基于单片机的多功能坐姿矫正仪

摘 要 为保护中小学生视力，矫正不良坐姿，文章设计了一种多功能坐姿矫正仪。它以STC89C51单片机作为主控系统中心，采用超声波测距原理检测使用者在书写时身体距离矫正仪的距离，并且通过压力传感器检测身体对矫正仪的压力，以此矫正使用者的不正确坐姿。采用DS18B20数字温度传感器检测外界温度，当环境温度低于某一设定值时，平板可以启动加热模块。文章首先介绍了总体方案设计，然后对该设计的硬件部分和软件部分进行了阐述，最后对该设计的功能和优点进行总结。

关键词 STC89C51单片机；超声波；压力传感器；温度传感器

中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2019）227-0163-02

通过调查我国中小学生视力研究发现，我国初中及以下的学生中，近视率大约为55%，随着年龄的增大，我国高中生以及大学生的视力下降程度尤为严重。而不正确的读书姿势是导致近视的主要原因。观察发现，现阶段市场上流行的多是一些背背佳以及强制支撑仪器等单一功能产品，这些产品使用一段时间会使人体感觉到不舒适，从而遭到学生的排斥，这也是为什么这些产品没有被大众广泛接受的重要原因。基于以上几点，本文设计了一种可以时刻提醒保持正确坐姿以及在室温过低时可以加热，并且轻便可折叠的平板式坐姿矫正仪。

1 总体方案设计

本系统主要包括单片机最小系统、温度检测电路、温度加热电路、超声波检测电路、压力感应电路以及报警电路等。系统框图如图1所示。

图1中的单片机控制器为系统的核心部件，采用按键进行人机交互，可以选择超声波报警的距离，压力感应电路报警的压力信息以及温度加热电路启动的最低温度信息等，并且可以通过单片机控制温度加热电路的启停，以及数码管和蜂鸣器的工作等。

2 硬件设计

2.1 单片机

本文选用STC89C51单片机作为主控系统中心，STC89C51单片机引脚少、可以灵活编程，自由度大，在硬件上很容易实现，并且具有体积小、成本低、功耗低和技术成熟等优点。

2.2 温度检测电路

该电路的核心器件采用DS18B20数字温度传感器[ 1 ]，与一般温度传感器相比较，DS18B20具有测量精度高、抗干扰能力强、硬件开销低、体积小等优点。并且它可以将室内温度的测量值转换成串行数字信号，并提供给单片机进行处理，经过编程从而实现温度读数的功能。并且DS18B20可以直接从单线通信线上得到电源供给，省去了外部电源的需求，使接线更为简单。其功能特性为：

1）测量范围-55℃～125℃，分辨率为0.5℃；

2）用户可定义非易失性温度告警设置；

3）9位数字方式度温度，典型转换时间为1s；

4）单线接口，只需1个接口就可完成温度转换的读写时间片的操作；

DS18B20数字温度传感器会实时地将温度信息反馈到单片机最小系统，当检测到室温低于設置温度时，单片机启动温度加热电路，从而实现升温的功能。当温度高于设定温度时，关闭加热电路。并且在温度检测模块中加入滞回比较器，从而防止出现加热器在温度设定值附近反复启停的现象。

2.3 超声波检测电路

该电路由51单片机、超声波HC-SR04模块、四位数码管显示模块、蜂鸣器声光报警模块、按键模块组成。用动态扫描法实现数码管显示当前超声波测量距离的功能，蜂鸣器和发光二极管组成声光报警模块。可以通过3个按键设置报警参数表，以适应不同使用者之间的个体差异。超声波HC-SR04模块包括超声波发射器、接收器和控制电路。通过HC-SR04超声波模块所测的距离信息实时地传送给最小单片机系统，并通过数码管实时显示所收集到的距离信息，当距离小于设定距离时报警。超声波测距模块结构如图2所示。

将超声波检测模块安装在平板的前边中间位置，当人体保持正确坐姿时，由于人体部位与超声波检测模块距离符合安全距离，故不会发出报警信号。当处于不正确坐姿时，人体某部位与模块之间的距离小于设定的安全距离，此时通过将距离信息传递给单片机最小系统，由单片机控制报警装置启动，从而达到提醒作用，直至恢复安全距离。

2.4 压力检测电路

该电路由STC89C51单片机、HX711AD模块、40kg电阻应变式压力传感器、蜂鸣器和按键模块设计而成。本电路采用压力感应专用A/D转换器芯片HX711对传感器信号进行调理转换。HX711是一款专为高精度压力测量装置而设计的24位A/D转换器芯片。HX711与其它同类型芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。且该芯片与后端MCU芯片的接口和编程较为简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。可通过按键设置压力的上限报警值，并且该模块具有掉电保护功能，保存在STC89C51单片机内部，再次上电时无需重新设置参数。且具有超量程报警功能，当外界所施加的压力超出压力传感器的量程时蜂鸣器会发出声光报警。

当使用者保持正确坐姿时，对桌面的压力应小于设定的报警值，此时报警模块处于非工作状态。当使用者坐姿不正确时，如爬在平板上，会对平板产生较大的压力，当压力超过报警值时，STC89C51单片机会启动报警模块，提醒使用者保持正确坐姿。

3 软件设计

本文系统设计采用C语言作为汇编语言。系统软件包括主程序、压力感应子程序、温度采集子程序、超声波发射子程序、数码显示子程序、外部中断子程序、计算子程序和定时器中断子程序等。其中，主程序是整个系统控制的核心，完成设备的初始化和其余各子程序的调用；压力感应子程序完成对平板桌面所受压力的采集；温度感应子程序完成对外界温度信息的采集；超声波发射子程序产生和发射超声波信号；计算子程序完成对所收集到的数据进行计算和处理，并发送到数码显示子程序显示测量结果。

4 结论

本文设计的多功能坐姿矫正仪，具有检测距离、压力以及外界温度的功能。与市场上传统坐姿矫正仪相比，具有研制成本低、结构简单、人性化等优点，可以更好地为使用者提供服务。

参考文献

[1]苏麟祥.DS18B20数字温度传感器的功能特性及其设计[J].世界采矿快报，2000.

[2]沈燕，高晓蓉，孙增友，等.基于单片机的超声波测距仪设计[J].现代电子技术，2012，35（7）：126-129.

[3]张红莲.基于单片机的超声波测距系统的设计[J].可编程控制器与工厂自动化，2008.

[4]张旭.单片机技术在传感器设计中的应用[J].机电信息，2011（36）：132-133.

[5]秦国庆.单片机技术在网络通信中的应用研究[J].科技传播，2017（17）：88-89.

[6]杨旭方.一款基于单片机I～2C总线实现的密码锁[J].职业技术，2013（3）：80.

[7]杨东.单片机与串行通信的电子密码锁设计[J].电子技术与软件工程，2016（21）：121.

相关热词搜索： 多功能 矫正 单片机 坐姿