基于PWM调光坐姿远程矫正器设计

[19]。2021年，JournalofEngineering在<《PatentApplicationTitled"SittingPostureDetectionandReminderMechanismforaToilet"PublishedOnline》文中谈到智能视力保护系统主要由超声波测距装置与光线检测装置组成，通过设定测试距离，实践制作并调试。综合目前国内外发展情况不难看出，现在国内外已经逐渐出现了视力保护软件，本系统的优势在于可实现青少年的坐姿管理，通过远程监控可以及时的纠正青少年的不良坐姿，预防青少年近视眼的出现。1.3主要研究内容本系统主要是开发一款基于PWM调光坐姿远程矫正器设计。从保护学生视力的角度出发，提出了一款基于STM32单片机的具有感光检测、距离检测、远程蓝牙监测、参数设置、报警提示等多种功能的身姿矫正及视力保护系统。通过对系统的软件设计和硬件设计，研究并制作出可以达到预期目标的实物。其中硬件设计分为驱动电路、电源供电电路、定时电路以及蜂鸣器报警电路等，软件设计则是利用C语言编程,在STM32单片机基础上对电路进行控制通过实物验证和仿真证实此设计能够起到保护学生视力的作用，为持续开发和应用提供了基本的知识和技术支持。该系统应完成的主要功能有:1.当超声波测到使用者身体（脸部）到写字台的距离低于设定的阈值时，会有语音播报提示“距离太近，请坐直”，用来提醒使用者及时调整座姿。2.自动检测所处位置的光线，当光线的亮度高于阈值上限会进行语音播报“光线太亮，请调暗灯光”如果光线的亮度低于阈值下限就会播报提示音“光线太暗，请调亮灯光”以便提醒使用者调整光亮强度。3.能够检测学习进行的时间，当学习的时间达到30分钟时会播报提示音“学习时间到了，该休息一下了”，提醒使用者该休息了。4.能够自动调节光强，如果光照强度高于上限系统就会自动降低光照强度，如果光照强度低于下限系统就会自动提升光照强度。这样就能够很好的保护视力。

第2章系统总体结构2.1设计方案该基于PWM调光、坐姿远程矫正器设计系统的软件设计和硬件设计都是在STM32单片机的基础上实现的。根据预期所想的功能来设计，硬件部分采用了蓝牙远程模块，降压模块，语音播放等原理，软件部分则编写程序对相应模块进行控制。通过运用仿真和实物验证，保证该系统能够拥有预期所想的所有的的功能，并兼顾着超高的性能。希望这次设计能在坐姿矫正这个领域中发光发热，能够更好的保护青少年和儿童的视力，降低近视眼疾病的发病率，为社会做贡献的同时也拥有很好的市场推广价值。2.2功能需求分析2.2.1技术路线：（1）硬件部分需要STM32单片机、光照传感器、蜂鸣器、超声波传感器、蓝牙远程APP模块等；（2）软件平台程序用keil5；（3）画原理图用AD；（4）编程语言用C语言；（5）坐姿检测信号显示查看；2.2.2预期结果：通过对系统的布设和完善，最终完成的基于PWM调光、坐姿远程矫正器设计.系统预期有如下成果:1.当超声波测到使用者身体（脸部）到写字台的距离低于设定的阈值时，会有语音播报提示“距离太近，请坐直”，用来提醒使用者及时调整座姿。2.自动检测所处位置的光线，当光线的亮度高于阈值上限会进行语音播报“光线太亮，请调暗灯光”如果光线的亮度低于阈值下限就会播报提示音“光线太暗，请调亮灯光”以便提醒使用者调整光亮强度。3.能够检测学习进行的时间，当学习的时间达到30分钟时会播报提示音“学习时间到了，该休息一下了”，提醒使用者该休息了。4.能够自动调节光强，如果光照强度高于上限系统就会自动降低光照强度，如果光照强度低于下限系统就会自动提升光照强度。这样就能够很好的保护视力。2.3总体方案设计第一：进行理论准备，充分理解本次设计的课题，通过阅读大量相关书籍，运用大量的时间把课题所涉及到的内容进行充分的研究，并且能够将与本次课题相关的知识研究透彻； 第二：确定系统的各个模块，查清并准确梳理各个模块之间的关系，收集并整理出之前调查之中与之有关系的软硬件资料； 第三：进行课题规划，确定系统组成结构，勾画出大体系统框架并在结构框架的基础上提出原理框图； 第四：利用软件画出各部分电路图并且完成硬件电路的部分设计，然后通过接口电路将系统部件集合在一起，进而画出电路图； 第五：完成软件设计部分，并精准绘制出主流程图； 第六：进行模拟仿真，检查系统是否能够按照要求实现控制功能，整理论文。2.4单片机型号选择主控制芯片选择STM32F103C8T6芯片,原因是

该系列单片机是一款高性能,功能强大的系列单片机，该系列单片机常用于要求低成本、高性能和低功耗的嵌人式应用程序，其在功耗和集成方面也展现出良好的性能。由于其便捷的工具和简单的结构并且结合了强大的功能性在业界很受欢迎。本实验采用的最小系统如下图。图2-1STM32fl03c8t6最小系统原理图

第3章系统的硬件部分设计3.1系统总体设计该基于PWM调光、坐姿远程矫正器设计系统的软件设计和硬件设计都是在STM32单片机的基础上实现的。根据预期所想的功能来设计，硬件部分采用了蓝牙远程模块，降压模块，语音播放等原理，软件部分则编写程序对相应模块进行控制。通过运用仿真和实物验证，保证该系统能够拥有预期所想的所有的的功能，并兼顾着超高的性能的。希望这次设计能在坐姿矫正这个领域中发光发热，能够更好的保护青少年和儿童的视力，降低近视眼疾病的发病率，为社会做贡献的同时也拥有很好的市场推广价值。（1）硬件部分需要STM32单片机、降压芯片、蜂鸣器、有语音播放芯片、蓝牙远程APP模块等； （2）软件平台程序用keil5； （3）画原理图用AD； （4）编程语言用C语言； （5）坐姿检测信号显示查看；总体原理图如下所示：图3-1总体原理图3.2系统的主要功能模块设计3.2.1坐姿报警电路设计每次使用者坐姿很标准来读书工作时，水银的滚珠是处于最底端的，和上面的整体电路是断开的状态，所以电路就会处于断路状态;但是如果使用者写字或工作疲惫出现弯腰驼背的情况发生时，整个电路便会接通，即水银的滚珠便会滚向上方电路相连，使用者听到滴滴声就会立马挺直身体。当使用者姿势调整端正的时候，传感器便再次处于竖直状态，然后电路断开，传感器断路，就不会发出响声。通讯命令，它是支持异步串口通信，8位数据位，

没有校验位没有流控制,。这里也要注意，要把所有的参数都要设置的丝毫不差，一旦有一点偏差都进行不了通信。调试的时候利用串口调试助手就可以，并且要注意在发送数据的时候，.要勾选上以十六进制发送数据。图3-2语音播报模块原理图3.2.2电源供电模块设计LM2576系列是美国的一家国家级半导体公司生产出来的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，它其中内含固定频率振荡器(52kHz)和基准稳压器(1.23V)，并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。为了产生不同的输出电压，通常将比较器的负端接基准电压，正端接分压电阻网络，这样可根据输出电压的不同选定不同的阻值，其中RI=1k(可调AD时开路)，R2则分为许多的型号，这些电阻我们都依据型号不同已在芯片内部做了精确调整因而无需使用者考虑。将输出电压分压电阻网络的输出同内部基准稳压值进行比较,

若电压有偏差，则可用放大器控制内部振荡器的输出占空比从而使输出电压保持稳定。电源供电模块‎‏原理图如下图。图3-3电源供电系统原理图3.2.3光强度感应模块设计BH1750是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。这种集成电路能够收集光线强度并根据其进行亮度调整，其广泛应用在在农业气象、温室控制、智能建筑以及数码领域等上面，并拥有不可或缺的作用。由于它的分辨率极高，所以我们可以探测到很大范围的光照强度变化。BH1

750的内部由光敏二极管、运算放大ADC采集、晶振等组成。对应广泛的输入光范围，其最小的误差变动在±20%，，而且受红外线影响很小。BH1750是一种数字式光强度传感器，它采用了CMOS技术，并内置了光敏电阻、放大器和A/D转换器等组件，以实现对光强度的准确测量，所以其常用于测量环境光的强度。BH1750的工作原理如下：光敏电阻感应光线：BH1750内部集成了一块光敏电阻，它的电阻值会随着照射在其表面的光线强度而变化。当光线照射到其上时，光敏电阻会感应到光的能量，并将其转化为电阻值的变化。放大和滤波：BH1750内部的放大器会放大光敏电阻的信号，以增强其检测能力。同时，传感器还会对信号进行滤波处理，以去除噪声和干扰，确保测量结果的准确性。A/D转换：经过放大和滤波后的信号将被送入内置的模数转换器，其能够将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便于后续的数字处理和输出。数字输出：BH1750将转换后的数字信号通过I2C总线输出给连接的主控器或其他设备。主控器可以读取这些数字值，并根据其大小来确定环境光的强度。总结起来，BH1750利用内部的光敏电阻感应光线的能量，经过放大、滤波和A/D转换等处理，最终将光强度转换为数字信号输出。这使得BH1750成为一种方便、精确的环境光测量解决方案。其主要有以下几个优点： 1、体积小，普遍应用在室内光照检测、蔬菜、苗圃、温室大棚等多种地方2、其内部包含通信电平转换，与5V单片机I0连接，支持STM32/51/ardunio3、采用ROHM原装BH1750FVI芯片 4、XH2.54接口连接线，方便客户DIY图3-4光强度感应模块原理图

3.2.4超声波测距模块设计HC-SR04超声波模块的应用范围非常广阔，其主要运用在移动机器人的探测和定位、工业领域的位置测量、倒车测距提醒、现场的位置监控等等许多场所之中。HC-SR04超声波模块主要是由两个通用的压电陶瓷超声传感器，并加外围信号处理电路构成的。两个压电陶瓷超声传感器，一个用于发出超声波信号，一个用于接收反射回来的超声波信号。由于发出信号和接收信号都比较微弱所以需要通过外围信号放大器提高发出信号的功率，和将反射回来信号进行放大，以能更稳定地将信号传输给单片机。工作原理：(1)采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号;(2)模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；(3)如果有信号进行返回，则通过IO口ECHO输出一个高电平，超声波从发射到返回的时间就是高电平持续的时间。本模块一个控制口发一个10US以上的高电平,然后等待高电平输出.有输出之后打开定时计时器，当此口变为低电平时就可以读定时器的值,方可算出距离.如此不断周期测，即可以达到你移动测量的值。初始化时将echo和trig端口全部都置低，首先向给trig发送至少10us的高电平脉冲，然后捕捉echo端输出上升沿，然后用定时器开始计时，再次捕捉echo的下降沿，然后读出计时器的时间，这就是超声波在空气中运行的时间，就可以算出超声波到障碍物的距离。原理图如下图。图3-5超声波测距原理图3.2.5电量统计模块设计电源管理是指给不同的组件分配不同的电源，并保持他们的有效合理。现在有越来越多的移动设备都依赖于电池电源，这其中至关重要的就是电源管理。其能够将电池寿命延长两到三倍，它可以通过降低组件闲置时的能耗来完成这项功能，电源管理技术是集网络组建，自动控制，现代电力，电力变换等多学科于一体的边缘交叉技术，现在有越来越多的应用领域都得益这项技术的支持才能够进行大力发展。电源管理分立式半导体器件分为整流器和晶闸管型和三极管型两大类，包含功率双极性晶体管，功率场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。计量采样方式目前支持两种采样方式：脉冲采样：计量芯片在固定时间内，输出一定的脉冲数来标识采样数据串口采样：计量芯片通过UART通信传输采样数据电量统计组件支持多种电量统计芯片，可根据硬件电路进行选择，详细的说明如下：BL0937：脉冲采样，采样电阻1R/2R可选HLW8012：脉冲采样，采样电阻1R/2R可选HLW8032：串口采样，采样电阻1RBL0942：串口采样，采样电阻1R，免校准芯片，如果要通过产测进行校准，供电电压必须和默认值0误差，一般需要在交流电源上校准。 第4章系统的软件设计4.1单片机初始化流程图首先进行单片机初始化，流程图如下。图4-1单片机初始化流程图4.2距离传感器模块设计当用手或者一遮挡物模拟身体，当靠近距离传感器达到并超过阈值时候，语音系统就会进行报警“距离过近请调整坐姿”。图4-2距离传感器模块流程图4.3灯光强度模块设计当照射灯光强度过强超过阈值时候，进行语音播报同时系统自动调低灯光亮度。图4-3灯光强度模块子程序流程图第5章系统测试5.1系统实物图该系统主要包括STM32F103C8T6单片机、LM2576-5降压芯片、HC06蓝牙模块、HC-SR04超声波传感器、BH1750光感应传感器、JQ6500语音播放芯片、喇叭、L298n驱动芯片、5伏LED灯带、18650锂电池等。图5-1系统完整实物图5.2测试原理 测试用的例子一定要全面的包括想要测试的全部功能，应该输入的数据以及预期想要达到的结果。基本目标是：最好能够发现带有某个错误或某类错误的测试数据，以便进行改正，在测试的时候一定要覆盖全面，避免因为遗漏从而导致的测试失败。并且我们可以运用使用者的实际数据用来验证这个系统是不是按照需求规格说明书上的要求制作而成的。系统测试是软件开发过程中的关键环节，旨在验证系统的功能、性能和稳定性。系统测试原理基于以下几个关键概念：需求验证：需求验证就是为了验证系统是否是按照预期的要求来进行设计的，是否有疏忽忘记的地方。测试人员将会根据需求文档和规格说明书，进行测试来检查系统是否满足功能需求。功能测试：功能测试是系统测试中最主要的一部分，其主要就在于验证系统能否完成预期所想的各项功能。测试团队会进行多次验证，覆盖到所有的功能点，保证其功能正常，并在各种输入条件下检查系统是否符合预期的效果。性能测试：性能测试是评估系统在特定负载下的性能和资源利用情况。通过对使用情况进行模拟，进而测量出系统的响应时间、吞吐量等指标，以确保用户在真实工作的时候的表现能够符合要求的标准。兼容性测试：兼容性测试是测试系统的兼容性，测试人员将系统在不同的操作系统上分别进行运行并验证其兼容性是否合格，而且还会测试系统在各种配置下的稳定性和一致性，以确保系统能够在不同环境中正确运行。安全性测试：安全性测试是根据系统对潜在的威胁和攻击产生的防御能力进行评估。测试人员会模拟使用各种安全漏洞和攻击场景，以此来评估系统的安全性和保护机制。缺陷管理：测试团队会将测试中发现的问题一一进行记录，并一直跟踪，争取找出问题的所在，然后进行分类并进行严重性评估，以便开发团队修复和验证问题的解决。5.3测距传感器功能测试图5-2测距传感器实物图对单片机上电供电之后，电路导通，单片机初始化之后，传感器进行数据采集工作，并将所采集到的数据，通过转换，将信号发送至单片机，对传感器阈值进行设定，当监测到有物体太过于接近传感器时候，会有灯亮提醒并伴随语音播报距离太近，请调整坐姿。5.4蓝牙模块功能测试图5-3蓝牙连接实物图5-4坐姿错误报警显示通过连接蓝牙我们手动设置了光强度上限与下限，提示坐姿正确，当我们用手遮挡测距传感器来模拟坐姿不正确，则会显示坐姿错误并且报警，从而用来提醒使用者调整坐姿。并且我们可以在手机端进行上下限的更改。5.5光照强度功能测试5-5光照强测试可以通过手机端看到当前的一些数据，当光照强度过高会有语音提示进行报警提示光照强度过高请调暗灯光，灯光随后会自动变暗，当光照强度过低时会有语音提示报警提示光照强度过低请调亮灯光。

第6章总结与展望6.1总结历时几个月我的论文终将告一段落，从最开始的一无所知，到慢慢的去了解，去学习再到渐渐理清思路，知道自己要做什么，该怎么做。整个过程真的是一言难尽，回头看看这段时间的经历，也是滋生了很多的感悟，当然在这个过程中我也获得了许多难忘的回忆和收获。当然过程可能并不是那么一帆风顺的比如说：在焊接电路的过程中由于技术的不熟练甚至不经意间焊接出现了短路，两个点焊接到了一起导致最后结果无法显示。系统软件也不是那么的好调试，在调试过程中经常出现一些小问题令我感到很烦恼。但是在老师的精心辅导以及在网上查询资料下，终于发现了问题出自哪里，并及时改正了设计中不科学的地方以及出现的一些小问题。本设计通过stm32单片机作为主控单元，各种芯片处理电路，并利用stm32单片机实现计时功能，基于stm32单片机的汇编语言来进行软件设计，通过测试，我们完美的实现了此次设计应该有的功能，顺利的完成了本次设计。在设计过程中多亏了老师们和同学们的辛勤帮助，为我省下来了很多时间。在设计过程中才体会到了理论知识和实际是有多么的不同，在实际动手过程中，看似简单的一些小问题有时都需要反复思考动手才能解决掉，我添加了大量工程实际操作知识在设计实践中，巩固原来没有的理论知识，提高实践能力，受益匪浅当然，本次设计还不是那么的完美，只能简单的控制使用者低头来进行语音播报，还没有设计出具体的角度，，这也是我们今后需要努力研究和改进的地方。

6.2展望随着互联网的高速发展，手机、电脑等电子设备也变得随处可见，在任何地方都能看见许多小朋友拿着这些电子产品玩游戏、看动画片，而随之增长的是逐年增高的10岁以下儿童近视占比。就连青少年现在的近视眼患病率也是不断增加。自从照明领域引入了LED光源之后，传统光源就逐渐淡化在社会中了，转而被LED光源取代了，成为了照明的核心领域。造成这种现象的根本原因就是因为LED光源耗能少、寿命长等，除此之外，LED光源有一个区别于传统光源的最明显的一个特点那就是可控性强。随着这个社会的发展高速进步，产品的技术含量也是越来越高，产品功能也越来越趋向以人为本的多方面发展。在远程坐姿矫正器这块产品研发之中，我们将围绕着以人为主体，运用人和机器的交互关系，希望使远程坐姿矫正器能够不断克服遇到的各种问题，逐渐完善各种现在只能预想的功能，最终能够开发出一种一机多用的新型远程坐姿矫正器。如下是我未来想要完成的方向，我也希望在不久的将来能够真正的研发出一种能够适用于所有的人群，高性价比的远程坐姿矫正器。（1）能够通过众多传感器来实现对于距离的感，知并在距离不合适的时候进行语音警报。（2）选择合适的单片机传感器进行更为精确的数据采集以及监测，从而达到更高的精确度来进行测距。（3）尽管模拟仿真的成功说明了全部设计可以达到控制极为精确的程度，可是全部的系统软件还具有一些问题和可以优化的地区，必须在以后的时间探讨研究并逐渐进行完善。（4）在日后的作业和学习中，仍然需要对测距精度加强提高。还需要尽可能的减少产品大小，从而更方便青少年学习使用。（5）还可以努力寻找能够在不削减功能情况下拥有更高性价比的零件，提高整体的性价比，使其变得更加人性化，更加广泛。

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附录电路图源代码#include"delay.h"#include"sys.h"#include"timer.h"#include"usart.h"#include"BH1750.h"#include"dht11.h"//#include"ds18b20.h"#definePB5PBout(5)//PC13 #definePB6PBout(6)//#definePB7PBout(7)#definePB8PBout(8)#defineLEDPCout(13)#definebeepPBout(9)//蜂鸣器#definePC15GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC,GPIO_Pin_15)unsignedchargeq1[]={0x7E,0x04,0x03,0x00,0x01,0xEF};//播放第一段内容unsignedchargeq2[]={0x7E,0x04,0x03,0x00,0x02,0xEF};//播放第二段内容unsignedcharfs_sz[]="000Cm0000.0Lux500100坐姿正确";unsignedcharfs_sz2[]="000Cm0000.0Lux500100坐姿错误";unsignedintyz_sl=300;//光强度上限unsignedintyz_xl=100;//光强度下限unsignedintzkb=20000;u16hw=0;unsignedcharbb_flg1=0;unsignedcharbb_flg2=0;unsignedcharbb_flg3=0;unsignedcharly_da=0;u16msHcCount=0;//定时器中断计数unsignedcharfm_flg=0;unsignedintgxbz=0;unsignedinttime=0;externunsignedcharjs_dat[10];voiddde(u16time){u16i=0; while(time--) {i=12000; while(i--); }}voidsend(unsignedchardata){USART1->DR=data;while((USART1->SR&0X40)==0);//等待发送结束}//voidsend1_str(unsignedcharzfc[26])//{unsignedi=0;// // for(i=0;i<26;i++)// {// send(zfc[i]);// }//}voidsend1_str(unsignedchar*dat){while(*dat!='\0'){send(*dat); dat++;}}voidsend2(unsignedchardata){USART2->DR=data;while((USART2->SR&0X40)==0);//等待发送结束}voidsend2_str(unsignedcharzfc[7]){unsignedi=0; for(i=0;i<6;i++) { send2(zfc[i]); }dde(550); //while(busy==1);}voidGPIO_Config(void)//配置PA2,PA3{GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;/*GPIOAclockenable*/RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Per