用于缓解颈椎疲劳的智能显示调节器综述

王士杰 刘鑫 刘状

摘 要 针对市场上的顯示器位置调节器存在种类少、非智能化等问题，研究了成本低、智能化、可以有效预防颈椎病的调节器；本设计采用52单片机作为控制系统，通过按键输入指令，单片机对按键的高低电平进行判断，判断高低电平后驱动A4988微步电机驱动器，控制相应的步进电机运转，机械手臂可以灵活转动，从而对显示器位置进行调节；通过多个超声波探测器协同工作来定位人体的大致位置，从而实现人脸位置的识别以及久坐提醒的功能。本设计有效降低了成本，节约了空间，可以有效预防颈椎病的发生，极大地满足了日常生活的需要，对上班族和学生具有很大的使用价值。

关键词 52单片机；A4988；预防颈椎病

引言

科技发展迅速人们对于电脑的依赖性越来越强，各种颈椎问题日益凸显。目前市场上出现的可调节的电脑显示屏需用户手动进行调整存在一定弊端，无法满足用户对智能化硬件的需求。本设计依据面部识别可在一定范围内自动调整位置，达到显示器随用户活动的目的。有效预防和改善长期使用电脑的人群出现的各种颈肌肉损伤颈椎疾病的问题，以达到对颈椎病的自我治疗。

1 硬件设计

设计结构图如图1所示，本方案设计由以下及部分组成：单片机控制单元、按键检测单元、步进电机驱动单元、步进电机电路、蜂鸣器电路、人脸识别单元、电源电路。

本设计采用的A4988微步电机驱动器，内置转换器，操作简单；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双极步进电机；输出驱动性能可达35V及±2A [1]。

电源通电，单片机上电复位后，立即对四个步进电机进行控制，单片机电路持续的监测按键控制电路的按键情况，并对按键按下后电平的变化做出及时的响应，将信号传给驱动板电路，从而控制步进电机工作。不同按键对应不同功能，通过接入单片机的数据传输口不同，单片机可做出准确的识别。本设计采用的STC89C52RC单片机，是新一代高速、低功耗的单片机，拥有灵巧的8位CPU使得STC89C52RC单片机为众多嵌入式控制应用系统提供了超有效、高灵活的解决方案[2]。

1.1 单片机控制单元

单片机处理电路如图1-2所示，单片机P1.0，P1.1分别控制电机1的速度和旋转方向，其中，STEP1为输出脉冲信号，通过调节信号周期可以控制步进电机的转速，DIR1为输出高低电平，不同电平对应不同方向。P1.2，P1.3分别控制电机2的速度和旋转方向，以此类推控制四个电机。关于按键信号统一由P2口、P0.6口和P0.7口完成采集，P2口、P0.6口和P0.7口长期置于高电平，当不同按键按下后，与地接通形成低电平信号，其中，P0.6口为手动控制信号检测，P0.7口为自动控制按键检测，P2口为单一电机控制信号检测。

1.2 按键检测单元

本电路共有10个按键，2个为模式选择，可以选择自动模式与遥控模式。

有8个为四个电机的正反转方向控制按键，当按键按下后，单片机的I/O口与地相连，为低电平。其中，自动模式按下即执行自动模式，再次按下停止，手动模式按下即执行手动模式，另外8个按键方可进行操作，再次按下手动模式关闭。

1.3 电源电路

本设计采用USB供电，本设计中单片机工作电压为3.3V～5.5V，A4988工作电压为3V～5.5V，USB供电完全能够满足要求，A4988的驱动电压为8V～15V，而步进电机采用的是12V两相四线步进电机，USB无法达到步进电机的工作电压和A4988的驱动电压，所以这里直接使用直流稳压电源调到12V进行供电。

2 软件设计

软件设计是基于STC89C52RC单片机的开发与运用，其在编程上具有调试比较方便的特点，适用于显示器调节上的信号处理；系统软件流程图如图2所示。

2.1 自动模式

根据颈椎操的频率自动调节显示器位置，达到治疗和预防颈椎病的目的。颈椎操频率如表4所示[3]。

2.2 人脸检测

本设计通过支架的四个超声波探测器检测到的距离判断出此时此刻显示器是否有人使用以及人脸的方向。如果左侧两个超声波探测器任意一个或者两个同时检测到而右侧两个未检测到阈值范围内信号，则认为此时用户头部正向左侧位置移动，通过单片机处理，显示器向左位置旋转；如果右侧两个超声波探测器任意一个或者两个同时检测到而左侧两个未检测到阈值范围内信号，则认为此时用户头部正向左侧位置移动，通过单片机处理，显示器向右位置旋转；如果四个同时或者下面两个检测到阈值信号，则认为用户头部基本位置不变，显示器不进行位置调节。四个超声波探测器在设置的时间内至少任意一个检测到阈值信号，则认为用户有久坐的可能，通过蜂鸣器提醒用户。

2.3 软件流程

52单片机程序具体执行的结果由用户输入的指令所来控制，通过定时中断服务程序进行状态选择，输出对应的脉冲信号。

系统软件部分由按键检测单元、步进电机驱动单元、主函数单元、定时中断程序单元组成。在单片机通电初始化后，用户输入相应的指令，经过按键检测传送到52单片机控制器，52控制器对传送来的信号进行电平的判断，当按键检测到自动模式时，定时中断服务程序输出脉冲，控制显示器调节器依据颈椎操的频率进行移动；若无，则单片机控制器再一次判断是否为手动模式，若为手动模式，则调节器根据其余对应按键的按下进行手动调节，否则程序回到按键检测，等待按键是否按下，软件流程图如图2-1所示。

3 测试结果与分析

3.1 测试结果

首先对本设计的自动模式进行测试，当按下自动模式按键时，单片机检测到电平发生的变化，机械手臂做出相应的动作，测试得到的颈椎操的频率和预期设计相差不多，基本吻合。

其次是对本设计的手动模式进行测试，当按下手动模式的开关后，可以通过其余的八个按键进行控制，做出上下、左右和前后的调节，调节器正常工作。

最后是对久坐提醒进行测试，一般连续坐2小时以上并没有站起活动和改变坐姿都算久坐。测试者在显示器前工作约2小时20分钟时蜂鸣器发出警报，测试符合要求。

3.2 实验数据

根据设计要求确定稳压电源的主要参数，单片机及A4988工作电压为5V，步进电机工作电压和A4988驱动电压为12V。

3.3 测试分析和总结

测试结果满足实验要求，更换尺寸相差在5英寸以内的显示器，对其进行测试，测试所得误差皆在误差允许范围内。

本设计基于52单片机控制，利用步进电机作为驱动模块，结合了A4988芯片的优质特性，实现了显示器位置的智能调节，测试结果也符合预期的设想；其低成本、智能化、高灵敏度，为长期使用电脑的工作者预防颈椎病带来了福音。

4 结束语

在整个设计过程中，基于52单片机控制器作为控制核心；硬件机械部分主要介绍了显示器调节器各部分的尺寸以及具体的工作方式；硬件电路方面主要设计了STC89C522RC单片机处理电路、按键控制电路和A4988步进电机驱动电路；软件方面主要设计了手动模式与自动模式；此设计就是针对现代化的办公环境下办公族和长期伏案工作，僵着脖子低头看屏幕，工作中姿势性劳损、过度劳累等出现的种种问题的人群着手研发的一款进行颈椎自我治疗的产品。

参考文献

[1] 蓝杰，张浩然.基于STM32的微型步进电机驱动控制器设计[J].微型机与应用，2015，34（01）：43-46.

[2] 宋慧超.基于STC89C52的计算器设计与仿真[J].科技创新导报，2015，（29）：159-160，162.

[3] 刘存根，彭再如，刘雪勇.颈椎操对大学生颈型颈椎病干预效果分析[J].中国运动医学杂志，2011，30（03）：279-281.