多功能办公座椅设计

吕若楠，郝传柱

（山东华宇工学院，山东德州 253034）

0 引言

办公座椅是在日常工作和社会活动中为工作方便而配备的椅子。通过资料检索和调查，大部分公司购置的办公座椅都是普通的单一功能的座椅。如今的办公场合越来越追求人性化，在购置办公座椅时会考虑到舒适度的问题，对座椅的功能也会有一定的要求。多功能办公座椅主要针对各种复杂办公场景中，让人引发的诸多不适进行开发。

1 总体设计方案

1.1 整体设计

多功能办公座椅由主体、电源、机械结构、智能控制系统、软件程序、传感器等一系列元器件构成，其整体设计如图1所示。

图1 整体设计图

在座板、靠背、颈部位置上设计由3个小凸起组成的按摩器，座椅的侧面加入折叠式手机支架的设计，座椅的轮子是可控制万向轮，座板下方有控制底部万向轮锁定的开关。座椅的把手上是控制各个按摩模式的开关。

1.2 靠背按摩设计

座椅的靠背可以通过手动机械装置调节前后倾角，内置温控、振动、腰部与颈和椎部有可控的凸起部分，实现支撑与按摩等功能，减轻颈部、背部、腰部的疲劳不适感。座椅的把手上有4个开关，分别为：①回旋气流开关。调节产生回旋气流的大小、时间；②按摩开关。调节按摩器开启，可选择颈部、椎部、背部、腰部等任意位置，调节按摩、振动方式、频率、力度等；③颈部位置调节开关。可根据使用者的自身情况不同，调节颈部靠背的位置，将颈部靠背调高，还可以按摩头部；④折叠开关。可以选择座板的前端折叠部分的角度、振动频率。

1.3 座板设计

座椅的座板为两层，两层中间内置控制模块、电源模块和辅助模块，单片机是控制系统的核心部件，辅助模块内含有感温系统、传感器等。座椅的板面具有可通风透气，实现温度调节、振动、按摩功能，年迈的老人或腰部不适的人，长时间坐着起身的时候，还可以提供助起功能，为防止助起时出现重心不稳的情况，将底部的轮子锁住，需要时再打开。按下助起开关，负责此功能的电机开始工作，支撑起座板上层，对年龄较大的老人和长时间坐着工作腰部不适的使用者起到助力作用。鉴于助起功能的特殊性要求所以助起功能按键采用轻触式按键开关。轻触式按键是一种点按式开关，使用时对开关的使用方向施加满足内部金属弹片张力的外部作用力，开关即可接通。当施加压力小于满足内部金属弹片张力的外部作用力，开关关断，其核心结构是金属弹片受力变形以此实现接通与关断的。选择轻触式按键开关作为助起功能按键开关是为了便于更轻松的达到控制要求功能，便于更准确的保证助起的时长和角度，简化程序编写，拥有好的使用体验，功能实现更为准确，效果也更好。

1.4 通风系统设计

通风系统采用两个散热风机组成，散热风机安装于座板夹层中，而座板不设出风口，将出风口设置在靠背上，从而避免冷风直吹对人体的伤害。座椅的靠背和座椅功能多、舒适度强，严冬温暖舒适、酷夏有徐徐凉风吹拂，不再因出汗而潮湿闷热难耐之感，腰、背、腿、颈椎疲惫不适症状随之得到缓解。由底部产生的回旋气流，在座板气腔和靠背上气腔形成流动通道，避免冷风直吹对人身造成的伤害，座板和靠背均采用透气的解决方案，既增强通风，又解决了天气炎热造成出汗给人带来的潮湿闷热之感。

2 系统设计方案

2.1 系统框架

多功能办公座椅的控制系统中用到的元器件与模块如图2所示。

图2 系统框架

2.2 控制系统方案

单片机是系统的核心，控制系统采用Arduino Uno单片机作为多功能办公座椅控制系统的主控芯片。STC89C51单片机在备选方案中。STC89C51单片机是由STC公司设计生产的微型处理器，该型号单片机使用时产生的功耗低、价格便宜、使用广泛。选择STC89C51单片机作为多功能座椅控制系统的主控芯片有一定的优势，但因其保护能力较差，运行不稳定，带负载能力差，程序编写复杂，且AD、EEPROM等一些常用功能需要增添外设，增加硬件和软件设计的负担。因此，把Arduino Uno单片机作为座椅控制系统的首选方案。Arduino Uno单片机是ARM架构的入门级嵌入式单片机，保留嵌入式单片机在项目开发过程中存在的诸多优点，避免STM32单片机的复杂性。Arduino开发平台是一种可玩性高、使用方便、操作简单、程序编写简洁明了、学习成本低的开发平台，具体包括Arduino Uno和Arduino Mini等多种型号的开发板以及Arduino IDE编程开发软件。使用Arduino进行开发的显著特征是跨平台、简洁明了、开放性强、发展迅速，并且第三方开发资源十分丰富，功耗低，功能强大，集成非常丰富的接口及功能模块。得益于Arduino开发平台强大的开放性，由其为主控芯片设计开发的项目产品得到广大DIY发烧友的认可和大范围的应用；使用方便则表现在无需手动安装额外的电脑驱动程序，避免51单片机在Windows10桌面系统上驱动安装混乱不兼容、使用繁琐的诟病。

2.3 硬件设计

Arduino Uno共包含20个引脚，其中包含IO0—IO13共14个数字输入、输出引脚，AD0—AD5共6个模拟引脚，以及电源插孔和USB信息传输部件，可以直接使用电脑数据线的5 V供电。IO0—IO13每个引脚都可提供或接收最高可达40 mA的电流，引脚IO3、5、6、9、10、11可以实现PWM功能。Arduino Uno的通信协议为串行（TTL），串行通信出现在数字引脚IO0（RX）和IO1（TX）以及USB上。AD0—AD5为模拟引脚，当数字引脚损坏或单独使用数字引脚数量不足以满足使用要求时，也可以直接充当数字引脚使用。为完成多功能座椅控制系统的要求中各个模式的顺利转换，采用传统按键进行控制。在Arduino Uno单片机的IO0、1、2接口上设置按键，分别用于完成按摩功能、通风功能、和助起功能的选择和实现。在Proteus仿真中选择3个RT0805WRB0712KL电阻作为下拉电阻，使用它们的原因是为了消除可能存在的电子干扰，避免Arduino Uno单片机读出来浮动的电压，目的是在功能选择按钮开路的时候，将其功能引脚或者连接导线上的电压全部都拉到地端。

2.4 软件设计

Arduino Uno单片机上电后，程序开始运行，首先进行程序初始化操作，接下来判别是否有相对应的功能按键按下，做出判别后，进入对应的子程序，对应程序开始执行，Arduino Uno单片机发出控制指令，从而实现按摩、通风、助起的对应功能。若暂时未检测到功能按键按下，程序开始循环，等待命令发出。

Arduino Uno单片机的3个引脚IO1、IO2、IO3分别与多功能座椅控制系统的要求中的按摩、通风、助起3大功能按键相连，上述3个引脚用于接收相对应的按键信号。当上述功能按键未按下时，单片机接收到按键信号，引脚呈现低电平；若功能按键按下，上述引脚表现出的低电平随机转变为高电平状态。

Arduino Uno单片机的IO0引脚检测到控制按摩功能的按键为高电平时，单片机执行对应的按摩功能子程序，即单片机的按摩使能输出端IO3开始输出高电平，单片机的IO4和IO5两引脚分别输出高电平和低电平，所连接L298N驱动芯片的IN1和IN2引脚，此时按摩直流电机全速运转。

Arduino Uno单片机的IO1引脚检测到控制通风功能的按键为高电平时，单片机执行对应的通风功能子程序，即单片机的通风使能输出端IO9开始输出高电平，单片机的A0和A1两引脚分别输出高电平和低电平，所连接L298N驱动芯片的IN1和IN2引脚，此时两台HD-8025H24S直流风机全速运转。

Arduino Uno单片机的IO2引脚检测到助起按键为高电平时，单片机执行对应的助起功能子程序，即单片机的助起使能输出端IO6开始输出高电平，单片机的IO7和IO8两引脚分别输出高电平和低电平，所连接L298N驱动芯片的IN3和IN4引脚，此时电动伸缩杆直流电机全速正转，待电动伸缩杆将座板顶起至一定角度，也就是电动伸缩杆工作一定时长后，使用者助起成功，电机反转，座板回归原始状态，此时单片机的IO7和IO8两引脚的输出分别由高电平和低电平转变为低电平和高电平，所连接L298N驱动芯片驱动电机反转。

3 结语

多功能办公座椅由多部分构成，详细论述这种座椅的控制要点，确定座椅的控制要求，并且对座椅的工作过程进行详尽的描述。首先论述其总体设计方案和各个功能的设计方案，然后确定控制系统方案、硬件设计和软件设计。多功能办公座椅设计是对普通座椅的创新，在座板、轮子、靠背等部位添加多个功能。多功能办公座椅的设计旨在解决职场工作人员的身体不适问题，通过多个功能的开发，提高舒适度，符合现代发展的趋势，满足客户的高配置要求，低造价、多功能、高享受，无论对生产者还是消费者都是一个不错的选择。