一種智能兒童書桌設(shè)計

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，嚴重影響了兒童的身體健康。2020年國務(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，通過對書桌進行升降高度、智能補光等措施，滿足學(xué)齡兒童成長過程中視力健康、坐姿正確等健康需求[2]。國外人們關(guān)注孩子的獨立性培養(yǎng)，追求成長型的設(shè)計，盡量滿足不同年齡階段的兒童的需求[3]。我國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過程中對書桌的需求。衛(wèi)靜婷研制的一款基于單片機的智能兒童書桌，該書桌采用STC89C52RC單片機作為主控芯片能夠?qū)和?，兒童視力起保護作用[4]。當前針對兒童設(shè)計的家具智能化程度不高，但是由于三胎政策以及兒童對產(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)計方案

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

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、自動補光和語音提醒兒童坐姿。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為長個子需要調(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書桌的需求。智能兒童書桌還檢測環(huán)境光照強度并且自動補光，當光照強度檢測值低于兒童學(xué)習(xí)適宜強度時，自動調(diào)高光線亮度，智能補光，人離開之后自動關(guān)燈。智能兒童書桌可以檢測學(xué)習(xí)距離，當兒童離桌面過近時會有語音提示或者震動提示達到提醒兒童保持正確坐姿，遠優(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)時間，兒童在規(guī)定時間學(xué)習(xí)完后，會語音提示兒童休息。以上系統(tǒng)的開關(guān)、光照強度、學(xué)習(xí)時間等參數(shù)的設(shè)置都是利用按鍵實現(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。電源模塊對整個系統(tǒng)供電，超聲波模塊(HC-SR04)檢測桌面到人體的直線距離用以判斷坐姿，語言播報模塊(DY-SV17F)進行語言播報，電機模塊(TB6612)驅(qū)動用于四路推桿電機伸縮控制，控制推桿的收縮程度來實現(xiàn)整個桌面上升、下降和傾斜等功能，PWM驅(qū)動模塊控制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

3.1 概述

硬件設(shè)計中采用模塊化的電路設(shè)計，主要有電機驅(qū)動模塊、OLED模塊、語言播報模塊、按鍵電路模塊等。

3.2 電機驅(qū)動模塊

在本設(shè)計的元件組成中，電機用于作為推桿伸縮的主要動力裝置，采用的是低壓直流電機，使幾組線圈可以輪流產(chǎn)生磁場，在電機內(nèi)部的永磁體的作用下使電機旋轉(zhuǎn)。

由于直流電機獨特的結(jié)構(gòu)，對供電電源有比較高的要求，在啟動瞬間會有較大的啟動電流，若電路設(shè)計不當則可能影響其他控制部分，選用了TB6612電機驅(qū)動。

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

AIN1-2和BIN1-2為電機驅(qū)動的輸入端口，這四個輸入端口控制兩路電機，O1,O2,O3,O4為輸出接口,根據(jù)順序連接到兩個電機,當AIN1為高AIN2電平為低電平則正轉(zhuǎn)，反之則反方向轉(zhuǎn)動,同理BIN1和BIN2控制相同。PWMA和PWMB接口用于控制電機轉(zhuǎn)速，在根據(jù)本項目的實際需求,在控制過程中,PWMA和PWMB的接口都為高電平,讓電機全速轉(zhuǎn)動,達到快速調(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

在本設(shè)計中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)的一個實時狀態(tài)，如:環(huán)境光強度的參數(shù)的顯示,學(xué)習(xí)時間參數(shù)設(shè)定,當前時間的參數(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個小燈排列而成，上千個小燈緊密湊合，因此它對比度高、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)造及制程較簡單、相比于傳統(tǒng)LCD顯示屏有節(jié)能優(yōu)勢。

圖3 OLED電路原理圖

3.4 語言播報模塊

本設(shè)計采用語言播報模塊進行語言播報，電路如圖4所示。語言播報模塊可以通過IO口驅(qū)動，也可以通過USART進行驅(qū)動，考慮到I/O口資源等問題。在本設(shè)計采用語言播報模塊的USART串口進行驅(qū)動，采用USART串口驅(qū)動后,IO0-IO7不需要接入IO口,SPK+和SPK-兩個IO口接入3W的喇叭,DACL和DACR分別接入單片機串口資源的RX與TX,CON1和CON2接地,CON3接VCC代表選擇的模式為UART驅(qū)動。在模塊中采用USB連接的方式向模塊中存儲音頻信息，如學(xué)習(xí)時間到達時需要進行提示，選擇“學(xué)習(xí)時間到”的語言提示。

圖4 語言播報電路原理圖

3.5 按鍵電路模塊設(shè)計

在本設(shè)計中，所需要的交互的按鍵較少，我們使用的是獨立按鍵，即一個按鍵使用一個IO口，一共使用6個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)計中，按下的狀態(tài)為低電平，松開時按鍵保持高電平。

圖5 獨立按鍵電路

系統(tǒng)中按鍵1-6分別對應(yīng)桌面平臺控制、學(xué)習(xí)距離范圍閾值進行調(diào)整、光照強度閾值進行調(diào)整和學(xué)習(xí)時間的設(shè)定,增加和減小兩個功能按鍵，如桌面平臺的控制增加代表平臺的上升，減小代表平臺的下降，光照強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

4.1 超聲波測量軟件設(shè)計

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

4.2 按鍵檢測軟件設(shè)計

按鍵掃描在中斷中進行，中斷1ms觸發(fā)一次，對實時按鍵情況進行記錄，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為按鍵抖動而產(chǎn)生的誤操作。

5 總結(jié)

本文設(shè)計了一種基于單片機的智能兒童書桌，具有預(yù)防近視駝背的作用。主要通過以下三方面實現(xiàn)該作用：該書桌在兒童讀書寫字過程中，可以根據(jù)超聲波測距測得的兒童與書桌之間的距離并通過語言播報進行提醒兒童；可以根據(jù)兒童讀書環(huán)境光強的變化智能調(diào)整書桌自帶的光強，通過可調(diào)LED燈實現(xiàn)自動補光，從而達到保護兒童視力的作用；能夠通過按鍵交互手段設(shè)定學(xué)習(xí)時間，通過語音播報的方式實時地提醒兒童進行學(xué)習(xí)。OLED屏幕作為本系統(tǒng)的一個重要的交互平臺能夠?qū)崟r地顯示整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，包括光照強度，學(xué)習(xí)時長等數(shù)據(jù)。