多功能辦公座椅設(shè)計

呂若楠，郝傳柱

（山東華宇工學(xué)院，山東德州 253034）

0 引言

辦公座椅是在日常工作和社會活動中為工作方便而配備的椅子。通過資料檢索和調(diào)查，大部分公司購置的辦公座椅都是普通的單一功能的座椅。如今的辦公場合越來越追求人性化，在購置辦公座椅時會考慮到舒適度的問題，對座椅的功能也會有一定的要求。多功能辦公座椅主要針對各種復(fù)雜辦公場景中，讓人引發(fā)的諸多不適進行開發(fā)。

1 總體設(shè)計方案

1.1 整體設(shè)計

多功能辦公座椅由主體、電源、機械結(jié)構(gòu)、智能控制系統(tǒng)、軟件程序、傳感器等一系列元器件構(gòu)成，其整體設(shè)計如圖1所示。

圖1 整體設(shè)計圖

在座板、靠背、頸部位置上設(shè)計由3個小凸起組成的按摩器，座椅的側(cè)面加入折疊式手機支架的設(shè)計，座椅的輪子是可控制萬向輪，座板下方有控制底部萬向輪鎖定的開關(guān)。座椅的把手上是控制各個按摩模式的開關(guān)。

1.2 靠背按摩設(shè)計

座椅的靠背可以通過手動機械裝置調(diào)節(jié)前后傾角，內(nèi)置溫控、振動、腰部與頸和椎部有可控的凸起部分，實現(xiàn)支撐與按摩等功能，減輕頸部、背部、腰部的疲勞不適感。座椅的把手上有4個開關(guān)，分別為：①回旋氣流開關(guān)。調(diào)節(jié)產(chǎn)生回旋氣流的大小、時間；②按摩開關(guān)。調(diào)節(jié)按摩器開啟，可選擇頸部、椎部、背部、腰部等任意位置，調(diào)節(jié)按摩、振動方式、頻率、力度等；③頸部位置調(diào)節(jié)開關(guān)?？筛鶕?jù)使用者的自身情況不同，調(diào)節(jié)頸部靠背的位置，將頸部靠背調(diào)高，還可以按摩頭部；④折疊開關(guān)。可以選擇座板的前端折疊部分的角度、振動頻率。

1.3 座板設(shè)計

座椅的座板為兩層，兩層中間內(nèi)置控制模塊、電源模塊和輔助模塊，單片機是控制系統(tǒng)的核心部件，輔助模塊內(nèi)含有感溫系統(tǒng)、傳感器等。座椅的板面具有可通風(fēng)透氣，實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)、振動、按摩功能，年邁的老人或腰部不適的人，長時間坐著起身的時候，還可以提供助起功能，為防止助起時出現(xiàn)重心不穩(wěn)的情況，將底部的輪子鎖住，需要時再打開。按下助起開關(guān)，負責(zé)此功能的電機開始工作，支撐起座板上層，對年齡較大的老人和長時間坐著工作腰部不適的使用者起到助力作用。鑒于助起功能的特殊性要求所以助起功能按鍵采用輕觸式按鍵開關(guān)。輕觸式按鍵是一種點按式開關(guān)，使用時對開關(guān)的使用方向施加滿足內(nèi)部金屬彈片張力的外部作用力，開關(guān)即可接通。當(dāng)施加壓力小于滿足內(nèi)部金屬彈片張力的外部作用力，開關(guān)關(guān)斷，其核心結(jié)構(gòu)是金屬彈片受力變形以此實現(xiàn)接通與關(guān)斷的。選擇輕觸式按鍵開關(guān)作為助起功能按鍵開關(guān)是為了便于更輕松的達到控制要求功能，便于更準(zhǔn)確的保證助起的時長和角度，簡化程序編寫，擁有好的使用體驗，功能實現(xiàn)更為準(zhǔn)確，效果也更好。

1.4 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

通風(fēng)系統(tǒng)采用兩個散熱風(fēng)機組成，散熱風(fēng)機安裝于座板夾層中，而座板不設(shè)出風(fēng)口，將出風(fēng)口設(shè)置在靠背上，從而避免冷風(fēng)直吹對人體的傷害。座椅的靠背和座椅功能多、舒適度強，嚴(yán)冬溫暖舒適、酷夏有徐徐涼風(fēng)吹拂，不再因出汗而潮濕悶熱難耐之感，腰、背、腿、頸椎疲憊不適癥狀隨之得到緩解。由底部產(chǎn)生的回旋氣流，在座板氣腔和靠背上氣腔形成流動通道，避免冷風(fēng)直吹對人身造成的傷害，座板和靠背均采用透氣的解決方案，既增強通風(fēng)，又解決了天氣炎熱造成出汗給人帶來的潮濕悶熱之感。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)框架

多功能辦公座椅的控制系統(tǒng)中用到的元器件與模塊如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架

2.2 控制系統(tǒng)方案

單片機是系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)采用Arduino Uno單片機作為多功能辦公座椅控制系統(tǒng)的主控芯片。STC89C51單片機在備選方案中。STC89C51單片機是由STC公司設(shè)計生產(chǎn)的微型處理器，該型號單片機使用時產(chǎn)生的功耗低、價格便宜、使用廣泛。選擇STC89C51單片機作為多功能座椅控制系統(tǒng)的主控芯片有一定的優(yōu)勢，但因其保護能力較差，運行不穩(wěn)定，帶負載能力差，程序編寫復(fù)雜，且AD、EEPROM等一些常用功能需要增添外設(shè)，增加硬件和軟件設(shè)計的負擔(dān)。因此，把Arduino Uno單片機作為座椅控制系統(tǒng)的首選方案。Arduino Uno單片機是ARM架構(gòu)的入門級嵌入式單片機，保留嵌入式單片機在項目開發(fā)過程中存在的諸多優(yōu)點，避免STM32單片機的復(fù)雜性。Arduino開發(fā)平臺是一種可玩性高、使用方便、操作簡單、程序編寫簡潔明了、學(xué)習(xí)成本低的開發(fā)平臺，具體包括Arduino Uno和Arduino Mini等多種型號的開發(fā)板以及Arduino IDE編程開發(fā)軟件。使用Arduino進行開發(fā)的顯著特征是跨平臺、簡潔明了、開放性強、發(fā)展迅速，并且第三方開發(fā)資源十分豐富，功耗低，功能強大，集成非常豐富的接口及功能模塊。得益于Arduino開發(fā)平臺強大的開放性，由其為主控芯片設(shè)計開發(fā)的項目產(chǎn)品得到廣大DIY發(fā)燒友的認可和大范圍的應(yīng)用；使用方便則表現(xiàn)在無需手動安裝額外的電腦驅(qū)動程序，避免51單片機在Windows10桌面系統(tǒng)上驅(qū)動安裝混亂不兼容、使用繁瑣的詬病。

2.3 硬件設(shè)計

Arduino Uno共包含20個引腳，其中包含IO0—IO13共14個數(shù)字輸入、輸出引腳，AD0—AD5共6個模擬引腳，以及電源插孔和USB信息傳輸部件，可以直接使用電腦數(shù)據(jù)線的5 V供電。IO0—IO13每個引腳都可提供或接收最高可達40 mA的電流，引腳IO3、5、6、9、10、11可以實現(xiàn)PWM功能。Arduino Uno的通信協(xié)議為串行（TTL），串行通信出現(xiàn)在數(shù)字引腳IO0（RX）和IO1（TX）以及USB上。AD0—AD5為模擬引腳，當(dāng)數(shù)字引腳損壞或單獨使用數(shù)字引腳數(shù)量不足以滿足使用要求時，也可以直接充當(dāng)數(shù)字引腳使用。為完成多功能座椅控制系統(tǒng)的要求中各個模式的順利轉(zhuǎn)換，采用傳統(tǒng)按鍵進行控制。在Arduino Uno單片機的IO0、1、2接口上設(shè)置按鍵，分別用于完成按摩功能、通風(fēng)功能、和助起功能的選擇和實現(xiàn)。在Proteus仿真中選擇3個RT0805WRB0712KL電阻作為下拉電阻，使用它們的原因是為了消除可能存在的電子干擾，避免Arduino Uno單片機讀出來浮動的電壓，目的是在功能選擇按鈕開路的時候，將其功能引腳或者連接導(dǎo)線上的電壓全部都拉到地端。

2.4 軟件設(shè)計

Arduino Uno單片機上電后，程序開始運行，首先進行程序初始化操作，接下來判別是否有相對應(yīng)的功能按鍵按下，做出判別后，進入對應(yīng)的子程序，對應(yīng)程序開始執(zhí)行，Arduino Uno單片機發(fā)出控制指令，從而實現(xiàn)按摩、通風(fēng)、助起的對應(yīng)功能。若暫時未檢測到功能按鍵按下，程序開始循環(huán)，等待命令發(fā)出。

Arduino Uno單片機的3個引腳IO1、IO2、IO3分別與多功能座椅控制系統(tǒng)的要求中的按摩、通風(fēng)、助起3大功能按鍵相連，上述3個引腳用于接收相對應(yīng)的按鍵信號。當(dāng)上述功能按鍵未按下時，單片機接收到按鍵信號，引腳呈現(xiàn)低電平；若功能按鍵按下，上述引腳表現(xiàn)出的低電平隨機轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)。

Arduino Uno單片機的IO0引腳檢測到控制按摩功能的按鍵為高電平時，單片機執(zhí)行對應(yīng)的按摩功能子程序，即單片機的按摩使能輸出端IO3開始輸出高電平，單片機的IO4和IO5兩引腳分別輸出高電平和低電平，所連接L298N驅(qū)動芯片的IN1和IN2引腳，此時按摩直流電機全速運轉(zhuǎn)。

Arduino Uno單片機的IO1引腳檢測到控制通風(fēng)功能的按鍵為高電平時，單片機執(zhí)行對應(yīng)的通風(fēng)功能子程序，即單片機的通風(fēng)使能輸出端IO9開始輸出高電平，單片機的A0和A1兩引腳分別輸出高電平和低電平，所連接L298N驅(qū)動芯片的IN1和IN2引腳，此時兩臺HD-8025H24S直流風(fēng)機全速運轉(zhuǎn)。

Arduino Uno單片機的IO2引腳檢測到助起按鍵為高電平時，單片機執(zhí)行對應(yīng)的助起功能子程序，即單片機的助起使能輸出端IO6開始輸出高電平，單片機的IO7和IO8兩引腳分別輸出高電平和低電平，所連接L298N驅(qū)動芯片的IN3和IN4引腳，此時電動伸縮桿直流電機全速正轉(zhuǎn)，待電動伸縮桿將座板頂起至一定角度，也就是電動伸縮桿工作一定時長后，使用者助起成功，電機反轉(zhuǎn)，座板回歸原始狀態(tài)，此時單片機的IO7和IO8兩引腳的輸出分別由高電平和低電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖胶透唠娖?，所連接L298N驅(qū)動芯片驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)。

3 結(jié)語

多功能辦公座椅由多部分構(gòu)成，詳細論述這種座椅的控制要點，確定座椅的控制要求，并且對座椅的工作過程進行詳盡的描述。首先論述其總體設(shè)計方案和各個功能的設(shè)計方案，然后確定控制系統(tǒng)方案、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。多功能辦公座椅設(shè)計是對普通座椅的創(chuàng)新，在座板、輪子、靠背等部位添加多個功能。多功能辦公座椅的設(shè)計旨在解決職場工作人員的身體不適問題，通過多個功能的開發(fā)，提高舒適度，符合現(xiàn)代發(fā)展的趨勢，滿足客戶的高配置要求，低造價、多功能、高享受，無論對生產(chǎn)者還是消費者都是一個不錯的選擇。