許亞娜,張 揚(yáng),田小梅,翟浩磊,王 瑩,陳俊梅

(長治醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，山西 長治 046000)

0 引言

脊柱是人體的中軸、身體的支柱，具有支撐體重的作用，脊柱對人的形態(tài)有重要作用[1]。在日常生活中，長期伏案工作、缺乏體育鍛煉、不良的站姿以及坐姿等都會導(dǎo)致人們出現(xiàn)或輕或重的脊柱問題。隨著人們生活水平的提高以及醫(yī)療知識的普及，人們更加注重自身的健康與體態(tài)，因此對于自身背部姿勢的矯正也逐漸成為一種需求[2,3]。

現(xiàn)如今，市面上存在的矯正產(chǎn)品多數(shù)只是傳統(tǒng)的對脊柱側(cè)彎的預(yù)防與矯正，忽略了對背部肌肉情況的改善[4]。為此，設(shè)計(jì)并制作了一款智能多功能矯姿儀，在傳統(tǒng)矯姿儀的基礎(chǔ)上，增加了按摩與熱敷的功能，可以放松背部肌肉，讓體驗(yàn)者在矯正不良坐姿的同時(shí)，增強(qiáng)肌肉力量與耐受力，保持正確姿勢，達(dá)到更好的治療效果[5,6]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)基本方案

◆單片機(jī)：采用STC89C51芯片作為硬件核心。STC89C51內(nèi)部具有8KB ROM存儲空間,512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間，帶有2K字節(jié)的EEPROM存儲空間，與MCS-51系列單片機(jī)完全兼容,STC89C51可以通過串口下載[7]。

◆溫度傳感器：采用一只溫度傳感器DS18B20，此傳感器可以很容易直接讀取被測溫度值，進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以滿足設(shè)計(jì)要求[8]。

◆掉電保持：為了方便使用，本設(shè)計(jì)采用串行E2PROMI2C-BUS的存儲器件AT24C02，由于其具有接口方便、體積小、數(shù)據(jù)掉電不丟失等特點(diǎn)，在儀器儀表及工業(yè)自動化控制中得到大量的應(yīng)用。

◆顯示模塊：采用數(shù)碼管，它是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個(gè)發(fā)光二極管單元(多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)顯示)；按能顯示多少個(gè)“8”可分為1位、2位、4位等等數(shù)碼管，由于它的價(jià)格便宜、使用簡單，在電器特別是家電領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛[9]。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)遵循模塊化、系統(tǒng)化設(shè)計(jì)理念。設(shè)計(jì)方案分為物理矯正、恒溫?zé)岱蟆⒄駝影茨σ约半娫茨K四部分[10]。

矯姿儀物理矯正的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。物理矯正由肩帶、腰腹部帶和一對牽引帶組成。肩帶和腰腹部帶的主面上均設(shè)置有透氣孔，在熱敷時(shí)可散去多余熱量，防止持續(xù)溫度狀態(tài)下的低溫燙傷，保護(hù)肌膚。腰腹部帶中間呈向上凸出狀、較寬，符合人體工學(xué)特征，不易對腹部造成勒痕，較為舒適[11]。牽引帶采用高輕彈材料，與市面上現(xiàn)有的普通矯正帶相比，矯正效果更好，同時(shí)具有更佳的實(shí)用性。

圖1 物理矯正的組成

系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本矯姿儀的創(chuàng)新點(diǎn)是在單純物理矯正的基礎(chǔ)上增加了熱敷按摩功能，增強(qiáng)了背部肌肉群的力量，既加強(qiáng)了矯正效果，也提高了用戶的舒適度。

本矯姿儀選擇5V電源供電，振動按摩與恒溫?zé)岱缶趩纹瑱C(jī)STC89C51來控制。

恒溫?zé)岱竽K由溫度顯示，上下限溫度設(shè)置，繼電器，加熱電路四部分組成。其中溫度顯示使用溫度傳感器DS18B20來進(jìn)行溫度信號捕捉，使用4位共陽極數(shù)碼管顯示數(shù)字溫度[12]。穿戴矯姿儀熱敷時(shí)背部溫度可直觀顯示，溫度低于或高于所設(shè)定的上下限溫度時(shí)都會觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)控制繼電器吸合或斷開，開始或停止加熱，并且上下限溫度均可自由設(shè)置。

按摩是通過電機(jī)轉(zhuǎn)動達(dá)到效果，并可定時(shí)1～30min，滿足不同用戶的個(gè)性需求。

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.4.1 程序設(shè)計(jì)思路

通過DS18B20溫度采集模塊將溫度經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)部將采集的溫度與設(shè)置的溫度進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果驅(qū)動不同的繼電器。

1.4.2 程序流程圖

主程序流程圖如圖3所示。

2 實(shí)物評測

2.1 測試恒溫?zé)岱竽K

通過按鍵模塊將上下限溫度設(shè)置成相同數(shù)值，即為目標(biāo)溫度，啟動后以2℃/s的速度開始加熱，到達(dá)目標(biāo)溫度后開啟恒溫模式。到達(dá)不同目標(biāo)溫度所需的時(shí)間如表1所示。

表1 到達(dá)不同目標(biāo)溫度所需的時(shí)間

2.2 測試定時(shí)振動按摩模塊

通過定時(shí)振動模塊的按鍵設(shè)置振動時(shí)間，啟動定時(shí)模塊，當(dāng)時(shí)間到達(dá)定時(shí)時(shí)間后振動停止，按摩結(jié)束。不同定時(shí)時(shí)間與實(shí)際運(yùn)行時(shí)間的對比如表2所示。

表2 不同定時(shí)時(shí)間與實(shí)際運(yùn)行時(shí)間的對比

(誤差為負(fù)，表示系統(tǒng)定時(shí)時(shí)間比實(shí)際運(yùn)行的時(shí)間慢)

2.3 矯姿儀穿戴測試

實(shí)驗(yàn)者將矯姿儀穿戴好后，接通電源進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。打開熱敷電路和定時(shí)振動電路，將熱敷電路的溫度區(qū)間設(shè)置為40℃～50℃，按摩時(shí)間設(shè)置為1 min～30 min。啟動儀器，實(shí)驗(yàn)者能明顯感受到熱敷及振動按摩，在背部姿勢得到糾正的同時(shí)，勞累感也得到了明顯的緩解，在一定程度上也有利于活血化瘀，加快血液循環(huán)，協(xié)調(diào)各肌肉塊間的均衡性。

圖3 程序流程圖

3 結(jié)果

通過對多位實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行測試，可以確定該產(chǎn)品具有以下功能：

1) 具有物理矯正功能，通過牽引帶調(diào)節(jié)人體姿勢。

2) 具有恒溫?zé)岱鬆顟B(tài)下的按摩功能，對使用者背部進(jìn)行熱敷，再結(jié)合按摩，能有效促進(jìn)背部血液循環(huán)，增加舒適程度，使矯正過程更易被接受。

3) 可設(shè)定時(shí)間對使用者背部進(jìn)行按摩，也有利于活血化瘀、加快血液循環(huán)、協(xié)調(diào)各肌肉塊間的均衡性。