基于STC89C52單片機的坐姿矯正系統設計

摘" 要：文章以STC89C52單片機為核心器件，結合HC-RS04超聲波傳感器、光敏電阻、定時器、ADC0832模數轉換器、LCD1602液晶顯示屏，設計了坐姿糾正系統。通過超聲波傳感器對用戶與被測物體的距離進行實時監測，通過光敏電阻對所處環境的光照強度進行實時監測，并通過單片機處理收集到的數據。當測得的距離或者光照強度任意一者超出正常范圍時，單片機通過驅動蜂鳴器報警，提醒用戶注意糾正。同時，通過LCD1602顯示屏實時顯示測得的數據。詳細研究了基于單片機的坐姿糾正系統設計的硬件電路和軟件設計方案，運用Keil軟件進行代碼調試，運用Proteus進行軟件仿真。功能測試證明，所設計的坐姿糾正系統能夠在多種情況下正常工作。

關鍵詞：單片機；超聲波傳感器；姿態監測；功能測試

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2025）03-0020-08

Design of Sitting Posture Correction System Based on STC89C52 Single-chip Microcomputer

LI Na， WANG Wei， YAN Meng， WANG Li， ZHENG Ru

（Department of Electronic Engineering， Xihang University， Xi'an" 710077， China）

Abstract： This paper uses STC89C52 single-chip microcomputer as the core device， combined with HC-RS04 ultrasonic sensor， photoresistor， timer， ADC0832 analog-to-digital converter， and LCD1602 LCD screen， to design a sitting posture correction system. Real-time monitoring of the distance between the user and the measured object is carried out through ultrasonic sensors， and the illumination intensity of the environment is monitored in real time through photoresistors. The collected data is processed by the single-chip microcomputer. When either the measured distance or illumination intensity exceeds the normal range， the single-chip microcomputer drives a buzzer alarm to remind the user to pay attention to correction. Meanwhile， the measured data is displayed in real time on the LCD1602 display screen. A detailed study is conducted on the hardware circuit and software design scheme of a sitting posture correction system based on a single-chip microcomputer. Keil software is used for code debugging， and Proteus is used for software simulation. Through functional testing， it has been proven that the designed sitting posture correction system can work normally in various situations.

Keywords： Single-chip Microcomputer; ultrasonic sensor; sitting posture monitoring; functional testing

0" 引" 言

隨著我國科技發展、電子產品的使用迅速發展，極大地提高了人們完成事情的效率，但久坐于電腦前也成了大多數人的常態，加之當代社會高強度、快節奏的生活方式，人們工作、學習等時間越來越久，姿勢不良現象十分常見，導致諸多健康問題[1-2]，坐姿矯正系統用于人體坐姿監測，能提醒人們及時糾正不良坐姿，有目的性地改善自身的坐姿問題。坐姿糾正對維護人們身體健康、提高辦事效率和預防各種疾病具有十分重要的意義[3-4]。

根據實際遇到的坐姿問題，從軟硬件兩個方面設計了基于STC89C52單片機的計步器系統，系統以STC89C52單片機作為核心控制器，采用HC-RS04超聲波模塊監測距離，光敏電阻檢測采集環境光照強度，并通過LCD1602液晶顯示坐姿距離，環境光強，坐姿時間。系統包括單片機主控模塊、測距模塊、光敏模塊、復位模塊、按鍵模塊、顯示模塊和報警模塊，擁有隨時提醒用戶調整光強、坐姿以及注意休息的功能，防止對身體產生危害。

1" 系統總體設計

1.1" 設計任務

本系統是以主控單片機電路為控制系統進行的測量和顯示，具體任務如下：

1）根據該系統的工作原理，完成系統的總體設計和框架，包括對硬件的選型等。

2）采用Proteus仿真平臺逐步搭建各模塊硬件電路圖；明確各模塊的工作原理；模塊化、結構化完成主程序和子程序的編寫。

3）完成各種狀態下硬件的仿真和功能調試，多次實驗采集數據并且進行了數據處理和誤差分析，驗證其可行性。

1.2" 設計方案

以主控單片機為核心的坐姿矯正系統總體設計如圖1所示，利用光敏電阻采集光線信號，通過AD采集光線信號的強弱，把光線強度等級化，用戶通過自己設置上限和下限來確定報警范圍，提醒用戶調整光強[5-6]。利用超聲波傳感器測出用戶與被測物體的距離，當得到的距離值超出用戶設置的距離范圍時發出報警聲提醒用戶調整坐姿。通過單片機內部定時器計時，當使用時長達到用戶設定的時間時，自動發出報警提示，提醒用戶注意休息。

2" 系統硬件設計

2.1" 主控制模塊

采用STC89C52單片機作為本次設計的核心控制單元，單片機主控電路如圖2所示，實現自動報警與提醒、處理超聲波測得的信號，以及處理光照強度信息。

2.2" 超聲波測距模塊

超聲波模塊接線如圖3所示，共有4個引腳，分別為VCC、GND、TRIG、ECHO。VCC提供5 V電源，GND為地線，TRIG觸發控制信號輸入，ECHO為回響信號輸出。用戶可以根據實際需求自主設定距離閾值，當測得的數據超出標準時觸發報警[7-8]。

測距原理如圖4所示，系統通過超聲波發射器發出一系列高頻率聲波信號，這些聲波信號以一定的速度在空氣中傳播；當遇到障礙物時，會被反射回來，超聲波接收器會捕捉到這些反射信號[9]；系統會記錄從發射超聲波到接收的時間，這個時間即為往返的總時間；根據距離=速度×時間，就可以計算出測量距離。

超聲波時序如圖5所示，基本工作流程為：IO口TRIG觸發測距，提供至少10 μs的高電平信號；模塊自動發送8個40 kHz的方波，并且自動檢測是否有信號返回；若一旦檢測到有信號返回，則通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間，言外之意為回響信號的脈沖寬度與所測距離成正比。所測距離=聲速×高電平持續時間÷2。

2.3" 光照強度檢測電路

光照強度檢測電路如圖6所示，光照強度檢測模塊采用光敏電阻，光敏電阻的阻值會隨著光線強度的變化而變化，然后分得的電壓也會產生變化[10]。經過AD轉換后就可以得到各種光照強度下的電壓值，從而便于設定出理想的光線強度報警值。

2.4" 電源電路

采用5 V-USB給單片機供電，電源電路如圖7所示。

3" 系統軟件設計

3.1" 系統主程序流程圖

主程序流程圖如圖8所示，系統開始工作后進行初始化操作，此后看到的液晶顯示屏上的內容為：當下測得的距離、當下所處的光照強度和準備開始計時界面。然后，就會進行對各個數據的判定。首先詢問的是光照強度數值，判斷用戶所處的環境是否適宜；若在正常值內，則會進行下一步；反之，則會報警提醒用戶注意調整光線。接下來判斷用戶的坐姿是否正確，如果在正常范圍內，則進行下一步判斷；如果用戶坐姿錯誤，則系統就會報警提示用戶，注意糾正姿勢。最后一步就是判斷時間是否達到45分鐘，若沒有達到，則系統會返回持續實時監測；若達到45分鐘，則系統報警，提醒用戶注意休息調整。

3.2" 系統子程序流程圖

3.2.1" 測量距離子程序

測量距離流程圖如圖9所示，測距功能開始后，首先判斷定時是否到1 s，如果已經到1 s，則超聲波發射標志位置1，開始超聲波發射，同時開啟定時器T1和外部中斷0；若不到1 s，則返回繼續計時。接下來詢問是否檢測到回波，若接收到了回波，停止定時器T1，計算距離；若沒有接收到回波，則返回繼續發射超聲波。計算得來的距離值若小于設定的距離值，說明用戶坐姿過于靠近，則系統報警提醒用戶注意調整；如果大于設定的距離，則返回主程序進行下一步。

3.2.2" 測量光照子程序

光照強度測量流程圖如圖10所示，系統初始化后，光敏電阻會實時采集環境的光照強度；然后傳輸給ADC0804模數轉換器，將光敏電阻采集到的模擬信號轉換為數字量，方便于單片機處理和顯示。系統會根據用戶設定的閾值進行判斷，超出用戶設定的正常范圍則蜂鳴器報警、LED指示燈閃爍；反之，則返回繼續檢測光強。

3.2.3" 定時器子程序

定時器計時流程圖如圖11所示，系統初始化后，開啟定時器計時；在計時過程中，可以選擇暫停或者清零重新啟動定時；定時器會不間斷檢測是否到達用戶預設時間，如果達到則計時結束，引發蜂鳴器報警；如果沒有達到預設時間，則返回繼續檢測。

3.2.4" 報警提示子程序

報警提示流程圖如圖12所示，系統初始化后讀取傳感器傳來的數據，并且做出判斷處理。如果數據處于正常范圍則繼續監測；反之，激活報警。緊接著，判斷用戶是否做出相應調整，如果做出調整則關閉報警，如果用戶未調整則持續報警。

4" 系統仿真及測試

4.1" 系統軟件仿真

首先，在Proteus軟件中搭建仿真環境，將設計的電路圖進行正確的連線；然后燒入程序，初始化；觀察系統是否顯示正常，如LCD1602顯示屏是否可以正常顯示距離、光照和時間，蜂鳴器是否可以正常發出響聲，LED是否可以閃爍等。接下來就可以進行各個功能測試。

系統正常工作狀態如圖13所示。測得的距離值為0.44 m，光照強度為76 lx，蜂鳴器未發出響聲，LED指示燈D1熄滅。

當坐姿過于靠近時，如圖14所示，系統發出警示，蜂鳴器發出響聲，LED指示燈D1被點亮。測得的距離為0.27 m，小于所設定的0.3 m，因此報警；光照強度為72 lx，時間為39 s。

光照強度過強時也會引發報警，仿真結果如圖15所示，測得的距離為0.46 m，坐姿距離處于正常狀態下；光照強度為85 lx，大于設定的最高值80 lx，因此蜂鳴器發出響聲，LED指示燈D1閃爍。

光照強度過弱時同樣也會觸發報警，仿真結果如圖16所示，測得的距離為0.44 m，坐姿距離處于正常狀態下；光照強度為6 lx，小于設定的最低值20 lx，因此蜂鳴器發出響聲，LED指示燈D1閃爍。

4.2" 系統測試

首先進行功能驗證，實驗的基礎是要確保所有模塊都能夠正常工作。檢查模塊的初始化程序能否正常運行，是否存在錯誤，能否實現所需的功能。第二，進行距離檢測，通過實際測量，驗證超聲波測距所得到的結果是否準確，能否處于正常的誤差范圍之中。第三，設置報警閾值，因為使用的用戶是不同的，所處的環境是不同的，所以應考慮到種種情況，合理設置閾值。對于不同的用戶群體，可以分別重新設置報警數值，便于提高使用范圍，普及更多的使用群體。第四，針對場景的適應性，進行多組實驗，測試在不同的光照強度下系統的準確性、穩定性，驗證系統能否靈活適應環境的變化，擴大使用場景。

先將距離的警戒值設置為0.3 m，定時設為45分鐘，光照強度上限設為80 lx，下限設為20 lx。距離及時間設置界面如圖17所示，第一行為超聲波測距設置距離范圍界面，小于此數值便會報警；第二行為設置時間界面。光照強度設置界面如圖18所示，第一行為光照強度上限設置，第二行為光照強度下限設置。

當用戶保持正常的坐姿時，系統工作一切正常。測得的距離值為0.35 m，光照強度值為60 lx，計時為34 s。蜂鳴器未響，LED指示燈未被點亮，測試結果如圖19所示。

坐姿過于靠近的測試結果如圖20所示，當用戶坐姿過于靠近時，系統開始警示。測得的距離值為0.27 m，小于設定的0.3 m，所以報警提醒用戶；光照強度值為60 lx，計時為38 s。蜂鳴器開始發出響聲，LED指示燈開始閃爍。

在不同的光照強度下進行對比實驗，為了方便操作，在接下來的實驗中將光照強度上限設定為了70 lx，下限保持不變仍為20 lx。當用戶坐姿處于正常狀態下，但光照強度過低時會發出報警。光照強度過低的測試結果如圖21所示，光照強度為8 lx，小于設定的最低值，蜂鳴器發聲，LED指示燈閃爍。

當用戶坐姿仍然處于正常狀態時，光照強度過高也會引起報警提醒用戶。此時的測試結果如圖22所示，光照強度為72 lx，大于設定的最高值70 lx，蜂鳴器發聲，LED指示燈閃爍。

4.3" 測試結果及誤差分析

對所要求測量范圍3～200 cm內的平面物體做了50次實驗，記錄測量結果如表1所示。從表中數據可以得出：最小的誤差為0 cm，最大的誤差為2 cm，準確監測坐姿狀態的成功率達到90%。結合實際生活場景，此設計可以較好地監測用戶坐姿狀態，并且準確監測的成功率較高，滿足坐姿糾正功能。

從實驗結果來看，設計的系統雖有一定誤差，但既簡單又有效，相較于市面上的大多數智能坐姿矯正器成本低，以便可以被普通消費者所接受，并且易于安裝和使用，減少對用戶造成不便，不需要復雜的設置或調試，可以及時糾正不良坐姿，有目的性地改善自身的坐姿問題。

5" 結" 論

本文闡述了基于STC89C52單片機的坐姿矯正系統的設計過程及測試結果。通過超聲波傳感器對用戶與被測物體的距離進行實時監測，通過光敏電阻對所處環境的光照強度進行實時監測，并通過單片機處理收集到的數據，當測得的距離或者光照強度任意一者超出正常范圍時，單片機通過驅動蜂鳴器報警，提醒用戶注意糾正。分析表明，該坐姿矯正系統可以較好地監測用戶坐姿狀態，并且準確監測的成功率較高，滿足坐姿糾正功能，為未來的趨向于智能化的坐姿糾正系統奠定了基礎。

參考文獻：

[1] 李林翰.基于深度學習的人體異常坐姿識別方法研究 [D].貴陽：貴州大學，2023.

[2] 張沛濤.長時間坐姿使用手機頸肩肌肉疲勞的變化特征及干預研究 [D].天津：天津體育學院，2023.

[3] 鄭臺臺，姚燕，蔡晉輝.基于三維坐姿的壓力數據自動標注方法 [J].儀器儀表學報，2023，44（10）：71-79.

[4] 牛連丁，孫劍明，楊碩，等.基于坐姿壓力檢測的人腦注意力分析研究 [J].智能計算機與應用，2024，14（6）：95-101.

[5] 國鑫，吳翔昊，王語奇，等.具有坐姿糾正功能的聯網智能臺燈系統設計 [J].長江信息通信，2023，36（11）：26-29.

[6] 孟彩茹，孫明揚，宋京.智能化坐姿監測機器人控制系統的研究 [J].機械設計與制造，2021（12）：273-276+281.

[7] 劉艷峰.基于STM32單片機智能臺燈控制系統的設計 [J].工業控制計算機，2023，36（3）：142-143+146.

[8] 陳玉瑜，喬生紅，陸宇輝.一種觸碰報警坐姿矯正器的設計 [J].機電工程技術，2021，50（6）：161-162.

[9] 王毅，王愷，張藝譚，等.基于超聲波傳感器的智能跟隨系統設計 [J].傳感器與微系統，2021，40（8）：92-95.

[10] 區娟蘭，王桐，付煥森，等.具有光照度檢測和坐姿矯正的智能臺燈研制 [J].工業控制計算機，2023，36（3）：149-150.

作者簡介：李娜（2002—），女，漢族，陜西咸陽人，本科在讀，研究方向：信號處理；通信作者：王威（1980—），男，漢族，陜西西安人，副教授，博士，研究方向：電磁場與微波技術。