一種智能兒童書桌設計

李博，劉云連，魏安敏，何威，毛依凡

（1.湖南人文科技學院能源與機電工程學院，湖南婁底 417000；2.湖南人文科技學院信息學院，湖南婁底 417000）

1 引言

兒童正處于成長期，不良的坐姿容易導致駝背和近視。傳統的兒童書桌高度固定，使得很多兒童由于高度不合適導致坐姿不端正，嚴重影響了兒童的身體健康。2020年國務院明確提出兒童學習桌能適應“科學用眼，預防近視”，對兒童書桌提出了更高的要求[1]。現在的兒童書桌在傳統書桌中融入智能化設計，通過對書桌進行升降高度、智能補光等措施，滿足學齡兒童成長過程中視力健康、坐姿正確等健康需求[2]。國外人們關注孩子的獨立性培養，追求成長型的設計，盡量滿足不同年齡階段的兒童的需求[3]。我國在兒童書桌方面的發展起步較晚，以低端產品為主，并沒有考慮到兒童成長過程中對書桌的需求。衛靜婷研制的一款基于單片機的智能兒童書桌，該書桌采用STC89C52RC單片機作為主控芯片能夠對兒童坐姿，兒童視力起保護作用[4]。當前針對兒童設計的家具智能化程度不高，但是由于三胎政策以及兒童對產品性能的更高追求，使得智能化兒童書桌具有良好的發展前景[5]。

2 系統總體設計方案

2.1 系統功能設計

智能兒童書桌的主要功能為：書桌高度調節、桌面斜度控制、自動補光和語音提醒兒童坐姿。智能兒童書桌改善了傳統書桌死板固定的缺陷，能夠升降高度可以滿足兒童在不同年齡段因為長個子需要調整書桌高度的需求，不同的桌面傾斜程度則可以滿足兒童寫字，繪畫，看書等不同情況下對書桌的需求。智能兒童書桌還檢測環境光照強度并且自動補光，當光照強度檢測值低于兒童學習適宜強度時，自動調高光線亮度，智能補光，人離開之后自動關燈。智能兒童書桌可以檢測學習距離，當兒童離桌面過近時會有語音提示或者震動提示達到提醒兒童保持正確坐姿，遠優于傳統防駝背裝置需要束縛兒童的身體。智能兒童書桌還有任務提醒功能，可以設置學習時間，兒童在規定時間學習完后，會語音提示兒童休息。以上系統的開關、光照強度、學習時間等參數的設置都是利用按鍵實現。

2.2 系統框圖

智能兒童書桌的系統框圖如圖1所示。電源模塊對整個系統供電，超聲波模塊(HC-SR04)檢測桌面到人體的直線距離用以判斷坐姿，語言播報模塊(DY-SV17F)進行語言播報，電機模塊(TB6612)驅動用于四路推桿電機伸縮控制，控制推桿的收縮程度來實現整個桌面上升、下降和傾斜等功能，PWM驅動模塊控制LED的亮度調節，OLED顯示模塊顯示相關參數。

圖1 系統整體框圖

3 硬件系統設計

3.1 概述

硬件設計中采用模塊化的電路設計，主要有電機驅動模塊、OLED模塊、語言播報模塊、按鍵電路模塊等。

3.2 電機驅動模塊

在本設計的元件組成中，電機用于作為推桿伸縮的主要動力裝置，采用的是低壓直流電機，使幾組線圈可以輪流產生磁場，在電機內部的永磁體的作用下使電機旋轉。

由于直流電機獨特的結構，對供電電源有比較高的要求，在啟動瞬間會有較大的啟動電流，若電路設計不當則可能影響其他控制部分，選用了TB6612電機驅動。

TB6612作為電機驅動芯片，它的封裝不僅體積小巧，而且又含大電流MOS橋結構，支持兩個通道輸出，因此使用單個芯片就可以同控制兩個電機，每路的最高有1.1A的連續輸出電流，有多種電機控制形式。

AIN1-2和BIN1-2為電機驅動的輸入端口，這四個輸入端口控制兩路電機，O1,O2,O3,O4為輸出接口,根據順序連接到兩個電機,當AIN1為高AIN2電平為低電平則正轉，反之則反方向轉動,同理BIN1和BIN2控制相同。PWMA和PWMB接口用于控制電機轉速，在根據本項目的實際需求,在控制過程中,PWMA和PWMB的接口都為高電平,讓電機全速轉動,達到快速調整角度的目的,如圖2所示。

圖2 TB6612電路原理圖

3.3 OLED模塊設計

在本設計中OLED作為系統重要的交互設備，電路如圖3所示。用于顯示系統的主要數據參數和系統的一個實時狀態，如:環境光強度的參數的顯示,學習時間參數設定,當前時間的參數等。OLED模塊的通信方式可以分為IIC通信和SPI通信。所使用的是0.96寸的OLED屏幕，由128*64個小燈排列而成，上千個小燈緊密湊合，因此它對比度高、厚度薄、視角廣，而且由于OLED是自發光二極管，它不需要背光源、反應速度快、構造及制程較簡單、相比于傳統LCD顯示屏有節能優勢。

圖3 OLED電路原理圖

3.4 語言播報模塊

本設計采用語言播報模塊進行語言播報，電路如圖4所示。語言播報模塊可以通過IO口驅動，也可以通過USART進行驅動，考慮到I/O口資源等問題。在本設計采用語言播報模塊的USART串口進行驅動，采用USART串口驅動后,IO0-IO7不需要接入IO口,SPK+和SPK-兩個IO口接入3W的喇叭,DACL和DACR分別接入單片機串口資源的RX與TX,CON1和CON2接地,CON3接VCC代表選擇的模式為UART驅動。在模塊中采用USB連接的方式向模塊中存儲音頻信息，如學習時間到達時需要進行提示，選擇“學習時間到”的語言提示。

圖4 語言播報電路原理圖

3.5 按鍵電路模塊設計

在本設計中，所需要的交互的按鍵較少，我們使用的是獨立按鍵，即一個按鍵使用一個IO口，一共使用6個IO口，不但省略了矩陣按鍵的復雜電路，還提高了程序的掃描效率，有效提高設備穩定性。在本系統的電路設計中，按下的狀態為低電平，松開時按鍵保持高電平。

圖5 獨立按鍵電路

系統中按鍵1-6分別對應桌面平臺控制、學習距離范圍閾值進行調整、光照強度閾值進行調整和學習時間的設定,增加和減小兩個功能按鍵，如桌面平臺的控制增加代表平臺的上升，減小代表平臺的下降，光照強度的閥值按鍵選擇后功能按鍵“+”調整光照的亮度增加，反之功能按鍵“-”為光照亮度減小。

4 軟件系統設計

4.1 超聲波測量軟件設計

超聲波在進行數據的采集過程中，為了避免數據采集中存在的誤差和精度問題，在軟件方面的編寫采用如下邏輯進行編寫,超聲波完成一次數據的采集需要一定的時間，因此程序中定時器為200ms定時中斷,時間達到后超聲波采集相應的數據,經過50次數據積累后，計算得出平均計算值得出最終的測量數據，此邏輯判斷為了能夠更好地得到準確數據,避免實際運用中的誤差和人為的偏差。

4.2 按鍵檢測軟件設計

按鍵掃描在中斷中進行，中斷1ms觸發一次，對實時按鍵情況進行記錄，若出現8次連續的按下狀態判斷按鍵已被穩定按下，若出現8次連續的彈起狀態即判斷按鍵為穩定彈起，否則按鍵狀態保持不變這樣就有效地防止了因為按鍵抖動而產生的誤操作。

5 總結

本文設計了一種基于單片機的智能兒童書桌，具有預防近視駝背的作用。主要通過以下三方面實現該作用：該書桌在兒童讀書寫字過程中，可以根據超聲波測距測得的兒童與書桌之間的距離并通過語言播報進行提醒兒童；可以根據兒童讀書環境光強的變化智能調整書桌自帶的光強，通過可調LED燈實現自動補光，從而達到保護兒童視力的作用；能夠通過按鍵交互手段設定學習時間，通過語音播報的方式實時地提醒兒童進行學習。OLED屏幕作為本系統的一個重要的交互平臺能夠實時地顯示整個系統的數據，包括光照強度，學習時長等數據。