一种智能儿童书桌设计

李博，刘云连，魏安敏，何威，毛依凡

（1.湖南人文科技学院能源与机电工程学院，湖南娄底 417000；2.湖南人文科技学院信息学院，湖南娄底 417000）

1 引言

儿童正处于成长期，不良的坐姿容易导致驼背和近视。传统的儿童书桌高度固定，使得很多儿童由于高度不合适导致坐姿不端正，严重影响了儿童的身体健康。2020年国务院明确提出儿童学习桌能适应“科学用眼，预防近视”，对儿童书桌提出了更高的要求[1]。现在的儿童书桌在传统书桌中融入智能化设计，通过对书桌进行升降高度、智能补光等措施，满足学龄儿童成长过程中视力健康、坐姿正确等健康需求[2]。国外人们关注孩子的独立性培养，追求成长型的设计，尽量满足不同年龄阶段的儿童的需求[3]。我国在儿童书桌方面的发展起步较晚，以低端产品为主，并没有考虑到儿童成长过程中对书桌的需求。卫静婷研制的一款基于单片机的智能儿童书桌，该书桌采用STC89C52RC单片机作为主控芯片能够对儿童坐姿，儿童视力起保护作用[4]。当前针对儿童设计的家具智能化程度不高，但是由于三胎政策以及儿童对产品性能的更高追求，使得智能化儿童书桌具有良好的发展前景[5]。

2 系统总体设计方案

2.1 系统功能设计

智能儿童书桌的主要功能为：书桌高度调节、桌面斜度控制、自动补光和语音提醒儿童坐姿。智能儿童书桌改善了传统书桌死板固定的缺陷，能够升降高度可以满足儿童在不同年龄段因为长个子需要调整书桌高度的需求，不同的桌面倾斜程度则可以满足儿童写字，绘画，看书等不同情况下对书桌的需求。智能儿童书桌还检测环境光照强度并且自动补光，当光照强度检测值低于儿童学习适宜强度时，自动调高光线亮度，智能补光，人离开之后自动关灯。智能儿童书桌可以检测学习距离，当儿童离桌面过近时会有语音提示或者震动提示达到提醒儿童保持正确坐姿，远优于传统防驼背装置需要束缚儿童的身体。智能儿童书桌还有任务提醒功能，可以设置学习时间，儿童在规定时间学习完后，会语音提示儿童休息。以上系统的开关、光照强度、学习时间等参数的设置都是利用按键实现。

2.2 系统框图

智能儿童书桌的系统框图如图1所示。电源模块对整个系统供电，超声波模块(HC-SR04)检测桌面到人体的直线距离用以判断坐姿，语言播报模块(DY-SV17F)进行语言播报，电机模块(TB6612)驱动用于四路推杆电机伸缩控制，控制推杆的收缩程度来实现整个桌面上升、下降和倾斜等功能，PWM驱动模块控制LED的亮度调节，OLED显示模块显示相关参数。

图1 系统整体框图

3 硬件系统设计

3.1 概述

硬件设计中采用模块化的电路设计，主要有电机驱动模块、OLED模块、语言播报模块、按键电路模块等。

3.2 电机驱动模块

在本设计的元件组成中，电机用于作为推杆伸缩的主要动力装置，采用的是低压直流电机，使几组线圈可以轮流产生磁场，在电机内部的永磁体的作用下使电机旋转。

由于直流电机独特的结构，对供电电源有比较高的要求，在启动瞬间会有较大的启动电流，若电路设计不当则可能影响其他控制部分，选用了TB6612电机驱动。

TB6612作为电机驱动芯片，它的封装不仅体积小巧，而且又含大电流MOS桥结构，支持两个通道输出，因此使用单个芯片就可以同控制两个电机，每路的最高有1.1A的连续输出电流，有多种电机控制形式。

AIN1-2和BIN1-2为电机驱动的输入端口，这四个输入端口控制两路电机，O1,O2,O3,O4为输出接口,根据顺序连接到两个电机,当AIN1为高AIN2电平为低电平则正转，反之则反方向转动,同理BIN1和BIN2控制相同。PWMA和PWMB接口用于控制电机转速，在根据本项目的实际需求,在控制过程中,PWMA和PWMB的接口都为高电平,让电机全速转动,达到快速调整角度的目的,如图2所示。

图2 TB6612电路原理图

3.3 OLED模块设计

在本设计中OLED作为系统重要的交互设备，电路如图3所示。用于显示系统的主要数据参数和系统的一个实时状态，如:环境光强度的参数的显示,学习时间参数设定,当前时间的参数等。OLED模块的通信方式可以分为IIC通信和SPI通信。所使用的是0.96寸的OLED屏幕，由128*64个小灯排列而成，上千个小灯紧密凑合，因此它对比度高、厚度薄、视角广，而且由于OLED是自发光二极管，它不需要背光源、反应速度快、构造及制程较简单、相比于传统LCD显示屏有节能优势。

图3 OLED电路原理图

3.4 语言播报模块

本设计采用语言播报模块进行语言播报，电路如图4所示。语言播报模块可以通过IO口驱动，也可以通过USART进行驱动，考虑到I/O口资源等问题。在本设计采用语言播报模块的USART串口进行驱动，采用USART串口驱动后,IO0-IO7不需要接入IO口,SPK+和SPK-两个IO口接入3W的喇叭,DACL和DACR分别接入单片机串口资源的RX与TX,CON1和CON2接地,CON3接VCC代表选择的模式为UART驱动。在模块中采用USB连接的方式向模块中存储音频信息，如学习时间到达时需要进行提示，选择“学习时间到”的语言提示。

图4 语言播报电路原理图

3.5 按键电路模块设计

在本设计中，所需要的交互的按键较少，我们使用的是独立按键，即一个按键使用一个IO口，一共使用6个IO口，不但省略了矩阵按键的复杂电路，还提高了程序的扫描效率，有效提高设备稳定性。在本系统的电路设计中，按下的状态为低电平，松开时按键保持高电平。

图5 独立按键电路

系统中按键1-6分别对应桌面平台控制、学习距离范围阈值进行调整、光照强度阈值进行调整和学习时间的设定,增加和减小两个功能按键，如桌面平台的控制增加代表平台的上升，减小代表平台的下降，光照强度的阀值按键选择后功能按键“+”调整光照的亮度增加，反之功能按键“-”为光照亮度减小。

4 软件系统设计

4.1 超声波测量软件设计

超声波在进行数据的采集过程中，为了避免数据采集中存在的误差和精度问题，在软件方面的编写采用如下逻辑进行编写,超声波完成一次数据的采集需要一定的时间，因此程序中定时器为200ms定时中断,时间达到后超声波采集相应的数据,经过50次数据积累后，计算得出平均计算值得出最终的测量数据，此逻辑判断为了能够更好地得到准确数据,避免实际运用中的误差和人为的偏差。

4.2 按键检测软件设计

按键扫描在中断中进行，中断1ms触发一次，对实时按键情况进行记录，若出现8次连续的按下状态判断按键已被稳定按下，若出现8次连续的弹起状态即判断按键为稳定弹起，否则按键状态保持不变这样就有效地防止了因为按键抖动而产生的误操作。

5 总结

本文设计了一种基于单片机的智能儿童书桌，具有预防近视驼背的作用。主要通过以下三方面实现该作用：该书桌在儿童读书写字过程中，可以根据超声波测距测得的儿童与书桌之间的距离并通过语言播报进行提醒儿童；可以根据儿童读书环境光强的变化智能调整书桌自带的光强，通过可调LED灯实现自动补光，从而达到保护儿童视力的作用；能够通过按键交互手段设定学习时间，通过语音播报的方式实时地提醒儿童进行学习。OLED屏幕作为本系统的一个重要的交互平台能够实时地显示整个系统的数据，包括光照强度，学习时长等数据。