(gè)通道輸出，因此使用單個(gè)芯片就可以同控制兩個(gè)電機(jī)，每路的最高有1.1A的連續(xù)輸出電流，有多種電機(jī)控制形式。

AIN1-2和BIN1-2為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸入端口，這四個(gè)輸入端口控制兩路電機(jī)，O1,O2,O3,O4為輸出接口,根據(jù)順序連接到兩個(gè)電機(jī),當(dāng)AIN1為高AIN2電平為低電平則正轉(zhuǎn)，反之則反方向轉(zhuǎn)動(dòng),同理BIN1和BIN2控制相同。PWMA和PWMB接口用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，在根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際需求,在控制過(guò)程中,PWMA和PWMB的接口都為高電平,讓電機(jī)全速轉(zhuǎn)動(dòng),達(dá)到快速調(diào)整角度的目的,如圖2所示。

圖2 TB6612電路原理圖

3.3 OLED模塊設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中OLED作為系統(tǒng)重要的交互設(shè)備，電路如圖3所示。用于顯示系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)參數(shù)和系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)時(shí)狀態(tài)，如:環(huán)境光強(qiáng)度的參數(shù)的顯示,學(xué)習(xí)時(shí)間參數(shù)設(shè)定,當(dāng)前時(shí)間的參數(shù)等。OLED模塊的通信方式可以分為IIC通信和SPI通信。所使用的是0.96寸的OLED屏幕，由128*64個(gè)小燈排列而成，上千個(gè)小燈緊密湊合，因此它對(duì)比度高、厚度薄、視角廣，而且由于OLED是自發(fā)光二極管，它不需要背光源、反應(yīng)速度快、構(gòu)造及制程較簡(jiǎn)單、相比于傳統(tǒng)LCD顯示屏有節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

圖3 OLED電路原理圖

3.4 語(yǔ)言播報(bào)模塊

本設(shè)計(jì)采用語(yǔ)言播報(bào)模塊進(jìn)行語(yǔ)言播報(bào)，電路如圖4所示。語(yǔ)言播報(bào)模塊可以通過(guò)IO口驅(qū)動(dòng)，也可以通過(guò)USART進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，考慮到I/O口資源等問(wèn)題。在本設(shè)計(jì)采用語(yǔ)言播報(bào)模塊的USART串口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用USART串口驅(qū)動(dòng)后,IO0-IO7不需要接入IO口,SPK+和SPK-兩個(gè)IO口接入3W的喇叭,DACL和DACR分別接入單片機(jī)串口資源的RX與TX,CON1和CON2接地,CON3接VCC代表選擇的模式為UART驅(qū)動(dòng)。在模塊中采用USB連接的方式向模塊中存儲(chǔ)音頻信息，如學(xué)習(xí)時(shí)間到達(dá)時(shí)需要進(jìn)行提示，選擇“學(xué)習(xí)時(shí)間到”的語(yǔ)言提示。

圖4 語(yǔ)言播報(bào)電路原理圖

3.5 按鍵電路模塊設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，所需要的交互的按鍵較少，我們使用的是獨(dú)立按鍵，即一個(gè)按鍵使用一個(gè)IO口，一共使用6個(gè)IO口，不但省略了矩陣按鍵的復(fù)雜電路，還提高了程序的掃描效率，有效提高設(shè)備穩(wěn)定性。在本系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中，按下的狀態(tài)為低電平，松開時(shí)按鍵保持高電平。

圖5 獨(dú)立按鍵電路

系統(tǒng)中按鍵1-6分別對(duì)應(yīng)桌面平臺(tái)控制、學(xué)習(xí)距離范圍閾值進(jìn)行調(diào)整、光照強(qiáng)度閾值進(jìn)行調(diào)整和學(xué)習(xí)時(shí)間的設(shè)定,增加和減小兩個(gè)功能按鍵，如桌面平臺(tái)的控制增加代表平臺(tái)的上升，減小代表平臺(tái)的下降，光照強(qiáng)度的閥值按鍵選擇后功能按鍵“+”調(diào)整光照的亮度增加，反之功能按鍵“-”為光照亮度減小。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 超聲波測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

超聲波在進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集過(guò)程中，為了避免數(shù)據(jù)采集中存在的誤差和精度問(wèn)題，在軟件方面的編寫采用如下邏輯進(jìn)行編寫,超聲波完成一次數(shù)據(jù)的采集需要一定的時(shí)間，因此程序中定時(shí)器為200ms定時(shí)中斷,時(shí)間達(dá)到后超聲波采集相應(yīng)的數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)50次數(shù)據(jù)積累后，計(jì)算得出平均計(jì)算值得出最終的測(cè)量數(shù)據(jù)，此邏輯判斷為了能夠更好地得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù),避免實(shí)際運(yùn)用中的誤差和人為的偏差。

4.2 按鍵檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

按鍵掃描在中斷中進(jìn)行，中斷1ms觸發(fā)一次，對(duì)實(shí)時(shí)按鍵情況進(jìn)行記錄，若出現(xiàn)8次連續(xù)的按下狀態(tài)判斷按鍵已被穩(wěn)定按下，若出現(xiàn)8次連續(xù)的彈起狀態(tài)即判斷按鍵為穩(wěn)定彈起，否則按鍵狀態(tài)保持不變這樣就有效地防止了因?yàn)榘存I抖動(dòng)而產(chǎn)生的誤操作。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的智能兒童書桌，具有預(yù)防近視駝背的作用。主要通過(guò)以下三方面實(shí)現(xiàn)該作用：該書桌在兒童讀書寫字過(guò)程中，可以根據(jù)超聲波測(cè)距測(cè)得的兒童與書桌之間的距離并通過(guò)語(yǔ)言播報(bào)進(jìn)行提醒兒童；可以根據(jù)兒童讀書環(huán)境光強(qiáng)的變化智能調(diào)整書桌自帶的光強(qiáng)，通過(guò)可調(diào)LED燈實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)光，從而達(dá)到保護(hù)兒童視力的作用；能夠通過(guò)按鍵交互手段設(shè)定學(xué)習(xí)時(shí)間，通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)的方式實(shí)時(shí)地提醒兒童進(jìn)行學(xué)習(xí)。OLED屏幕作為本系統(tǒng)的一個(gè)重要的交互平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)地顯示整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，包括光照強(qiáng)度，學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)等數(shù)據(jù)。