基于STM32的智能坐墊設計與研究

李玉華，楊應洪，向蘋萍，龔有祎，王 勇

(西南科技大學 工程技術中心，四川 綿陽 621010)

0 引言

隨著人們物質生活水平的提高，健康問題成為人們最關注的話題之一。由于辦公族人群在繁忙的工作中常常忽略時間而久坐，因此增加了引起肥胖、心臟病發作甚至患癌的風險。目前市場上已有可以達到智能調溫、防盜等不同功能的智能坐墊[1-4]，針對久坐人群，本文設計了一款基于STM32單片機的智能語音提示坐墊，具有對壓力、久坐時長檢測并語音提示的功能，可以更好地服務于大眾健康生活。

1 智能語音提示坐墊系統總體設計

智能語音提示坐墊系統以STM32單片機為控制核心，主要由坐墊機械結構、主控模塊(CPU)、一定載荷的壓力檢測模塊、語音提示模塊、電源模塊、散熱模塊等組成，其結構框圖如圖1所示。壓力檢測模塊檢測人體的壓力，并進行數據采集，經處理后將壓力值轉換為電信號發送給主控板；語音提示模塊與主控板內部定時器配合判斷是否到達設定的久坐時間，當時長超過設定時間，則啟動語音播放功能發出提示，從而達到提醒久坐用戶進行起身活動的目的；電源模塊能為坐墊智能控制系統持續供電。

圖1 智能語音提示坐墊系統結構框圖

2 智能語音提示坐墊系統硬件設計

2.1 坐墊機械結構

坐墊機械結構主要由記憶棉(海綿)、彈簧、金屬網及散熱器托架等構成，如圖2所示。使用金屬網格材料作為支撐和固定，利用彈簧作緩沖，并結合韌性好的記憶性材料對人體重量進行有效分解。

圖2 坐墊機械結構

2.2 主要模塊的設計

本智能坐墊系統采用STM32F103作為主控制器，內置4個16位定時器，并有2個16位監視定時器(Independent and Window)，以及SysTick定時器，性能較強且功耗低。

2.2.1 壓力檢測模塊

壓力傳感器采用HX711，它是一款專為高精度稱重傳感器而設計的24位A/D轉換器芯片，芯片內有片內時鐘振蕩器，上電后可自動復位。因芯片內無內置拉高或拉低電阻，所有數字輸入管腳在使用時不能懸空。壓力傳感器工作原理如圖3所示。

2.2.2 語音提示模塊

語音合成模塊選用SYN6288-A，利用引腳TXD和RXD以及GND實現串口通訊，其中GND作為信號地，如圖4所示。SYN6288-A芯片支持UART接口通訊方式，通過UART接口接收上位機發送的命令和數據。該模塊中文語音合成效果清晰、自然，而且其芯片內固化有一些行業領域的常見提示語音。

圖3 壓力傳感器工作原理

圖4 語音合成模塊

3 系統軟件設計

編程軟件選擇較為常見的Keil，編程語言選擇基礎的C語言[5]，軟件流程如圖5所示。在STM32主控內先進行系統初始化，完畢后開始串口通訊，系統每1 000 ms循環一次，檢測人體壓力，并判斷久坐時間；當到達預先設定好的時間后，單片機會產生中斷，讓單片機自動控制語音播放來提醒用戶起身運動，直至用戶起身活動后再停止；重新坐下后，單片機將重新開始計時。

4 系統調試

為測試智能語音提示坐墊能否正常運行以及提示功能能否滿足要求，特設計了制作了模型，并進行了兩次測試，如圖6所示。

第一次測試：將小于25 kg的物品放在智能坐墊上，定時器未開啟，單片機無法正常工作，因所承載壓力不足設定值。

第二次測試：將大于40 kg的物品放在智能坐墊上，達到設定時間后開始語音播報，提醒用戶起身活動。

第一次測試的目的是檢驗智能坐墊在承載壓力不足設定值時，單片機是否按照設定不工作；第二次測試的目的是檢驗彈簧的減壓能力，當壓力范圍超過壓力傳感器的檢測范圍，通過彈簧減壓之后壓力傳感器檢測壓力，是否能夠達到預定效果。

圖5 軟件流程

圖6 坐墊傳感器測試

5 結語

以市場出現的智能坐墊為基礎，將單片機與各傳感器技術相結合，共同構建了智能語音提示坐墊系統。經測試表明：該產品具有操控方便、可靠度高、實用性強且成本低廉的特點。從健康生活的角度考慮，該坐墊具有很好的市場推廣價值。