基于STC89C52RC與STM8S005技術(shù)的智能書桌①

江華麗,林介本,林 琳

(福建師范大學(xué) 閩南科技學(xué)院,泉州 362332)

1 引言

隨著智能家居的發(fā)展,智能產(chǎn)品的應(yīng)用越來越廣泛.現(xiàn)在市面上出現(xiàn)的智能書桌價(jià)格昂貴,應(yīng)用范圍少,成本高,功能單一,難以滿足人們的需求.因此本文專門介紹一款新型的智能書桌,它與目前市場上的傳統(tǒng)書桌不同的地方在于它的智能性,能隨時(shí)隨地調(diào)整高度,實(shí)現(xiàn)人體的站立和坐下,設(shè)計(jì)APP實(shí)現(xiàn)外加音樂播放,LED照明和七彩燈變化等功能[1,2],同時(shí)設(shè)置時(shí)鐘模塊提醒使用者休息,為人體健康考慮,防止人們長時(shí)間過度閱讀,具有很強(qiáng)的科學(xué)性.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能書桌的MCU采用STC89C52RC[3-5],芯片具有 3 個(gè)定時(shí)器,2 個(gè)串行中斷,2 個(gè)外部中斷,32 個(gè) I/O.基本上可以滿足整個(gè)設(shè)計(jì)的要求,用3.6寸的四位共陽數(shù)碼管顯示.STM8S005通過藍(lán)牙與手機(jī)APP相互通訊,播放音樂和操作LED燈.STM8S005是基于8位框架結(jié)構(gòu)的微控制器,內(nèi)部寄存器有6個(gè),數(shù)據(jù)處理高速有效,多種1尋址模式以及每種寄存器都可以找到對(duì)應(yīng)的地址.硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,系統(tǒng)包含8個(gè)模塊:(1)電源充放模塊;(2)電源充放模塊;(3)ADC 按鍵讀取模塊;(4)超聲波檢測模塊;(5)顯示控制模塊;(6)推桿控制模塊;(7)數(shù)字式紅外檢測電路和接觸式感應(yīng);(8)藍(lán)牙連接播放音樂;(9)LED照明和節(jié)奏燈.

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

整體設(shè)計(jì)思路:超聲波檢測人體姿態(tài),紅外檢測人體是否工作,經(jīng)過主控芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析,從而驅(qū)動(dòng)推桿控制電路上升或下降,然后送入數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示.同時(shí),還有一些娛樂功能的使用.采用超聲波來檢測距離,由超聲波發(fā)射器,接收器和主控電路組成.它是通過TRIG口發(fā)出一定頻率的聲波,遇到障礙物就返回,從發(fā)出到返回這段時(shí)間通過單片機(jī)計(jì)數(shù)器可得出,并利用測距公式即可得出距離(測距=(計(jì)數(shù)器時(shí)間*聲速(340 M/S))/2)[6].

主控芯片為 STM8F005,Flash 有 32 KB 字節(jié),10 KB次擦寫數(shù)據(jù)在常溫下可保存20年,EEPROM擁有多1 KB字節(jié)的內(nèi)部存儲(chǔ),可達(dá)30萬次擦寫.RAM多達(dá)2 KB字節(jié),3.0～5.5 V 工作電壓,靈活的時(shí)鐘控制,有 4 個(gè)主時(shí)鐘源和低功率晶體振蕩器.外部時(shí)鐘輸入時(shí)用戶可調(diào)整內(nèi)部為 16 MHz RC,內(nèi)部低功耗 128 kHz RC.電源管理的三種模式可供選擇,等待、活躍停機(jī)、停機(jī),外設(shè)的時(shí)鐘可單獨(dú)關(guān)閉.中斷控制器有32個(gè),外部中斷向量6個(gè).16位通用定時(shí)器有2個(gè),分別是PD和PC的IO端口,且?guī)в?個(gè)(IC、OC或PWM)通道模式選擇,2個(gè)看門狗定時(shí)器,可通過外設(shè)中斷喚醒.通信接口帶有UART串口通訊和DW在線調(diào)試功能,SPI接口最高到 8 Mbit/s,I2C 接口最高到 400 Kbit/s.PB 口 10 位10個(gè)通道都具有ADC功能,檢測模式和模擬看門狗中斷喚醒功能.32腳的芯片具有28個(gè)I/O.高吸收電流輸入輸出口 16 個(gè),輸出可達(dá)到 40 mA,輸入高達(dá) 100 mA,獨(dú)特的I/O設(shè)計(jì),非常強(qiáng)的高電流承受能力.

2.2 電源充放電路

電源充放電路如下圖2所示,電源5 V通過芯片給 7.4 V 電池充電,最大充電電流可達(dá)到 1.2 A.同時(shí)MCU通過ADC電壓檢測控制充電是否滿,MCU與藍(lán)牙之間互傳數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP顯示電池容量.

圖2 充放電路

2.3 藍(lán)牙通訊

藍(lán)牙是采用的是ATS2805B,其方便且穩(wěn)定性強(qiáng),價(jià)格便宜,通過串口與MCU連接,并且可以實(shí)現(xiàn)APP與MCU之間數(shù)據(jù)雙向傳輸.把電池電量傳送到手機(jī)APP上面并顯示,如圖3所示,用于播放音樂和燈的控制.

2.4 ADC按鍵讀取

由于MCU的IO口數(shù)量有限,所以為了節(jié)省成本,本文采用ADC檢測電壓的方式讀取按鍵,在硬件上利用電阻的分壓特點(diǎn)來設(shè)置各個(gè)按鍵的電壓值,不同的電壓值實(shí)現(xiàn)不同的功能,電路如圖4所示.

圖3 藍(lán)牙模塊電路

圖4 ADC 按鍵讀取電路

2.5 超聲波

輸入控制信號(hào)由TRIG口觸發(fā),回響信號(hào)輸出為ECHO口[7,8].本文采用的是兩個(gè)超聲波模塊進(jìn)行測距,首先是定時(shí)器0先初始化,將定時(shí)器設(shè)定為計(jì)數(shù)器模式,超聲波TRIG發(fā)射出方波,在接收端等待接收,接收端檢測為低電平后計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí),在接收端變成高電平停止計(jì)時(shí),同時(shí)利用計(jì)數(shù)器所記錄的時(shí)間計(jì)算出距離,若在一定的時(shí)間內(nèi)接收端沒有變成高電平,在中斷函數(shù)中對(duì)溢出的標(biāo)志位清零,發(fā)送端重新發(fā)送高電平.

2.6 接近式感應(yīng)

如圖5所示,檢測距離可調(diào) (為 5 mm 至 1 m),電流為 6 mA,主動(dòng)發(fā)射紅外線,根據(jù)反射光探測,如果探測到障礙,OUT腳輸出0,否則1.用于檢測人體是否在工作.本文所采用的是定時(shí)器 1.利用中斷標(biāo)志位法,當(dāng)檢測到有人工作時(shí),將標(biāo)志位置1,利用中斷開始計(jì)時(shí),當(dāng)人離開時(shí),標(biāo)志位清 0,停止當(dāng)前計(jì)數(shù),啟動(dòng)另一個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí).當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)間超過兩分鐘,則通過語音模塊來提醒人工作時(shí)間過長.當(dāng)人離開桌子超過一分鐘,則將另一計(jì)數(shù)值清0.等待下次重新計(jì)數(shù).

圖5 數(shù)字紅外感應(yīng)傳感器

如圖6所示,通過接近式感應(yīng)與紅外檢測相結(jié)合,增加檢測的準(zhǔn)確性,IQS227芯片工作電流大概為132 uA,調(diào)節(jié)CX輸出腳的電阻可以改變其靈敏度.

2.7 LED驅(qū)動(dòng)

如圖7所示,該圖為LED驅(qū)動(dòng)電路,通過時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線可以控制多個(gè)燈,燈可分為兩個(gè)部分,一個(gè)為LED照明,另一個(gè)為彩燈控制,分別可實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光以及八種彩燈模式選擇.

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)流程

本設(shè)計(jì)采用的MCU為STM8S005,利用超聲波檢測坐姿使書桌上升或下降,在數(shù)碼管上顯示高度,同時(shí)紅外檢測和接近式感應(yīng)人體是否工作并計(jì)時(shí),最后根據(jù)功能劃分進(jìn)行編程.軟件流程圖如圖8所示,程序上電后進(jìn)入初始化,包括定時(shí)器0和定時(shí)器1初始化.接著就是超聲波測距時(shí)間采集,將采集的時(shí)間通過公式計(jì)算出距離,每采集完一組時(shí)間就將時(shí)間處理并在數(shù)碼管上顯示,超聲波用定時(shí)器0,書桌高度也可通過按鍵手動(dòng)調(diào)整,在數(shù)碼管上顯示高度,同時(shí),紅外和接近感應(yīng)通過定時(shí)器開始計(jì)時(shí),并顯示在數(shù)碼管上面,并且在計(jì)時(shí)到一定得時(shí)間之后,語音錄放提醒你要注意休息.還有MCU與手機(jī)APP之間通過串口通訊,通過藍(lán)牙相互傳輸數(shù)據(jù),播放音樂以及控制LED.

圖6 接近式感應(yīng)電路

3.2 ADC按鍵讀取

整個(gè)設(shè)計(jì)屏面上有六個(gè)功能鍵:停止和上升鍵,以及控制led的PWM調(diào)節(jié)鍵,彩燈的功能鍵,音量大小調(diào)節(jié)鍵.由于每個(gè)人的身高都是不同的,設(shè)立上升可調(diào)裝置,在站立辦公過程中,用戶可根據(jù)自身高度調(diào)節(jié)書桌的站立高度.根據(jù)硬件上設(shè)置的分壓特點(diǎn),通過ADC檢測即可讀取出當(dāng)前IO口的電壓,通過讀取到電壓的不同值來實(shí)現(xiàn)不同的操作,其程序流程圖如圖9所示.

采用的是兩個(gè)超聲波模塊進(jìn)行測距,首先是定時(shí)器0先初始化,將定時(shí)器設(shè)定為計(jì)數(shù)器模式,超聲波TRIG發(fā)射出方波,在接收端等待接收,接收端檢測為低電平后計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí),在接收端變成高電平停止計(jì)時(shí),同時(shí)利用計(jì)數(shù)器所記錄的時(shí)間計(jì)算出距離,若在一定的時(shí)間內(nèi)接收端沒有變成高電平,在中斷函數(shù)中對(duì)溢出的標(biāo)志位清零,發(fā)送端重新發(fā)送高電平.所采用的是定時(shí)器1.利用中斷標(biāo)志位法,當(dāng)檢測到有人工作時(shí),將標(biāo)志位置1,利用中斷開始計(jì)時(shí),當(dāng)人離開時(shí),標(biāo)志位清 0,停止當(dāng)前計(jì)數(shù),啟動(dòng)另一個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí).當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)間超過兩分鐘,則通過語音模塊來提醒人工作時(shí)間過長.當(dāng)人離開桌子超過一分鐘,則將另一計(jì)數(shù)值清0.等待下次重新計(jì)數(shù).所采用的是寄存器控制方式,通過時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線把數(shù)據(jù)傳送芯片內(nèi)部處理,通過寄存器操作,作出判斷[9].

圖7 LED 驅(qū)動(dòng)電路

3.3 APP通訊

系統(tǒng)內(nèi)置一塊藍(lán)牙模塊,可以通過手機(jī)APP來通訊并控制播放音樂,控制LED燈以及讀取當(dāng)前電池的電量百分比.APP具體內(nèi)容如圖10所示.

4 系統(tǒng)調(diào)試技術(shù)難點(diǎn)

4.1 超聲波調(diào)試

智能書桌的最主要功能就是實(shí)現(xiàn)跟隨人自動(dòng)升降,一個(gè)超聲波模塊的精度要求是不夠的,所以兩個(gè)超聲波模塊是最好的選擇,這就要考慮如何在兩個(gè)超聲波模塊上共用同一個(gè)定時(shí)器.這里面就采用到主次問題,系統(tǒng)采用定時(shí)器0,判斷兩個(gè)超聲波測到的距離,將距離高的顯示,但是在硬件上兩個(gè)超聲波如果做的高度差,程序就會(huì)出現(xiàn)死機(jī),因此在硬件上超聲波模塊位置應(yīng)設(shè)為一高一低來解決程序死機(jī)問題.

4.2 定時(shí)器調(diào)試

紅外檢測工作狀態(tài)并顯示工作時(shí)間,這里采用一個(gè)定時(shí)器通過中斷來計(jì)量時(shí)間,當(dāng)人離開工作位置,又需要一個(gè)定時(shí)器來計(jì)量離開的時(shí)間,并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)清零,單片機(jī)最多是使用2個(gè)定時(shí)器,在超聲波上面用一個(gè)定時(shí)器,接下來的程序只能用一個(gè)定時(shí)器來解決,所以采用標(biāo)志位的方法.通過紅外檢測和接近式感應(yīng)的電平變化充當(dāng)標(biāo)志位,可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的要求.

五、人文關(guān)懷對(duì)圍術(shù)期麻醉與鎮(zhèn)痛的意義。隨著麻醉學(xué)向圍術(shù)期醫(yī)學(xué)的發(fā)展，人文關(guān)懷成為圍術(shù)期醫(yī)學(xué)發(fā)展的重要組成部分，但是由于中國臨床麻醉醫(yī)生手術(shù)多壓力大，有時(shí)經(jīng)常會(huì)忽視與患者溝通的重要性。另外許多年輕醫(yī)務(wù)人員在平時(shí)就疏于自身人文素質(zhì)建設(shè)，從而導(dǎo)致根本不知道如何對(duì)患者實(shí)施人文關(guān)懷。這種種因素使得醫(yī)務(wù)人員在患者診療中沒有給患者創(chuàng)造出好的人文關(guān)懷環(huán)境氛圍。所以，我們要意識(shí)到人文關(guān)懷的重要性，醫(yī)護(hù)人員對(duì)患者的人文關(guān)懷應(yīng)貫穿于整個(gè)圍術(shù)期，包括術(shù)前訪視的宣教，入手術(shù)室麻醉前的安慰，術(shù)后的訪視等，這不僅是麻醉醫(yī)生和醫(yī)護(hù)人員的義務(wù)，也是我們的責(zé)任，積極的人文關(guān)懷，可以提升患者身心的舒適度，減少醫(yī)患矛盾。

圖8 系統(tǒng)總體框圖

4.3 IO口

LED燈作照明使用和彩燈作酷炫使用,可以使用八組LED燈,需要32個(gè)IO口來控制使用.本文采用的是SN3731芯片,通過時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線就可以控制最高可達(dá)到144顆LED燈,按鍵上使用AD讀取功能,利用電壓的不同來實(shí)現(xiàn)同一個(gè)IO口的不同按鍵識(shí)別.

4.4 靈敏度調(diào)節(jié)

本文設(shè)有一個(gè)檢測人體工作時(shí)間的功能,采用的是紅外檢測和接近式感應(yīng),紅外只檢測桌子與椅子方向的距離,而且距離是限制的.所以在桌面上放置一塊接近式感應(yīng)芯片iqs227,它最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以以桌面上的物體進(jìn)行自校準(zhǔn),通過靈敏度調(diào)節(jié),它的最大檢測距離可以達(dá)到2 cm,所以在桌面上工作的時(shí)候,芯片幾乎都可以感應(yīng)到,用接近感應(yīng)芯片和紅外檢測兩個(gè)一起用增大工作檢測的靈敏度.

5 系統(tǒng)測試

本產(chǎn)品有正常工作有以下幾步組成:

(1)各個(gè)模塊正常上電,傳感器之間是否正常工作.

(2)人體模擬站立坐著,傳感器之間相互合作開始執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作.

(3)書桌能正確識(shí)別到有人在桌面上工作,并記錄時(shí)間,工作滿一定的時(shí)間,開始語音提示用戶休息.

圖9 鍵盤控制流程圖

(4)藍(lán)牙模塊連接 APP,當(dāng)光線暗時(shí),是否可以打開調(diào)節(jié)燈光,能正常播放音樂.

經(jīng)過以上測試流程各個(gè)部分均能正常工作并且達(dá)到測試效果.

表1數(shù)據(jù)是采取10位不同人的身高進(jìn)行測試,經(jīng)過測試,高度調(diào)節(jié)誤差保持在0.02%左右,工作到特定時(shí)間報(bào)警電路發(fā)出響聲提醒,沒有存在延遲時(shí)間,系統(tǒng)的靈敏度高.

圖10 手機(jī) APP 界面

圖11 書桌底板硬件圖

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)是基于STM8S005與STC89C52RC技術(shù)的智能書桌,成本低,靈敏度較高,性能穩(wěn)定,功能齊全,其特色在于能夠充分利用其自帶的定時(shí)器及AD轉(zhuǎn)換功能,能顯示和實(shí)現(xiàn)坐姿檢測,并能準(zhǔn)確算出工作時(shí)間.手機(jī)APP部分和藍(lán)牙的調(diào)試可以實(shí)現(xiàn)雙向傳輸和LED燈的控制.在原理圖設(shè)計(jì)過程中采用SN3731,可通過時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線控制,節(jié)省IO口.市面上智能書桌價(jià)格大多在幾千元,該智能書桌設(shè)計(jì)成本低,今后若推廣實(shí)現(xiàn)大眾化,需要在書桌外觀和材質(zhì)上進(jìn)一步包裝和完善.

表1 測試數(shù)據(jù)