基于stm32單片機的智能駝背矯正儀設計

郭昊　林懿蕊　梁志瑩　江思琦　吳庭俊

青少年在日常學習生活中，背包駝背、上課歪斜坐姿、哈腰站立等錯誤身姿會形成脊柱和腰椎畸形、近視等疾病，嚴重影響青少年的身心健康，對于上班長坐、面對電腦人群，長期錯誤坐姿，很容易形成脊柱和腰椎疾病、加重近視或眼疾。因此，對于青少年和上班人群，矯正錯誤身姿對身心較康有很大的意義。駝背通常由于長期的站姿、坐姿不良導致脊椎前凸與背部肌肉無力。矯正駝背的方法最有效的是鍛煉背部肌肉，以改善駝背情況。

目前，市場上的智能穿戴產品中還沒有身姿矯正產品。市場上身姿矯正產品，通常是物理矯正或非智能穿戴電子設備。物理矯正設備通過是通過肩帶和腰帶進行物理矯正，但是佩戴有壓迫和拘束感，很不舒服;非智能穿戴電子設備，通常對身姿的角度和時間的限定沒有一個精確的、可視化的直觀數據，也不能對身姿長周期數據存儲、處理、顯示等進行健康監測。本作品是一個可以讓人自覺保持良好站姿、坐姿，并長期堅持訓練，以此來達到駝背矯正的效果的儀器。

智能駝背矯正儀工作原理

將儀器置于使用者背部，當儀器開啟時通過六軸模塊MPU6050實時監測當前背部角度，STM32單片機獲取角度信息，并通過程序判斷當前使用者的動作狀態，當使用者當前姿勢不良，就會通過振動模塊進行持續振動來通知使用者需改正不良姿勢，振動會持續到使用者恢復良好姿勢。全部過程數據會通過藍牙模塊發送到APP，并且APP會接收初始數據進行再一次的計算來判斷當前狀態，通過單片機計算數據加上APP計算數據進行更加準確地判斷。APP還可以控制單片機改變模式，使儀器在記錄模式、訓練模式、監測模式三種模式中進行切換。

三種模式介紹

（1）記錄模式

記錄模式僅僅是記錄使用者的一段時間的背部彎曲情況并進行統計記錄，但不會進行提醒。目的是讓使用者了解自己在不受監測的情況真正的情況，統計記錄的情況可以在APP上顯示。

（2）監測模式

監測模式是在記錄模式的基礎上加上一個震動提示功能，當使用者背部角度大于一定角度且持續時間較久就會進行提醒，用于提醒使用者時刻注意姿勢情況。

（3）訓練模式

訓練模式是設定一定時間，需要使用者要在這段時間內處于正確的姿勢才能通過，以此長久每天訓練來達到矯正的功能。

智能駝背矯正儀硬件設計

智能駝背儀使用時，按下開關機按鍵后，將該身姿矯正智能穿戴設備固定在鎖骨至后背的任意位置上，佩戴者保持一個正確姿勢，六軸姿態傳感器對佩戴者的正確身體姿態進行實時檢測并將檢測到的信號輸出給微處理器，微處理器將佩戴者的正確身體姿態存儲在數據存儲器中;佩戴者學習或工作過程中，微處理器將其接收到的佩戴者的身體姿態信號與存儲在數據存儲器中佩戴者的正確身體姿態進行比對，并記錄佩戴者的身體姿態信號超出佩戴者的正確身體姿態的時間，當佩戴者出現駝背等姿勢不端正且有一段時間的時候，佩戴者的身體姿態信號超出了佩戴者的正確身體姿態，且記錄的時間超過了預設時間，此時，微處理器控制振動馬達電路中的振動馬達振動，提示佩戴者糾正姿勢。

通過mpu6050模塊獲取背部角度檢測方法

MPU6050 是一款姿態傳感器，使用它就是為了得到待測物體（如四軸、平衡小車）x、y、z軸的傾角（俯仰角Pitch、滾轉角Roll、偏航角Yaw）。我們通過I2C讀取到MPU6050的六個數據（三軸加速度AD值、三軸角速度AD值）。MPU6050可以輸出三軸的加速度和角速度。通過加速度和角速度都可以得到Pitch和Roll角（加速度不能得到Yaw角）。MPU6050的加速度計和陀螺儀各有優缺點，三軸的加速度值沒有累積誤差，且通過計算tan（）可以得到傾角，但是它包含的噪聲太多（因為待測物運動時會產生加速度，電機運行時振動會產生加速度等），不能直接使用;陀螺儀對外界振動影響小，精度高，通過對角速度積分可以得到傾角，但是會產生累積誤差。所以，不能單獨使用MPU6050的加速度計或陀螺儀來得到傾角，需要互補。

本設計運用了一階互補算法來獲得mpu6050的偏移角度。一階互補算法的思想就是給加速度和陀螺儀不同的權值，把它們結合到一起，進行修正。以此獲得的角度比以前更加精確和穩定。

小結

在本次設計的功能中，對以下功能進行了達標測試，通過測試結果可得各功能的達標情況，如下：

（1）檢測準確率95%;

（2）震動提醒準確率95%;

（3）手機APP可以進行數據顯示;

（4）手機APP可以進行模式改變。

傳感器的身姿矯正智能穿戴設備，其結構簡單，設計合理，使用舒適度高，工作可靠性和穩定性高，能夠對駝背、腰椎和脊柱彎曲等進行早期預防和輔助治療，實用性強，使用效果好，推廣應用價值高。

參考文獻

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