*项目支持：本课题得到了国家级大学生创新创业计划项目（项目编号：201510595024）的支持

**通讯作者：王振省。

研究结果表明，学生的读写姿势不正确率高达70%甚至85% 以上^[1]。不良的读写姿势、不合适的光照条件会令学生不停地调整眼睛的睫状肌，容易降低睫状肌调节能力，进而导致近视^[2]。从长远看，不良的读写姿势还会对学生的脊柱和颈椎形状，乃至整体形貌和健康产生负面影响；另一方面，久坐的办公方式容易导致肌肉骨骼疾患和颈椎、腰椎疾病^[3][4]。

桌椅高度和光照情况是决定学生能否形成良好读写习惯的重要因素。传统桌椅高度固定，不能很好适应个性化的身高。所以，为了让不同身高的使用者培养良好的使用习惯，本项目设计了一款能根据使用者情况自动调节桌面高度的系统。在此基本功能之外，该还具有久坐提醒、坐姿不正提醒、随环境光照自动控制亮度的LED 台灯、随环境温度自动控制转速的风扇、带密码锁的抽屉等功能。同时为了提高使用者使用体验，也允许用户对桌面高度、LED 台灯、风扇进行手动控制。

1 设计思路

在对设计需求进行分析后，画出系统的原理框图，如图1 所示。为了能够简化系统结构和测试过程，本设计采用模块化的思想。其中人体感应模块用于判断当前是否有使用者。身高测量模块测量使用者身高，从而自动控制、调整书桌桌面高度以便适应使用者，让使用者可以以一个舒适的坐姿使用书桌，从而降低因不良坐姿导致眼部、颈椎、脊椎等健康问题的概率。坐姿检测模块用于判断使用者坐姿，并将信息反馈给主控芯片处理，避免使用者与桌面太近。语音播报模块用于坐姿不正提醒、久坐提醒。在自动模式下，主控芯片通过亮度测量模块得到的光照度控制LED 灯的亮度；并通过温度传感器控制电扇通断及档位，对温度进行调节。为了适应不同使用者的习惯，系统还提供了手动控制功能，通过键盘模块手动调节桌面高度、亮度、闹钟以及抽屉密码锁。显示屏可以显示当前时间、温度、光照度等信息。

图1 系统原理

2 方案选择

本设计选择了STM32F407ZET6 作为主控芯片，这是因为该芯片最高能以168 MHz工作，且直接内置晶振、模数转换器和数模转换器，便于简化设计电路，专注于实现系统的功能。

人体感应模块、身高测量模块、坐姿检测模块功能通过测距实现。常用的测距传感器有激光测距和2 种，激光测距使用串行通信（TTL）返回测量距离数据，测量精度最小可达到2 mm，有效测量范围约为0.02 ～ 100 m。测量精度同样2 mm，测量范围0.02 ～ 4 m。可见两种传感器最小精度相同，但是激光测距具有更大的测量范围。另一方面，激光测距模块尺寸为72 mm×40 mm×18 mm；而模块的尺寸为45 mm×20 mm×15 mm，更加小巧，便于安放在智能书桌上。同时考虑书桌系统实际工作环境为室内，激光可能对人眼有的一定危害，所以选择超声波测距方式。

模块采用测量精度较高的DS18B20 温度传感器。DS18B20 温度传感器通过单总线与主控芯片连接，主控芯片对从传感器传来的数据进行处理，得到环境温度值。温度传感器的作用不仅是测量室温、提供给单片机判断是否开启风扇降温，而且还用于超声波测距时对超声波速度进行补偿。

亮度测量模块采用GY-30 亮度传感器实现，这是由于GY-30 亮度传感器与主控芯片以IIC总线方式连接，需要的控制线少；另一方面，GY-30 能够直接输出环境亮度的数字值，省略了复杂计算环节，无需标定就能获得高精度测量值。

键盘模块和显示模块采用触摸屏集成。为了实现良好的用户使用效果，采用支持多点触控的电容触摸屏，而不选用电阻触摸屏。

语音播报模块采用CN-TTS 语音合成模块，可实现中文、英文、数字的语音合成，且支持用户的命令词或提示音的定制需求。CN-TTS 控制方式简单，可兼容5 V或3.3 V单片机，单片机可以通过串口发送GBK 编码的形式对其控制。

桌面高度调节模块采用和传动结构进行调整。在低速转动状态下扭矩大，带动的负载也更大。相数越多步距角就越小，能更为精确地调节桌面高度。为了能较精确控制桌面的高度，选择。该升降桌重量W1 = 16 kg，升降部分重量W2 = 11 kg，最大载荷W3 = 56 kg，升降速度v = 13 mm/s，传动效率η = 0.6，所需最大功率为P = V*(W2+W3)*g/η = 14.2 W。为保证正常工作，可选定30 W 功率电机。

3 方案实施

3.1 主程序流程

图2 是主程序流程图。当检测到使用者在书桌旁后，首先检测使用者的身高，然后对书桌高度、风扇转速、台灯亮度进行调节，最后对坐姿进行监测，实现对不正确坐姿的友好提醒。此外，如图3 所示，本系统还设计了中断处理程序，当人体感应模块检测到人离开桌子时，程序会自动跳出主程序，进入待机模式，以实现低功耗要求。

图2 主程序流程

图3 中断处理

3.2 人体感应、身高测量、坐姿检测

如图4 所示，通过3 个超声波测距仪可以实现人体感应、身高测量、坐姿检测的功能。

图4 身高测量

测距仪1位置固定，其测量方向与桌面平行，用于测量模块到使用者胸前位置的水平距离S₁，通过判断S₁是否小于80 cm 来确定当前是否有人使用书桌。

测距仪2 固定在舵机上，可随舵机转动，其初始测量方向与桌面平行。当判断当前有人使用书桌时，测距仪2 从初始位置开始随舵机向上转动，同时测量距离；直到该距离突然增大，表明测距仪2此时发出的超声波已经越过了使用者的头顶，则上一时间点检测到的距离就是测距仪2与使用者头部的距离S₂。

测距仪3位置固定，位于桌面下方，用于测量桌面到地面的垂直高度S₃。由勾股定理得出，使用者的身高为L=S₃+得到使用者身高后，依据表1 桌面高与身高对应关系表^[5]，将书桌桌面高度自动调节至适合人体的位置。

表1 桌面高与身高对应关系表/m

监测坐姿时，测距仪1用于间接测量使用者胸膛位置到书桌边缘的距离L₁，测距仪1 到书桌边缘的实测距离为60 cm，则L1 = S1-60。正确坐姿时，L1 应是“一拳”的距离，约为8 cm。当L1 ＜ 8 cm 时，系统判定使用者胸膛位置到书桌边缘的距离不规范并进行语音提醒。测距仪2通过使用者的身高L自动随舵机调节至合适位置并保持不动，用于测量其到使用者头部的距离S2，使用者眼睛到桌面的距离应为“1 尺”，约为33 cm，可用公式表示为L_e2d ≈，当Le2d < 33 cm 时，系统判定使用者视线距离不规范并进行语音提醒。

图5 人体感应、坐姿高测量、坐姿检测

3.3 桌面高度、亮度、转速调节

桌面高度调节通过控制电机带动书桌升降实现。为了实现对温度的自动调节，主控芯片通过PID 算法调制I/O 口输出的PWM 波进行控制。单片机通过指定温度和当前温度计算出偏差，将其送入PID 控制器，PID 控制器经过运算，可计算出使误差最快减为0 的PWM 占空比，单片机通过设置定时器中断产生相应占空比的PWM 脉冲，从而实现对风扇转速的控制，达到指定温度^[6]。同样，亮度调节可通过单片机的I/O 口输出PWM 信号的方法来实现。为确保人的肉眼看不到PWM 脉冲，PWM 信号的频率必须高于100 Hz^[7]，即定时器定时时间T < 0.01 s。LED 灯的亮度与PWM 信号的占空比成正比^[8]，通过线性调节PWM 高电平时间可以进行调光。为适应人眼舒适度，桌面上的维持平均照度值不能低于300 lx^[9]，当亮度低于这一值时，系统将会自动调光。

4 调试与测试

由于GY-30 亮度传感器能够直接输出环境亮度的数字值，无需复杂计算，无需标定就能获得高精度测量值。

测试发现，由于温度影响导致超声波测距产生误差，改用带温度补偿公式[10] 之后，测量值与实际值更接近：

式中，t 为当前温度（单位：℃），v 为当前温度下的实际超声波速度（单位：m/s）。

邀请了10 位不同身高的同学对系统进行了整体测试。测试表明，智能书桌能按测试者的坐姿高度将桌面调整到合适的高度，且语音模块能正确播报坐姿矫正和久坐提醒。当切换到手动模式时，桌面高度、台灯、电扇等模块都能正确地响应键盘指令。智能书桌系统可以稳定、可靠地完成预设功能。

经过测试，本项目所实现的智能书桌参数如表2 所示。

5 结束语

本项目基于STM32 单片机实现了一个智能书桌。该书桌能按照使用者的身高自动初步调节桌面到合适的高度，能在使用者距离桌面过近时发出语音提示，在久坐时进行提示，此外还能按照环境光、环境温度自动调节台灯和风扇。该智能书桌有助于使用者培养良好的读写习惯。

参考文献：

[1]吕敏之,何鲜桂,王明进.学生读写姿势研究进展[J].中国学校卫生,2017,38(5):795-798.

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[3]方跃伟,潘松涛,段蒋文.办公室坐姿作业肌肉骨骼疾患健康危害及对策[J].健康教育与健康促进,2014(4):326-328.

[4]武珊珊,何丽华,王生,等.坐姿作业肌肉骨骼疾患问卷的编制[J].中华劳动卫生职业病杂志,2011(12):908-912.

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[6]王蕊.基于单片机的多功能自动调温风扇系统设计[D].郑州：郑州大学,2014.

[7]周志敏.LED照明技术与应用电路[M].北京:电子工业出版社,2009.

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[10]季涛.时差法多声道气体超声波流量计的研究[D].杭州:浙江大学,2017.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2022年1月期）