安蒙蒙　王殊軼　劉智慧　王浴屺　黃倩文

摘要：該智能預(yù)警設(shè)備以單片機arduino UNO為控制器，采用超聲波技術(shù)來測量距離.完成了智能報警系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計中用arduinoUNO單片機、HC-SR04超聲測距傳感器，蜂鳴器等完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計；以arduino IDE為軟件開發(fā)環(huán)境完成系統(tǒng)的程序設(shè)計。系統(tǒng)實現(xiàn)了報警距離的自由設(shè)定，坐姿進入報警范圍自動報警、坐時過長自動報警等功能，可以達到對錯誤坐姿進行預(yù)警、防止駝背、脊椎側(cè)彎、保護視力等功能。

關(guān)鍵詞：單片機；超聲波測距；報警；程序設(shè)計

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）13-0222-03

1概述

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種電子產(chǎn)品也越來越多，人們經(jīng)常低頭看書或各種電子產(chǎn)品對脊椎和視力危害很大，嚴重損害身體健康。造成這些危害的原因有很多，其中一個原因就是在讀書寫字的時候頭部離書本太近，時間長了以后造成的頸椎變形，眼睛疲勞。針對不正確坐姿人群在學(xué)習(xí)或工作時頭部與桌面垂直距離太近這一特點。設(shè)計的以arduino UNO為控制器，基于超聲波測距技術(shù)、性能良好、高精確度的坐姿預(yù)警系統(tǒng)，整個系統(tǒng)核心器件集中在一個可穿戴式設(shè)備一發(fā)帶上，方便用戶使用。

2設(shè)計方案說明

報警距離的自由設(shè)定是由用戶通過電位器來設(shè)置的。判斷用戶頭部與桌面的垂直距離采用的方法是間歇的發(fā)射超聲波來探測用戶頭部與超聲波探頭的距離，當(dāng)用戶頭部與桌面垂直距離在報警距離以內(nèi)的時候，15S以內(nèi)用戶坐姿沒有回到正確范圍，蜂鳴器就會聲音警報。同時如果用戶保持坐的狀態(tài)達四小時，蜂鳴器就會聲音警報，提示用戶休息。

3硬件電路設(shè)計

坐姿預(yù)警系統(tǒng)系統(tǒng)主要有控制部分、超聲波發(fā)射與接收部分、報警都分。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖l所示。

3.1超聲波發(fā)射與接收電路的原理

利用超聲波進行測距的時候，超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當(dāng)這個超聲波信號遇到被測物體反射回來后就會被超聲波接收器R接收到，如圖2。因此，要計算超聲波發(fā)生器與被測物體的距離d，只需要計算出從發(fā)出超聲波到收到返回的超聲波的時間t.聲速為v，則d=vt/2.可以測出超聲波發(fā)出器到被測物的距離，HC-SR04超聲測距傳感器是在此基礎(chǔ)上基于三角原理即可得出T與R的中點到被測物的距離。

具體原理：采用10口TRIG觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號；模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。試距離=（高電平時間*聲速（340M/S））/2；

本模塊性能穩(wěn)定，測度距離精確。

3.2HC-SR04超聲測距傳感器的靈敏度測試

測試結(jié)果如表1。

作出折線圖如圖3。

由圖3中可知，擬合的直線是y=0.999x-0.06981，R2的值為0.9998。因為R2>0.99，所以這是一個線性特征非常明顯的實驗?zāi)Ｐ停凑f明擬合直線能夠以大于99.99%地解釋、涵蓋了實測數(shù)據(jù)，具有很好的一般性，可以作為標準工作曲線用于其他測量。

由實驗可知，該傳感器在使用過程中最大誤差0.8cm.相對精確可以達到測量要求。同時測距范圍也滿足需要。

3.3報警距離設(shè)定部分的設(shè)計

為了實現(xiàn)用戶的對不同的報警距離的自由設(shè)定.采用的方法是用電位器來調(diào)節(jié)送人AD的電壓.單片機利用AD轉(zhuǎn)換獲得的數(shù)字量來確定用戶所設(shè)定的報警距離的大小。系統(tǒng)采用的Arduino UNO，采用的微處理器是ATmega328.該版本包括1 4個數(shù)字輸入輸出IO，6個模擬輸入10，1 6 M H z的晶體，USB接口，電源接口，燒錄頭，復(fù)位按鈕等。完全滿足本系統(tǒng)中模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的精度需要，不過本系統(tǒng)中只用到了8通道AD中的其中一個通道。

3.4報警部分的設(shè)計

報警部分利用蜂鳴器的聲音報警，如果用戶頭部距離桌面垂直距離在報警范圍內(nèi)的話。將發(fā)出聲音來報警；方法是用戶頭部距離桌面垂直距離在報警范圍內(nèi)且15S以內(nèi)用戶坐姿沒有回到正確范圍，蜂鳴器就會聲音警報。同時如果用戶保持坐的狀態(tài)達四小時，蜂鳴器就會聲音警報，提示用戶休息。直到探測到用戶不在報警范圍時才撤銷報警，即停止蜂鳴器的報警。蜂鳴器報警的設(shè)計是通過一個普通I/O口來控制的一個蜂鳴器。

4軟件設(shè)計

4.1程序說明

本系統(tǒng)的程序的設(shè)計開發(fā)在Arduino IDE編程環(huán)境中進行，易學(xué)易用，故采用的編程語言是C語言。ArduinoIDE是Arduino的開放源代碼的集成開發(fā)環(huán)境，2011年11月30號Arduino官方正式發(fā)布了Arduino1.0版本，這個官方的開發(fā)環(huán)境界面友好，語法簡單以及能方便地下載程序，使得Arduino的程序開發(fā)變得非常便捷。作為一款開放源代碼的軟件，Arduino IDE也是由Java、Processing、avr-gcc等開放源碼的軟件寫成，其另一個最大特點是跨平臺的兼容性，適用于Windows、Max OS x以及Linux。并且有串行繪圖儀：可以查看Arduino運行時的實時數(shù)據(jù)，Arduino會將串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上，在電腦上添加該功能就可以看到數(shù)據(jù)的變化。于以上種種優(yōu)點，選擇其作為開發(fā)環(huán)境。

4.2主程序流程圖

本系統(tǒng)軟件設(shè)計部分的主程序流程圖如圖4所示，其中包括了系統(tǒng)初化，信號發(fā)生和接收，蜂鳴器報警的控制、AD數(shù)據(jù)采集等功能模塊。初始化程序中要對所選的Arduino uno單片機的引腳進行工作模式的配置。還有對中斷、定時器、AD轉(zhuǎn)換等相關(guān)功能寄存器進行初始化。

5結(jié)論

最近幾年，伴隨人機交互等技術(shù)的快速發(fā)展，在競技體育、康復(fù)治療、體感游戲等各個方面，人體坐姿別技術(shù)得到了普遍應(yīng)用，但目前還處于剛剛起步。并且大部分都是基于圖像處理或者基于壓力傳感器，光敏電阻等的方法識別人體坐姿，應(yīng)用超聲波測距傳感器技術(shù)的坐姿識別較少。圍繞著這些問題，我們利用了基于超聲波測距傳感器的坐姿識別方法。通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，及單片機模塊的數(shù)據(jù)分析判斷用戶是否處于不正確坐姿并給予報警。

本文的研究結(jié)論如下：

1）本文設(shè)計超聲波測距模塊，單片機數(shù)據(jù)處理模塊，及蜂鳴器預(yù)警模塊。以orduino UNO單片機作為主控制器，采集超聲波測距傳感測得的數(shù)據(jù)，判斷分析后，對蜂鳴器發(fā)出命令。

2）對不同身高，不同坐姿的人群在不同坐姿下，頭部到桌面的距離做以實際抽樣測量，并經(jīng)過統(tǒng)計與分析得出正確坐姿及不正確坐姿下，頭部到桌面垂直距離的范圍。將不同坐姿與頭部到桌面垂直距離對應(yīng)起來。