【基于单片机的低功耗坐姿检测系统设计8600字（论文）】

.绪论1.1引言随着时代的变迁和科技的发展，无论时学习还是工作都要求长时间在办公桌前坐着，人的不正确的坐姿带来的危害也越来越大。根据充分的医学证据表明：在现代生活中，长时间保持不良的坐姿会对人体健康造成一定的危害，大大增加职业性肌肉骨骼疾病患病的概率，并且给人体造成头疼，影响工作效率，所以其中健康问题不容小觑[1]。1.2课题研究的背景和意义安德森癌症中心致力于研究癌症，在他们最新的实验中发现坐姿时间过长的人患癌风险相比自由活动工作者增加了82％。久坐是隐藏在生活中的刽子手，不得不久坐的人，更需要注意自己正确的坐姿。不良坐姿首先侵害的就是脊柱系统。随着人坐立的时间加长，弯腰含胸的坐姿对腰椎和颈椎的压力会随之明显增加，腰部背部酸痛仅是轻症，发展到腰椎间盘突出，甚至患上颈椎病就十分严重。久坐的魔爪下一步就会入侵血液循环系统，由于坐姿的问题血液在血管中流动循环变慢，深静脉中形成不正常的凝结引起下肢血栓。2021年3月发布在《美国医学会期刊》的一篇研究报告明确指出坐姿的时间长短和癌症之间确实有关，但是正确的坐姿和适宜的运动会缓和久坐带来的不良影响，对于不得不久坐的人群来说，规划好自己工作学习的时间，和板凳“保持适当距离”可以抵御癌症的来袭。西安体育学院在2008年曾对于十种常见的坐姿进行实验，针对腰部竖脊肌的肌肉动作的肌电图的测量得出[2]，可以让腰和脊椎部位最放松的坐姿就是最简单的将腰板挺直，不含胸不驼背眼睛直视前方，不要翘二郎腿。综上所述，实时监测坐姿的设计可以随时提醒人们自己的坐姿发生了偏移，通过自我调节姿势，也可以提醒工作或者学习的人劳逸结合，适当活动身体。本课题设计的目的和意义如下：（1）填补青少年坐姿检测监控产品空缺的问题。本课题设计开发坐姿检测监控系统，是根据青少年学习行为习惯中存在的容易导致近视的共性问题进行设计和研发的。比如坐姿不端正，导致眼睛离桌面很近造成近视，比如学习工作时间过长造成颈椎等问题，课题针对多种情景设计坐姿检测监测数据，实现自动智能提示，填补了市场的空白。（2）倡导健康坐姿，注意劳逸结合。本课题设计的坐姿检测监控系统的使用，重在通过本产品的使用，培养学生、青少年以及久坐群体对于视力保护的关注和重视。通过产品的使用，养成良好的习惯，让健康学习工作的观念深入人心。1.3国内外相关研究目前，国内外坐姿监测的研究主要分为两个方式，一类是通过与人体接触的传感器采集不良坐姿的信息，另一类是基于计算机视觉的人体姿态识别。刘少华通过压力坐垫和写字板实时采集用户的坐姿信息与环境参数[3]。为了得到用户保持坐立状态时腿部和臀部的压力数值，所用到的是柔性阵列压力传感器，再通过由温度等外部环境感触的传感器组成的写字板采集参数。将这些数据汇总最终通过手机APP传送至用户，实现实时监测的功能。郭立祺等人的团队结合压力传感器和摄像仪器进行监测，分为下机位和上机位[4]。下机位由STM32单片机和压力传感器，通过1024压力点采集压力值，找出不同姿态下人体坐姿的施力分布状况。上位机通过树莓派摄像头采集坐姿数据，用基于Pyqt5开发的图形界面对数据进行存储，并接收下机位的传感器数据，显示人体骨架实时画面和人体姿态数据。AnwaryArifReza等人的团队开发出一种名叫Smart-Cover的自动化系统，提供实时可视化和关于坐姿的信息[5]。利用Velostat、导电织物和泡沫材料构建坐姿压力传感器（SPS），采集座椅表面压力分布信息。通过从十名健康青年受试者采集数据，通过基于规则的分类器及时向用户通报坐立时长和不规范坐姿的程度，具有医疗和社会效益。GiovanniDiraco团队设计的就是一款基于计算机视觉，通过角度传感器实现坐姿识别[6]。该系统通过摄像头采集坐姿数据，再利用计算机算法将图片信息编码，通过实验对一系列编码分析，从而实现功能。因此，国内外对于实时监测系统一直在不断研究与发展中，从一开始“穿戴式”监测装置到“被动式”坐姿，再到与计算机视觉类监测结合，实现通过APP实现监测的同时与用户交互。1.4课题研究设定的目标本课题的主要任务是采用低功耗的微控制处理器实时监测人体坐姿的设计与研究。它的设计目标是当人体坐姿发生偏移，与预设值不同时蜂鸣器发出语音提醒用户，同时兼备时钟，闹钟的功能，到了预定的时间也会发出声音提醒用户注意放松休息。以上预设坐姿偏移值和闹钟的功能都可以通过按键调整，也可以通过蓝牙模块连接手机端进行调整。硬件的主要任务是绘制系统电路图，软件部分主要是绘制流程图和编写程序。预计达到的主要功能是：（1）设定符合自己的人性化坐姿数据，实现当用户坐姿出现不规范时，通过语音模块提醒用户及时调整坐姿。（2）设定最佳工作和学习时间，实现定时提醒用户休息的功能。（3）通过蓝牙模块连接，实现用手机APP操作控制设定数值。2.方案确立2.1方案设计根据设计的系统需要，这次设计通过使用STM32F103C8T6最小系统板，制作出一款能够达到实际需求的多功能坐姿检测系统。系统的硬件构成包含：STM32F103C8T6单片机模块、MPU6050传感器模块、ISD1730语音播报模块、键盘模块、1602液晶显示模块等。系统的结构框如图2-1所示。图2-1系统总体方案框架2.2模块的分析2.2.1主控模块方案一：选择STM32F103C8T6最小系统板，来完成传感器数据的收集和处理。STM32F103C8T6单片机是目前主流的单片机。支持32位数据的处理，运行速度可以达到700MHZ。内存存储ROM空间也比传统的单片机大很多，自带ADC和EEPROM闪存，具备多个定时器。方案二：采用AT89X51单片机作为为控制AT89X51单片机满足单片机的基本特征，其外部是DIP40的封装样式，资源方面具有32个基本的IO口，5个中断系统，由于ATM是世界知名的芯片设计公司，市场占有率很高，因此许多大学都采用ATM进行单片机基础教学[7]。这种微控制器既便宜又易学。AT89X51微控制器是10年前的芯片，尽管已通过技术进行了迭代，也改进了过程和稳定性。但是该芯片采用的是8051内核，仍然只是8位的单片机，其运行速度以及处理能力等都不及32位的STM32单片机。另外STM32单片机芯片本身集成了高精度的ADC，不需要扩展其他芯片，大大的降低了设计的成本开支。综合考虑设计要求，采用低功耗、低成本、高效能的STM32F103RCT6单片机最为主控。2.2.2坐姿检测模块坐姿检测模块首先能想到的就是测距传感器，其中红外传感器的测距功能安全，便宜，易于制造。但是红外传感器的缺点是由于距离太近精度不高。若使用激光测距，其特征是它虽然足够准确，但是短距离的激光测距会对人体造成一定的伤害，且成本高，违背了低成本以及服务用户健康的准则。而MPU6050却可以弥补测距传感器的不足，减少封装空间带来的成本。拥有MPU解算库可以直接输出所需要的格式和数据，性价比高。选择MPU6050更加适合本次设计的系统。2.2.3远程控制模块远程控制模块常用的有HC-05蓝牙模块和JDY-31模块。相比HC-05，JDY-31成本更低，使用更加方便快捷，使用SPP蓝牙串口软件实现短距离无线通信。2.2.4语音提示模块通过了解得知，ISD2560系列和ISD1730系列的语音芯片都是采用SPI工作模式，二者功能都是很强大。但根据所需本次设计采用ISD1730,它拥有独立和嵌入式双运作模式，可以按照用户要求录下想要呈现的语音，更加智能符合构思。2.2.6按键显示模块常见的按键模块有独立式按键和矩阵式按键。独立按键适用于按键数量较少，各个按键与输出输入端口直接相连。相比于矩阵式按键的行列扫描方法，独立按键更加简单便利，编程容易许多。考虑到本次设计方案所需按键数量，选择独立式按键。关于显示模块由两种方案，分别是采用OLED液晶和采用LCD1602液晶。OLED是一种字符汉字点阵液晶，显示方格是由126*64的像素点构成的屏幕，可以显示字母与符号组合或数字与符号。显示清晰度高，功耗很低，属于比较受欢迎的液晶显示模块。LCD1602液晶能够显示数字和字符，其与数码管相比可以显示更多的信息，数字、字母都可以通过它来显示。因此LCD1602的显示信息丰富且显示画面简约美观。相比较OLED价格稍高。综上分析，使用1602液晶符合本课题的设计，其画质清晰更好地体现了人机交互性质，因此选择1602液晶作为显示器件。3.硬件电路设计3.1主控模块电路设计3.1.1STM32F103C8T6简介设计坐姿实时监测系统时，考虑到需要低功耗、体积小、性能高等需求，因此主控芯片选择STM32F103C8T6。STM32F103C8T6单片机采用LQFP48封装设计，供电范围在2.0~3.6V，工作频率最高72MHz，具有64KB程序存储器，同时它具有非常丰富的内片外设，如定时器、实时时钟、GPIO口、控制器局域网、串行外接口、ADC、DAC等[8]。芯片一共引出44只引脚，能够满足一般的使用的需要，其中A口有A0-A15共16个引脚，B口有B0-B15共16个引脚，C口有C13-C15共3个引脚，D口有D0-D1共两个引脚。如图3-1所示为STM32F103C8T6芯片的引脚图。图3-1STM32F103C8T6的引脚图3.1.2STM32F103C8T6最小系统板STM32103FC8T6最小系统板芯片尺寸为32位，程序存储器是64KB，所需电压2V至3.6V。系统板虽小五脏俱全，其中包含MCU，串口接口以及相关主要电路构成，其他IO接口引出用于连接其他外部设备。如图3-1所示为最小系统板实物图。图3-2最小系统板实物图主要电路原理图的设计及功能如下所示：1.系统时钟电路整个STM32的系统板中，晶振电路的作用十分重要，它为STM32提供系统时钟，所有的外设工作等都依赖于该时钟，像一个人体心脏，为工作提供节拍。晶振电路中，外部高频选择两个20PF并联的电容和8M的晶振，与MCU中OSCIN与OSCOUT连接，协调各个部件工作；外部低频晶振选择两个20PF的电容并联与32.768KHZ的晶振与MCU的PC14、PC15相连。系统时钟的电路设计如图3-3所示。图3-3系统时钟电路图2.复位电路STM32的复位电路中的C2电容和按键并联，当按键被按下时,NRST引脚通过按键接地变为低电平，此时该电路将被复位。电容电压不会突变非常巧妙地解决了震动可能造成的复位错误操作，如图3-4所示:图3-4复位电路图3.启动模式电路BOOT1和BOOT0引脚电平不同，对应的启动模式也有所不动。BOOT[1:0]引脚分别为X、0时闪存存储器启动，为0、1时模式为系统存储器启动，为1、1时，内置SRAM被选为启动区域。根据不同的BOOT引脚确定不同的启动模式，启动模式选择电路如图3-5所示。图3-5启动模式电路3.1.3控制电路设计思路本次设计所使用的系统板STM32单片机的外部SRAM作为运行内存，内部FLASH可以用来储存程序，同样可以用来读写数据，功能就像51单片机的外部FLASH一样。传感器的输出一般是模拟电信号，所以用系统板的ADC接口PB0、PB1与MPU6050传感器连接；PA9、PA10为串口与蓝牙JDY-31模块相连实现串口通信；将PA8、PA11、PA12、PA15与语音播报模块相连，控制提醒功能的实现；单片机的PC13-15连接LCD1602的RS、RW、E管脚，单片机的ADC接口PA0-PA7连接LCD的DB0-DB7管脚，使LCD正常显示；STM32的PB4-5、PB8-9分别用于四个按键功能，调控对时钟、闹钟以及坐姿阈值的设置。3.2坐姿监测电路设计3.2.1传感器MPU6050简介当坐姿发生偏移时，MPU6050内部三个独立的陀螺仪发生旋转，电容式传感器就会监测到X轴，Y轴和Z轴上的振荡，通过解调和滤波产生与角速度成比例的电压使单独的ADC对三个轴进行采集数据[9]。MPU6050原理如图3-4所示。图3-4MPU60503.2.2MPU6050电路设计本系统中通过MPU6050传感器检测角度数据，MPU6050的输出是基于IIC总线协议与STM32最小系统板进行通信的，因此只需要两个STM32的I/O口，分别选用P16、P17就可以完成硬件的连接。电路图如图3-6所示。图3-6MPU6050传感器电路图3.3远程控制电路设计本次我们设计用的这个模块采用的是JDY-31这个型号。这个型号的模块集成了标准的蓝牙4.0协议。他的输出默认的波特率是9600。也就是说，单片机要驱动他，需要产生9600的波特率就可以和这个模块通信。蓝牙模块上的TXD也就是发送端，需要和STM32的PA9接通，模块上的RXD要和单片机的PA10接通。这样一方发送另外一方接收，才能实现相互通信。远程电路模块的电路图如下图3-7所示。3-7蓝牙模块电路原理图3.4语音播报电路设计该模块电路采用ISD1730，该芯片是目前同类型产品中较为创新的一款，拥有多种新功能，采用双运动模式，拥有前置扩音器与扬声系统，可根据用户需要定制语音功能。通过STM32的PA8、PA11、PA12、PA15四个I/O口与ISD1730连接，当坐姿偏移超过设定值时，语音播报模块启动，发出提前录好的人声起到提醒作用。相关电路如图3-7所示。图3-7ISD语音播报电路图3.5显示电路设计液晶显示模块需要显示三个部分的内容，分别是方便用户知道时间的时钟，用于用户设置坐立时长的定时器以及采集用户坐姿的X、Y轴数据。LCD1602液晶显示模块的DB0~DB7的8个I/O口引脚与单片机的PA0~PA7管脚连接，以便数据的传送与接收。RS端为数据/命令选择端与单片机的PC13口连接，R/W端为读/写选择端与单片机的PC14口连接，E引脚为使能端连接STM32的P15口。LCD1602中写数据工作状态，即：RS=1用来选择数据，RW=0对显示屏进行写操作，E=0。当P0口的管脚写“1”时，被定义为高阻抗输入，从而直接可使液晶显示器显示字符，电路如下图3-8所示。图3-8LCD1602电路图3.6按键电路设计由于本设计需要四个按键来选择设置数值，所以采用独立键盘，独立按键电路。STM32通过监测四个引脚上电平的变化来实现按键控制，按键按下电平变为低电平反之则为高电平。四个键盘中一个按键为进入设置状态，一个为退出调整，另外两个按键分别为增加数值和减少数值。按键1接STM32的PB4引脚，当该按键被按下时进入设置状态；按键2接STM32的PB5引脚，当该按键被按下时，实现设定值加1的功能；按键3接STM32的PB8引脚，当该按键被按下时，实现设定值减1的功能；按键4为退出调整设定值模式。按键模块电路图如图3-9所示。图3-9键盘电路图4.系统软件设计4.1主程序设计系统主程序执行的主要思路是这样的,首先在系统上电的时候就会先进行液晶、传感器、语音模块的初始化，初始化完成以后，就开始通过MPU6050采集角度传感器的数据，通过实时检测的数据与设定阈值进行比对判断是不是需要出发报警。为方便用户操控，将设定数值功能通过蓝牙模块同步，用户可根据需要实时调整作息时间安排。主函数流程图如图4-1所示。图4-1系统总体流程图4.2子模块程序设计4.2.1坐姿监测程序设计MPU6050程序读取的核心是通过IIC总线访问MPU6050加速度传感器的寄存器的获得16位二进制的数值，然后STM32处理转换就可以的到具体的角度。首先初始化MPU6050和IIC总线用到如下语句，复位后唤醒MPU6050需要设置寄存器为0X00才能正常工作：MPU_IIC_Init();//初始化IIC总线MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X80); //复位MPU6050delay_ms(100);MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X00); //唤醒MPU6050接下来res=MPU_Read_Len(MPU_ADDR,MPU_GYRO_XOUTH_REG,6,buf);得到X轴、Y轴、Z轴的原始数据，再通过if语句检测并返回值。完成数据转存后，利用角度数据计算后用if(mpu_dmp_get_data(&pitch,&roll,&yaw)==0)和MPU_Get_Gyroscope(&gyrox,&gyroy,&gyroz);等相关语句读取陀螺仪数据的欧拉角。MPU6050加速度传感器运作流程图如下图4-2所示。图4-2MPU6050加速度检测流程图4.2.2远程控制子程序设计本系统中采用JDY-31蓝牙模块与手机APP联通，实现对手机APP发送指令的接收任务。确认串口中断后单片机STM32与JDY-31蓝牙联通，随即关闭中断。这样可以防止数据重复。由于主函数后续将调用蓝牙端口发送地命令数据，所以需要将命令储存在相应的缓存区并解析。下图是串口中断接收流程图，如图4-3所示。图4-3蓝牙通信子程序流程图4.2.3语音播报模块程序设计本次坐姿监测系统播报是通过ISD1730语音模块来完成的，ISD语音模块在单片机的控制下可以实现自动语音播报。语音播报模块的程序执行过程是：首先需要初始化语音芯片。初始化后然后计算出每个语段需要播报的数字信息。然后播报的时候，系统分别调用每个字符的发音语段，并进行逐一的播报。播报完成后清理缓存。语音播报子程序如下图4-4所示。4-4ISD1730语音播报子流程图4.2.4显示模块子程序设计1602液晶的驱动其实和其他液晶驱动的方式都差不多。一般还是要通过控制线，数据线来共同完成驱动任务，并且要严格执行液晶驱动的底层时序。根据上面的流程图可以清楚地看出，一般驱动液晶首先要想清楚在液晶的什么位置显示。这就是所谓的液晶坐标的设置，LCD1602一共2行和16列,因此设定坐标就要设定在这个坐标范围内。需要显示在LCD1602的有三个部分，分别是时钟、定时部分、以及坐姿监测数据部分，以下为显示监测数据部分的语句：LCD1602_Show_Str(10,1,"Z");LCD1602_Write_Long(11,1,3,Z);//Z轴旋转LCD1602_Show_Str(0,1,"X");LCD1602_Write_Long(1,1,3,X);//X轴旋转LCD1602_Show_Str(5,1,"Y");LCD1602_Write_Long(6,1,3,Y);//Y轴旋转LCD1602液晶驱动的子程序流程图如4-5下所示图4-51602液晶显示子程序流程图4.2.5按键模块子程序设计在使用按键进行操作时，需要注意机械抖动对其的影响，按键按下与按键抖动都会引起相应I/O口电平的高低变化，因此，在程序确定按键按下ji时，需要在编译的按键扫描程序中加入一定的延时，以达到去抖的作用，然后再做一次按键的扫描识别，从而检测到按键端是否被按下。按键控制子程序的流程图如下4-6所示。图4-6按键控制子程序的流程图5.系统测试5.1传感器模块的调试STM32F103CB8T6是整个系统中的重中之重，调试的第一步就是检查单片机是否可以正常工作。STM32单片机需要3.3V稳压供电方可正常工作，这一部分做的比较好没有问题。MPU6050传感器的安装要主要提方向，在调试的过程中发现无论怎么移动实物都无法使语音播报发出警告，首先检查是否有焊接问题，再检查接线问题。检查后发现焊接一切正常，但是有一根红色的线没有接到正极上，导致无法正常运行。纠正错误后发现仍然没有偏移数据，于是进一步检查程序，发现采集MPU6050数据计算公式输入错误。经过修改后，移动实物可以检测到偏移，实物向右偏时，Y轴数据发生变化如图5-1所示。图5-1MPU6050调试图5.2蓝牙模块调试蓝牙模块可以远程控制，相当于按键功能，为用户提供更加便捷的调控方式，测试中出现了蓝牙模块接收不到控制指令的问题，经过检查发现是蓝牙模块的TXD与RXD和单片机RXD和TXD匹配错误，串口的波特率也应当设为9600BPS。调试后发现仍无正常工作，于是重新烧写程序。调试成功后的效果如图5-2所示。图5-2蓝牙模块调试效果图5.3显示模块调试本系统里面，我们在人机交互这一块，采用的是1602液晶来完成显示任务。但是在我们做的时候，调试液晶的时候，发现1602液晶怎么也不显示。给我带来了很大的麻烦。一开始我认为是程序驱动不行，于是就换了很多的1602液晶的驱动代码来驱动液晶，问题还是没有得到解决。后来我检查了硬件电路，发现是DB0-DB7当中有一根线断开了，就这个问题直接就导致了液晶不显示。用烙铁重新焊接后，液晶正常显示了。5.4系统综合调试系统软件的调试方法采用MDK4.7编译器对源程序进行编写,再通过KEIL软件进行编译，在此过程中遇到错误即时修改，程序最后以“.hex”格式生成目标文件，然后打开STM32系统板上ISP的开关，利用ISP下载方式将程序下载到STM32中。经过多次试错和纠正后，各个模块达到预期的设计设想，运行正常。整体调试如图5-3所示。图5-3整体调试结果图结论本次的设计课题实现了基于STM32单片机的低功耗坐姿检测系统。经过电路的设计，画制原理图和PCB，再到制板，编写程序代码和调试，实现了我想完成的一些基本功能。困难总是比想象中多，比如制板开始有点不会，后面做好的PCB之后，调试程序也请教了很多身边的同学和老师。现在已经实现的功能是：（1）坐姿实时监测及语音报警通过MPU6050加速度传感器检测人体坐姿，转换成具体的坐姿数据，根据程序设定，超过预定值时，语音播报器发出声音提醒用户，起到坐姿实时监测保护的作用。（2）键盘设置报警阈值通过自带的键盘实现对坐姿阈值参数的设置，当实时检测的数据超过设定值的时候就会自动进行提示。键盘实现了参数设定的功能（3）蓝牙无线监控系统实时检测的坐姿数据，通过JDY-31蓝牙模块无线方式发