用于緩解頸椎疲勞的智能顯示調(diào)節(jié)器綜述

王士杰 劉鑫 劉狀

摘 要 針對市場上的顯示器位置調(diào)節(jié)器存在種類少、非智能化等問題，研究了成本低、智能化、可以有效預(yù)防頸椎病的調(diào)節(jié)器；本設(shè)計采用52單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，通過按鍵輸入指令，單片機(jī)對按鍵的高低電平進(jìn)行判斷，判斷高低電平后驅(qū)動A4988微步電機(jī)驅(qū)動器，控制相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)運轉(zhuǎn)，機(jī)械手臂可以靈活轉(zhuǎn)動，從而對顯示器位置進(jìn)行調(diào)節(jié)；通過多個超聲波探測器協(xié)同工作來定位人體的大致位置，從而實現(xiàn)人臉位置的識別以及久坐提醒的功能。本設(shè)計有效降低了成本，節(jié)約了空間，可以有效預(yù)防頸椎病的發(fā)生，極大地滿足了日常生活的需要，對上班族和學(xué)生具有很大的使用價值。

關(guān)鍵詞 52單片機(jī)；A4988；預(yù)防頸椎病

引言

科技發(fā)展迅速人們對于電腦的依賴性越來越強(qiáng)，各種頸椎問題日益凸顯。目前市場上出現(xiàn)的可調(diào)節(jié)的電腦顯示屏需用戶手動進(jìn)行調(diào)整存在一定弊端，無法滿足用戶對智能化硬件的需求。本設(shè)計依據(jù)面部識別可在一定范圍內(nèi)自動調(diào)整位置，達(dá)到顯示器隨用戶活動的目的。有效預(yù)防和改善長期使用電腦的人群出現(xiàn)的各種頸肌肉損傷頸椎疾病的問題，以達(dá)到對頸椎病的自我治療。

1 硬件設(shè)計

設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，本方案設(shè)計由以下及部分組成：單片機(jī)控制單元、按鍵檢測單元、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動單元、步進(jìn)電機(jī)電路、蜂鳴器電路、人臉識別單元、電源電路。

本設(shè)計采用的A4988微步電機(jī)驅(qū)動器，內(nèi)置轉(zhuǎn)換器，操作簡單；用于以全步，半步，四分之一，八分之一和十六分之一步模式操作的雙極步進(jìn)電機(jī)；輸出驅(qū)動性能可達(dá)35V及±2A [1]。

電源通電，單片機(jī)上電復(fù)位后，立即對四個步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，單片機(jī)電路持續(xù)的監(jiān)測按鍵控制電路的按鍵情況，并對按鍵按下后電平的變化做出及時的響應(yīng)，將信號傳給驅(qū)動板電路，從而控制步進(jìn)電機(jī)工作。不同按鍵對應(yīng)不同功能，通過接入單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸口不同，單片機(jī)可做出準(zhǔn)確的識別。本設(shè)計采用的STC89C52RC單片機(jī)，是新一代高速、低功耗的單片機(jī)，擁有靈巧的8位CPU使得STC89C52RC單片機(jī)為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供了超有效、高靈活的解決方案[2]。

1.1 單片機(jī)控制單元

單片機(jī)處理電路如圖1-2所示，單片機(jī)P1.0，P1.1分別控制電機(jī)1的速度和旋轉(zhuǎn)方向，其中，STEP1為輸出脈沖信號，通過調(diào)節(jié)信號周期可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，DIR1為輸出高低電平，不同電平對應(yīng)不同方向。P1.2，P1.3分別控制電機(jī)2的速度和旋轉(zhuǎn)方向，以此類推控制四個電機(jī)。關(guān)于按鍵信號統(tǒng)一由P2口、P0.6口和P0.7口完成采集，P2口、P0.6口和P0.7口長期置于高電平，當(dāng)不同按鍵按下后，與地接通形成低電平信號，其中，P0.6口為手動控制信號檢測，P0.7口為自動控制按鍵檢測，P2口為單一電機(jī)控制信號檢測。

1.2 按鍵檢測單元

本電路共有10個按鍵，2個為模式選擇，可以選擇自動模式與遙控模式。

有8個為四個電機(jī)的正反轉(zhuǎn)方向控制按鍵，當(dāng)按鍵按下后，單片機(jī)的I/O口與地相連，為低電平。其中，自動模式按下即執(zhí)行自動模式，再次按下停止，手動模式按下即執(zhí)行手動模式，另外8個按鍵方可進(jìn)行操作，再次按下手動模式關(guān)閉。

1.3 電源電路

本設(shè)計采用USB供電，本設(shè)計中單片機(jī)工作電壓為3.3V～5.5V，A4988工作電壓為3V～5.5V，USB供電完全能夠滿足要求，A4988的驅(qū)動電壓為8V～15V，而步進(jìn)電機(jī)采用的是12V兩相四線步進(jìn)電機(jī)，USB無法達(dá)到步進(jìn)電機(jī)的工作電壓和A4988的驅(qū)動電壓，所以這里直接使用直流穩(wěn)壓電源調(diào)到12V進(jìn)行供電。

2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是基于STC89C52RC單片機(jī)的開發(fā)與運用，其在編程上具有調(diào)試比較方便的特點，適用于顯示器調(diào)節(jié)上的信號處理；系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

2.1 自動模式

根據(jù)頸椎操的頻率自動調(diào)節(jié)顯示器位置，達(dá)到治療和預(yù)防頸椎病的目的。頸椎操頻率如表4所示[3]。

2.2 人臉檢測

本設(shè)計通過支架的四個超聲波探測器檢測到的距離判斷出此時此刻顯示器是否有人使用以及人臉的方向。如果左側(cè)兩個超聲波探測器任意一個或者兩個同時檢測到而右側(cè)兩個未檢測到閾值范圍內(nèi)信號，則認(rèn)為此時用戶頭部正向左側(cè)位置移動，通過單片機(jī)處理，顯示器向左位置旋轉(zhuǎn)；如果右側(cè)兩個超聲波探測器任意一個或者兩個同時檢測到而左側(cè)兩個未檢測到閾值范圍內(nèi)信號，則認(rèn)為此時用戶頭部正向左側(cè)位置移動，通過單片機(jī)處理，顯示器向右位置旋轉(zhuǎn)；如果四個同時或者下面兩個檢測到閾值信號，則認(rèn)為用戶頭部基本位置不變，顯示器不進(jìn)行位置調(diào)節(jié)。四個超聲波探測器在設(shè)置的時間內(nèi)至少任意一個檢測到閾值信號，則認(rèn)為用戶有久坐的可能，通過蜂鳴器提醒用戶。

2.3 軟件流程

52單片機(jī)程序具體執(zhí)行的結(jié)果由用戶輸入的指令所來控制，通過定時中斷服務(wù)程序進(jìn)行狀態(tài)選擇，輸出對應(yīng)的脈沖信號。

系統(tǒng)軟件部分由按鍵檢測單元、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動單元、主函數(shù)單元、定時中斷程序單元組成。在單片機(jī)通電初始化后，用戶輸入相應(yīng)的指令，經(jīng)過按鍵檢測傳送到52單片機(jī)控制器，52控制器對傳送來的信號進(jìn)行電平的判斷，當(dāng)按鍵檢測到自動模式時，定時中斷服務(wù)程序輸出脈沖，控制顯示器調(diào)節(jié)器依據(jù)頸椎操的頻率進(jìn)行移動；若無，則單片機(jī)控制器再一次判斷是否為手動模式，若為手動模式，則調(diào)節(jié)器根據(jù)其余對應(yīng)按鍵的按下進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，否則程序回到按鍵檢測，等待按鍵是否按下，軟件流程圖如圖2-1所示。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 測試結(jié)果

首先對本設(shè)計的自動模式進(jìn)行測試，當(dāng)按下自動模式按鍵時，單片機(jī)檢測到電平發(fā)生的變化，機(jī)械手臂做出相應(yīng)的動作，測試得到的頸椎操的頻率和預(yù)期設(shè)計相差不多，基本吻合。

其次是對本設(shè)計的手動模式進(jìn)行測試，當(dāng)按下手動模式的開關(guān)后，可以通過其余的八個按鍵進(jìn)行控制，做出上下、左右和前后的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器正常工作。

最后是對久坐提醒進(jìn)行測試，一般連續(xù)坐2小時以上并沒有站起活動和改變坐姿都算久坐。測試者在顯示器前工作約2小時20分鐘時蜂鳴器發(fā)出警報，測試符合要求。

3.2 實驗數(shù)據(jù)

根據(jù)設(shè)計要求確定穩(wěn)壓電源的主要參數(shù)，單片機(jī)及A4988工作電壓為5V，步進(jìn)電機(jī)工作電壓和A4988驅(qū)動電壓為12V。

3.3 測試分析和總結(jié)

測試結(jié)果滿足實驗要求，更換尺寸相差在5英寸以內(nèi)的顯示器，對其進(jìn)行測試，測試所得誤差皆在誤差允許范圍內(nèi)。

本設(shè)計基于52單片機(jī)控制，利用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動模塊，結(jié)合了A4988芯片的優(yōu)質(zhì)特性，實現(xiàn)了顯示器位置的智能調(diào)節(jié)，測試結(jié)果也符合預(yù)期的設(shè)想；其低成本、智能化、高靈敏度，為長期使用電腦的工作者預(yù)防頸椎病帶來了福音。

4 結(jié)束語

在整個設(shè)計過程中，基于52單片機(jī)控制器作為控制核心；硬件機(jī)械部分主要介紹了顯示器調(diào)節(jié)器各部分的尺寸以及具體的工作方式；硬件電路方面主要設(shè)計了STC89C522RC單片機(jī)處理電路、按鍵控制電路和A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路；軟件方面主要設(shè)計了手動模式與自動模式；此設(shè)計就是針對現(xiàn)代化的辦公環(huán)境下辦公族和長期伏案工作，僵著脖子低頭看屏幕，工作中姿勢性勞損、過度勞累等出現(xiàn)的種種問題的人群著手研發(fā)的一款進(jìn)行頸椎自我治療的產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1] 藍(lán)杰，張浩然.基于STM32的微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制器設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（01）：43-46.

[2] 宋慧超.基于STC89C52的計算器設(shè)計與仿真[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2015，（29）：159-160，162.

[3] 劉存根，彭再如，劉雪勇.頸椎操對大學(xué)生頸型頸椎病干預(yù)效果分析[J].中國運動醫(yī)學(xué)雜志，2011，30（03）：279-281.