杜文濤，高原，安平，田新宇，何俊欽，方子旺

（1.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院，廣西桂林，541004； 2.桂林電子科技大學(xué)教學(xué)實踐部，廣西桂林，541004； 3.桂林電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院，廣西桂林，541004）

0 引言

當今社會數(shù)碼產(chǎn)品早已普及千家萬戶。當人體長期處于坐姿使用數(shù)碼顯示產(chǎn)品時，由于長期局部受力不均和久坐不動，可能會導(dǎo)致頸椎受損、視力下降等健康問題。有研究表明，長時間坐姿不正確，會增加多種疾病發(fā)生的風險，尤其是對少年兒童和長時間使用電腦辦公的人群的影響會更加明顯。所以研究一套主動使人矯正自己的坐姿，并且能夠?qū)崟r自動保持數(shù)碼顯示產(chǎn)品與眼睛之間健康視距的設(shè)備是非常必要的。本文主要討論一種新型的人體坐姿監(jiān)測提醒和自動保持數(shù)碼屏幕產(chǎn)品與人眼之間健康視距的輔助矯正系統(tǒng)，且該系統(tǒng)具有工作時間表自定義功能來輔助用戶更科學(xué)的管理工作休息時間。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

圖2 上位機步進電機驅(qū)動控制電路

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)通過壓力傳感器坐墊來檢測用戶是否正在使用液晶顯示屏，并對用戶坐姿重心信息進行采集判斷。同時利用人頭追蹤裝置搜索人頭空間位置，得到顯示屏與人頭的直線距離，并與事先設(shè)定的健康視距參數(shù)進行比較，當測量值與設(shè)定值的偏差超過一定閥值時，智能支架自動調(diào)整顯示屏上下、前后、左右，甚至前傾角度，使顯示屏處于用戶的最佳視覺范圍。根據(jù)用戶設(shè)置的工作時間表，當計時器的計時時間到達設(shè)定值時，智能支架會發(fā)出語音提醒，告訴用戶應(yīng)該起身休息片刻。當用戶起身后計時器開始重新計時，直至用戶再次坐下，此時系統(tǒng)會判別用戶起身休息的時間是否達到最低要求，如果時間不足則再次發(fā)出語音提示。系統(tǒng)整體框圖如圖1 所示。

1.1 上位機主控電路

上位機是整個系統(tǒng)的核心部分，接收來自坐姿檢測裝置、人頭位置檢測和人機交互模塊的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果控制支架電機運行使屏幕始終處于合理是位置，方便用戶使用。主控電路包括STM32FI03ZET6 單片機、NRF24L01 無線通信模塊、DRV8825 驅(qū)動模塊等核心器件，其中主要部分是支架步進電機和蝸輪蝸桿電機的控制，關(guān)系到屏幕位置調(diào)整的精度。步進電機驅(qū)動電路原理如圖2 所示。單片機輸出固定脈沖數(shù)StepPwm 和轉(zhuǎn)動方向StepDIR 來控制步進電機。使用兩個DRV8825 驅(qū)動模塊分別對機械臂上的兩個步進電機進行控制，為節(jié)省單片機輸出資源，采用一路控制信號通過一個數(shù)字選擇開關(guān)CD4052 芯片對兩路步進電機進行分時控制的方式，實現(xiàn)對機械臂上兩路步進電機轉(zhuǎn)動的角度控制。

上位機蝸輪蝸桿電機驅(qū)動電路如圖3 所示。蝸輪蝸桿電機本質(zhì)上是一種可以進行直角動力傳動的直流電機，單片機通過ScrewPWM 信號來控制蝸輪蝸桿電機的轉(zhuǎn)動力度，通過ScrewDIR1 和ScrewDIR2 控制蝸輪蝸桿電機的轉(zhuǎn)動方向，通過ScrewCode1 和ScrewCode2 得到蝸輪蝸桿電機的實時轉(zhuǎn)動路程和速度反饋。電路使用一個雙路驅(qū)動的直流電機驅(qū)動模塊TB6612 進行旋轉(zhuǎn)角度控制。為節(jié)省單片機輸出資源，采用一路控制信號通過三個數(shù)字選擇開關(guān)CD4052芯片對兩路蝸輪蝸桿電機進行分時控制的方式，實現(xiàn)對機械臂上兩路蝸輪蝸桿電機轉(zhuǎn)動的角度控制。

圖3 上位機蝸輪蝸桿電機驅(qū)動控制電路

圖4 坐姿檢測裝置結(jié)構(gòu)框圖

圖5 壓力傳感器A/D 轉(zhuǎn)換電路

1.2 人體坐姿檢測裝置

坐姿檢測裝置利用內(nèi)置于坐墊里的壓力傳感器來檢測用戶是否正在使用液晶顯示屏，并對用戶坐姿重心信息進行采集判斷，相關(guān)參數(shù)經(jīng)過處理后通過NRF24L01 無線射頻模塊發(fā)送給上位機。其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。檢測裝置內(nèi)置了五個壓力傳感器，中間一個，四周各一個，主要任務(wù)是判斷用戶是否坐在屏幕前面以及大致坐姿。系統(tǒng)檢測到中間傳感器有效讀數(shù)后啟動本裝置，并通過采集外圍四個壓力傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器處理成數(shù)字量的壓力數(shù)據(jù)，單片機進過算法處理后得到用戶坐姿重心判斷結(jié)果，最后經(jīng)NRF24L01 無線通信模塊上傳給上位機。電路如圖5 所示。

1.3 人頭追蹤裝置

該裝置的主要作用是探測用戶頭部與屏幕正中位置的距離和角度，結(jié)合人體坐姿檢測裝置大致判斷出用戶所處的姿態(tài)，控制屏幕支架調(diào)整其空間位置。人頭追蹤裝置機械結(jié)構(gòu)如圖6 所示。①為收發(fā)一體化超聲波測距模塊SR04T，負責對空間某一點進行距離測量。②和③都是舵機，其中②負責超聲波模塊的上下掃描運動，③負責超聲波模塊的左右掃描運動?？刂齐娐啡鐖D7 所示，SteeringGear1和SteeringGear2 分別是控制該裝置運動的兩個舵機旋轉(zhuǎn)控制接口，單片機輸出兩路不同占空比的PWM控制信號來分別控制兩路舵機需要轉(zhuǎn)動到達的角度。圖中Ultrasonic 是超聲波傳感器的電接口，超聲波模塊會把測得的距離穿換成相對應(yīng)時長的高電平輸出脈沖，單片機通過檢測控制線上的高電平持續(xù)時間即可得到超聲波探頭測得的距離。

圖6 人頭追蹤裝置機械結(jié)構(gòu)圖

圖7 舵機驅(qū)動控制電路

1.4 人機交互模塊電路

人機交互模塊電路主要由NRF24L01無線通信模塊接口、TFT4.3 寸觸摸彩屏接口和HBR640 語音播放識別模塊接口組成。單片機通過接口上兩個串口依據(jù)對應(yīng)的特定串口傳輸命令協(xié)議對TFT4.3寸觸摸彩屏和HBR640 語音播放識別模塊進行界面顯示控制和語音播放識別命令，以完成人機交互的目的。電路原理如圖8 所示。

圖8 人機交互模塊電路

圖9 上位機軟件流程框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括上位機和下位機部分。上位機接收來自下位機的用戶坐姿信息，當有人坐下時啟動人頭追蹤裝置，測量計算出人頭相對于屏幕中心原點的空間坐標，并判斷是否要調(diào)整支架以及調(diào)整的角度。具體流程如圖9 所示。

下位機主要是人體坐姿檢測部分，通過采集壓力傳感器數(shù)據(jù)，分析用戶坐姿屬于前傾、后傾、左傾、右傾、正坐和無人坐下共六個狀態(tài)，并通過無線模塊上傳給上位機。具體流程如圖10 所示。

3 結(jié)論

本文提出了一種智能屏幕支架控制系統(tǒng)，通過人體坐姿檢測裝置和人頭追蹤裝置判斷用戶與屏幕的位置關(guān)系，通過相關(guān)算法控制支架電機運動，使屏幕始終處于較好的位置、角度，方便用戶使用。經(jīng)實際測試，該系統(tǒng)整體穩(wěn)定性能良好，人機交互體驗友好，屏幕位置和角度調(diào)整精度較高，用戶坐姿在合理的范圍內(nèi)系統(tǒng)均能快速的調(diào)整的屏幕。

圖10 下位機軟件流程框圖