基于单片机的智能型桌椅的设计✳

荣 莲，王海明，朱昌昊，杜 娟，韩建华

（太原科技大学 机械工程学院，山西 太原 030024）

0 引言

近视已成为危害我国学生健康的突出问题，因此，近视防治刻不容缓。造成我国学生近视的原因除了少部分是遗传因素外，大部分是由于学习负担过重，加上不良的用眼习惯，导致近距离用眼时间过长而引起的。作为中小学生，学习所用的桌椅成为他们必不可少的伙伴。因此，我们可以利用这些桌椅来协助家长和老师培养学生良好的用眼习惯和正确的坐姿。

1 桌子结构设计

为了使学生在看书写字时眼睛与书本保持垂直，把桌面设计成有一定倾斜斜度的结构，并且倾斜角度与圆弧宽度可调（采用拉杆式可调装置），以适应不同的学生。另外，为保持学生读写时的正确坐姿，把桌面靠近学生的一边设计成有一定圆弧状的边缘结构，使学生在坐直的时候贴紧桌子边缘，这样也增加了学习的舒适度。

根据人体工效学原理，儿童桌的高度设计在484 mm～708mm之间并可调节。高度调节通过旁板和调节板上不同高度的孔连接来进行。桌子的高度设计分为8档，各档高度的适应身高如表1所示。

表1 桌面高度调节范围

旁板和调节板的设计分别如图1和图2所示。根据儿童每年身高的增长情况，调节桌面至适用高度。

2 椅子结构设计

为了使体重更多地集中于坐骨骨节处，减少腿部的负荷，座椅的前端不宜过高，即座椅不能前高后低，而应后高前低，倾角为8°～12°，最大不能超过15°，这样就可有效减轻脊柱弯曲的程度。但由于椅面向前倾斜容易下滑，所以应设置软坐垫和脚踏。桌子的高度和倾角也是影响坐姿的重要因素，太低将导致脊柱的过度弯曲，太高又会使上肢不能自然舒适的支撑，并影响眼睛到桌面的距离。为了更适合眼睛观察，桌面应向座位下方倾斜10°～15°。

图1 旁板

图2 调节板

依据人体工程学要求，对椅面大小、椅背高低以及角度进行设计。椅背和椅面呈95°，使用时可以完全轻松地靠在椅背上，使身体第4至第5节腰椎的压力减小，不易产生疲劳。儿童椅的高度在260mm～452mm间可调，通过气压式脚动调节装置进行调节。腰垫的位置一般位于第3至第5腰椎部分，厚度以5cm左右为宜。座面倾角一般设计成0°～3°，以保证身体姿势及腰垫的合理支撑。另外，工作之余，为使人能得到充分的休息，背倾角应为5°～30°可调。

3 纠正坐姿设计

3.1 系统硬件电路组成与设计

系统硬件电路主要包括压力信号电路、红外信号电路、复位电路、时钟电路、按键电路等，各部分的主要功能如下。

3.1.1 压力信号电路

该电路信号用于控制系统计时时钟和系统处于待机时钟，从而实现对学习时间的控制。在按下学习键的同时，压力信号电路有信号输入，系统计时时钟开始计时。当学习时间达到系统设定的最高时间时，系统报警电路每隔5min发出语音提示，提示使用者应该休息了。

当使用者因为某些原因离开椅子，压力传感器无电流输入后，系统处于待机状态。此时待机时钟启动并开始计时，而系统学习时间停止计时，当达到最高待机设定时间时（最机待机时间设定为8min），系统自动关闭。当使用者在设定时间内回到椅子上，压力传感器有电流输入后，系统学习时间继续计时，系统待机时间归零。如此重复。

3.1.2 红外信号电路

该电路信号用于控制系统使用者坐姿中的肩平、背直，让使用者在学习中保持正确的坐姿，从而帮助学生养成良好的用眼习惯，有效防治近视的发生。

系统在学习模式下通过4个红外感应器控制肩平，4个红外感应器两两相对，分别位于两肩正中。每两个红外感应器在竖直方向上有一定的距离，而肩上方就在这两个红外感应器之间，当肩的倾斜超过一定程度时发出语音提示。

系统在学习模式下通过4个红外感应器控制背直，当下端两个红外感应信号均无电流输入时，系统也将发出语音提示。

系统在调试模式下当肩上端在两感应器之间时（即上端两个感应器无电流输入而下端两个感应器有电流输入时），系统提示调试成功。

3.1.3 复位电路、时钟电路和按键电路

单片机在工作之前进行复位，使单片机所有部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，使程序从指定处开始执行。当程序运行出错或操作错误使系统处于“死机”状态时，需复位以重新启动。本次设计采用兼有上电外部复位与按键复位的电路，它能输出两种电平的复位控制信号，以适应外围I／O接口芯片所需要的不同复位电平信号。复位电路图如图3所示。

单片机必须在时钟的驱动下才能进行工作。AT89C51型单片机内部具有一个时钟振荡电路，只需要外接振荡器，即可为各部提供时钟信号。

系统共有4个按键：开／关机键、调试键、学习键和复位键。通过按键来控制系统的开关、复位、学习与调试状态的切换。每个按键都对应有一个指示灯，用以提示使用者现在系统处于何种状态。同时使用者可以通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机通信。

图3 复位电路图

3.1.4 系统供电电路和指示灯电路

选用两节3.6V充电锂电池串联，即输入电压为7.2V。由于AT89C51型单片机的工作电压为5V，所以需要对输入电压进行降压，该设计系统采用TPS71401电池管理芯片。

在指示灯电路中共有4个指示灯，每个指示灯都对应一个按键，用以提示使用者现在系统处于何种状态。指示灯1对应开关机键，它与开关电路相连；指示灯2对应复位键，其对应的I／O接口为P1.1；指示灯3对应调试键，其对应的I／O接口为P1.2；指示灯4对应学习键，其对应的I／O接口为P1.0。当相应的键按下时，发光二级管导通，指示灯发光。指示灯电路如图4所示。

图4 指示灯电路图

3.1.5 语音提示电路

语音提示电路用于引起使用者的注意并提示使用者所犯的错误，共有4种语音提示：调试合适、注意肩平、注意背直、应该休息了。本系统选择APR9600语音录放芯片，其具有音质好、噪声低、不怕断电、可反复录放的特点。

3.2 系统程序设计

3.2.1 主程序流程

该智能桌椅控制系统的软件设计采用的是顺序执行并反复循环的方法。智能桌椅共有4个功能键，每个功能键各调用一个子程序完成相应的功能。在程序中定时扫描P3接口，若有键按下，则调用键盘子程序进行相应的处理；若无，则程序继续扫描。主程序流程如图5所示。

3.2.2 初始化子程序流程

任何控制系统开始正常工作前都必须进行初始化，该智能桌椅的初始化程序主要是针对两个定时器和一个中断。初始化子程序流程如图6所示。

3.2.3 中断程序流程

该程序用于当压力传感器无输入时，控制系统待机时间进行倒计时，最终实现系统的自动关机。中断程序流程如图7所示。

3.2.4 按键子程序流程

在该控制系统中，共使用了4个功能键S1、S2、S3、S4来处理智能桌椅的不同功能。按键子程序的控制流程如图8所示。

4 总结

本文通过对智能桌椅的设计，并利用单片机的原理，来提醒使用者保持正确的坐姿和良好的学习习惯，从而达到预防近视的目的，实现了桌椅的智能化，为青少年的健康学习提供了有力保障，具有一定的现实意义。

图5 主程序流程图

图6 初始化子程序流程图

图7 中断程序流程图

图8 按键子程序流程图

［1］ 张毅刚.新编MCS-51单片机应用设计［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003.

［2］ 丁玉兰.人机工程学［M］.北京：北京理工大学出版社，2000.

［3］ 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1995.

［4］ 刘南平.电子产品设计与制作技术［M］.北京：科学出版社，2008.