呂若楠，郝傳柱

（山東華宇工學(xué)院，山東德州 253034）

0 引言

辦公座椅是在日常工作和社會(huì)活動(dòng)中為工作方便而配備的椅子。通過資料檢索和調(diào)查，大部分公司購置的辦公座椅都是普通的單一功能的座椅。如今的辦公場合越來越追求人性化，在購置辦公座椅時(shí)會(huì)考慮到舒適度的問題，對(duì)座椅的功能也會(huì)有一定的要求。多功能辦公座椅主要針對(duì)各種復(fù)雜辦公場景中，讓人引發(fā)的諸多不適進(jìn)行開發(fā)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 整體設(shè)計(jì)

多功能辦公座椅由主體、電源、機(jī)械結(jié)構(gòu)、智能控制系統(tǒng)、軟件程序、傳感器等一系列元器件構(gòu)成，其整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 整體設(shè)計(jì)圖

在座板、靠背、頸部位置上設(shè)計(jì)由3個(gè)小凸起組成的按摩器，座椅的側(cè)面加入折疊式手機(jī)支架的設(shè)計(jì)，座椅的輪子是可控制萬向輪，座板下方有控制底部萬向輪鎖定的開關(guān)。座椅的把手上是控制各個(gè)按摩模式的開關(guān)。

1.2 靠背按摩設(shè)計(jì)

座椅的靠背可以通過手動(dòng)機(jī)械裝置調(diào)節(jié)前后傾角，內(nèi)置溫控、振動(dòng)、腰部與頸和椎部有可控的凸起部分，實(shí)現(xiàn)支撐與按摩等功能，減輕頸部、背部、腰部的疲勞不適感。座椅的把手上有4個(gè)開關(guān)，分別為：①回旋氣流開關(guān)。調(diào)節(jié)產(chǎn)生回旋氣流的大小、時(shí)間；②按摩開關(guān)。調(diào)節(jié)按摩器開啟，可選擇頸部、椎部、背部、腰部等任意位置，調(diào)節(jié)按摩、振動(dòng)方式、頻率、力度等；③頸部位置調(diào)節(jié)開關(guān)。可根據(jù)使用者的自身情況不同，調(diào)節(jié)頸部靠背的位置，將頸部靠背調(diào)高，還可以按摩頭部；④折疊開關(guān)。可以選擇座板的前端折疊部分的角度、振動(dòng)頻率。

1.3 座板設(shè)計(jì)

座椅的座板為兩層，兩層中間內(nèi)置控制模塊、電源模塊和輔助模塊，單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心部件，輔助模塊內(nèi)含有感溫系統(tǒng)、傳感器等。座椅的板面具有可通風(fēng)透氣，實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)、振動(dòng)、按摩功能，年邁的老人或腰部不適的人，長時(shí)間坐著起身的時(shí)候，還可以提供助起功能，為防止助起時(shí)出現(xiàn)重心不穩(wěn)的情況，將底部的輪子鎖住，需要時(shí)再打開。按下助起開關(guān)，負(fù)責(zé)此功能的電機(jī)開始工作，支撐起座板上層，對(duì)年齡較大的老人和長時(shí)間坐著工作腰部不適的使用者起到助力作用。鑒于助起功能的特殊性要求所以助起功能按鍵采用輕觸式按鍵開關(guān)。輕觸式按鍵是一種點(diǎn)按式開關(guān)，使用時(shí)對(duì)開關(guān)的使用方向施加滿足內(nèi)部金屬彈片張力的外部作用力，開關(guān)即可接通。當(dāng)施加壓力小于滿足內(nèi)部金屬彈片張力的外部作用力，開關(guān)關(guān)斷，其核心結(jié)構(gòu)是金屬彈片受力變形以此實(shí)現(xiàn)接通與關(guān)斷的。選擇輕觸式按鍵開關(guān)作為助起功能按鍵開關(guān)是為了便于更輕松的達(dá)到控制要求功能，便于更準(zhǔn)確的保證助起的時(shí)長和角度，簡化程序編寫，擁有好的使用體驗(yàn)，功能實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確，效果也更好。

1.4 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通風(fēng)系統(tǒng)采用兩個(gè)散熱風(fēng)機(jī)組成，散熱風(fēng)機(jī)安裝于座板夾層中，而座板不設(shè)出風(fēng)口，將出風(fēng)口設(shè)置在靠背上，從而避免冷風(fēng)直吹對(duì)人體的傷害。座椅的靠背和座椅功能多、舒適度強(qiáng)，嚴(yán)冬溫暖舒適、酷夏有徐徐涼風(fēng)吹拂，不再因出汗而潮濕悶熱難耐之感，腰、背、腿、頸椎疲憊不適癥狀隨之得到緩解。由底部產(chǎn)生的回旋氣流，在座板氣腔和靠背上氣腔形成流動(dòng)通道，避免冷風(fēng)直吹對(duì)人身造成的傷害，座板和靠背均采用透氣的解決方案，既增強(qiáng)通風(fēng)，又解決了天氣炎熱造成出汗給人帶來的潮濕悶熱之感。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)框架

多功能辦公座椅的控制系統(tǒng)中用到的元器件與模塊如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架

2.2 控制系統(tǒng)方案

單片機(jī)是系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)采用Arduino Uno單片機(jī)作為多功能辦公座椅控制系統(tǒng)的主控芯片。STC89C51單片機(jī)在備選方案中。STC89C51單片機(jī)是由STC公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的微型處理器，該型號(hào)單片機(jī)使用時(shí)產(chǎn)生的功耗低、價(jià)格便宜、使用廣泛。選擇STC89C51單片機(jī)作為多功能座椅控制系統(tǒng)的主控芯片有一定的優(yōu)勢(shì)，但因其保護(hù)能力較差，運(yùn)行不穩(wěn)定，帶負(fù)載能力差，程序編寫復(fù)雜，且AD、EEPROM等一些常用功能需要增添外設(shè)，增加硬件和軟件設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。因此，把Arduino Uno單片機(jī)作為座椅控制系統(tǒng)的首選方案。Arduino Uno單片機(jī)是ARM架構(gòu)的入門級(jí)嵌入式單片機(jī)，保留嵌入式單片機(jī)在項(xiàng)目開發(fā)過程中存在的諸多優(yōu)點(diǎn)，避免STM32單片機(jī)的復(fù)雜性。Arduino開發(fā)平臺(tái)是一種可玩性高、使用方便、操作簡單、程序編寫簡潔明了、學(xué)習(xí)成本低的開發(fā)平臺(tái)，具體包括Arduino Uno和Arduino Mini等多種型號(hào)的開發(fā)板以及Arduino IDE編程開發(fā)軟件。使用Arduino進(jìn)行開發(fā)的顯著特征是跨平臺(tái)、簡潔明了、開放性強(qiáng)、發(fā)展迅速，并且第三方開發(fā)資源十分豐富，功耗低，功能強(qiáng)大，集成非常豐富的接口及功能模塊。得益于Arduino開發(fā)平臺(tái)強(qiáng)大的開放性，由其為主控芯片設(shè)計(jì)開發(fā)的項(xiàng)目產(chǎn)品得到廣大DIY發(fā)燒友的認(rèn)可和大范圍的應(yīng)用；使用方便則表現(xiàn)在無需手動(dòng)安裝額外的電腦驅(qū)動(dòng)程序，避免51單片機(jī)在Windows10桌面系統(tǒng)上驅(qū)動(dòng)安裝混亂不兼容、使用繁瑣的詬病。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

Arduino Uno共包含20個(gè)引腳，其中包含IO0—IO13共14個(gè)數(shù)字輸入、輸出引腳，AD0—AD5共6個(gè)模擬引腳，以及電源插孔和USB信息傳輸部件，可以直接使用電腦數(shù)據(jù)線的5 V供電。IO0—IO13每個(gè)引腳都可提供或接收最高可達(dá)40 mA的電流，引腳IO3、5、6、9、10、11可以實(shí)現(xiàn)PWM功能。Arduino Uno的通信協(xié)議為串行（TTL），串行通信出現(xiàn)在數(shù)字引腳IO0（RX）和IO1（TX）以及USB上。AD0—AD5為模擬引腳，當(dāng)數(shù)字引腳損壞或單獨(dú)使用數(shù)字引腳數(shù)量不足以滿足使用要求時(shí)，也可以直接充當(dāng)數(shù)字引腳使用。為完成多功能座椅控制系統(tǒng)的要求中各個(gè)模式的順利轉(zhuǎn)換，采用傳統(tǒng)按鍵進(jìn)行控制。在Arduino Uno單片機(jī)的IO0、1、2接口上設(shè)置按鍵，分別用于完成按摩功能、通風(fēng)功能、和助起功能的選擇和實(shí)現(xiàn)。在Proteus仿真中選擇3個(gè)RT0805WRB0712KL電阻作為下拉電阻，使用它們的原因是為了消除可能存在的電子干擾，避免Arduino Uno單片機(jī)讀出來浮動(dòng)的電壓，目的是在功能選擇按鈕開路的時(shí)候，將其功能引腳或者連接導(dǎo)線上的電壓全部都拉到地端。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

Arduino Uno單片機(jī)上電后，程序開始運(yùn)行，首先進(jìn)行程序初始化操作，接下來判別是否有相對(duì)應(yīng)的功能按鍵按下，做出判別后，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的子程序，對(duì)應(yīng)程序開始執(zhí)行，Arduino Uno單片機(jī)發(fā)出控制指令，從而實(shí)現(xiàn)按摩、通風(fēng)、助起的對(duì)應(yīng)功能。若暫時(shí)未檢測到功能按鍵按下，程序開始循環(huán)，等待命令發(fā)出。

Arduino Uno單片機(jī)的3個(gè)引腳IO1、IO2、IO3分別與多功能座椅控制系統(tǒng)的要求中的按摩、通風(fēng)、助起3大功能按鍵相連，上述3個(gè)引腳用于接收相對(duì)應(yīng)的按鍵信號(hào)。當(dāng)上述功能按鍵未按下時(shí)，單片機(jī)接收到按鍵信號(hào)，引腳呈現(xiàn)低電平；若功能按鍵按下，上述引腳表現(xiàn)出的低電平隨機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)。

Arduino Uno單片機(jī)的IO0引腳檢測到控制按摩功能的按鍵為高電平時(shí)，單片機(jī)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的按摩功能子程序，即單片機(jī)的按摩使能輸出端IO3開始輸出高電平，單片機(jī)的IO4和IO5兩引腳分別輸出高電平和低電平，所連接L298N驅(qū)動(dòng)芯片的IN1和IN2引腳，此時(shí)按摩直流電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)。

Arduino Uno單片機(jī)的IO1引腳檢測到控制通風(fēng)功能的按鍵為高電平時(shí)，單片機(jī)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的通風(fēng)功能子程序，即單片機(jī)的通風(fēng)使能輸出端IO9開始輸出高電平，單片機(jī)的A0和A1兩引腳分別輸出高電平和低電平，所連接L298N驅(qū)動(dòng)芯片的IN1和IN2引腳，此時(shí)兩臺(tái)HD-8025H24S直流風(fēng)機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)。

Arduino Uno單片機(jī)的IO2引腳檢測到助起按鍵為高電平時(shí)，單片機(jī)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的助起功能子程序，即單片機(jī)的助起使能輸出端IO6開始輸出高電平，單片機(jī)的IO7和IO8兩引腳分別輸出高電平和低電平，所連接L298N驅(qū)動(dòng)芯片的IN3和IN4引腳，此時(shí)電動(dòng)伸縮桿直流電機(jī)全速正轉(zhuǎn)，待電動(dòng)伸縮桿將座板頂起至一定角度，也就是電動(dòng)伸縮桿工作一定時(shí)長后，使用者助起成功，電機(jī)反轉(zhuǎn)，座板回歸原始狀態(tài)，此時(shí)單片機(jī)的IO7和IO8兩引腳的輸出分別由高電平和低電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖胶透唠娖?，所連接L298N驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)。

3 結(jié)語

多功能辦公座椅由多部分構(gòu)成，詳細(xì)論述這種座椅的控制要點(diǎn)，確定座椅的控制要求，并且對(duì)座椅的工作過程進(jìn)行詳盡的描述。首先論述其總體設(shè)計(jì)方案和各個(gè)功能的設(shè)計(jì)方案，然后確定控制系統(tǒng)方案、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。多功能辦公座椅設(shè)計(jì)是對(duì)普通座椅的創(chuàng)新，在座板、輪子、靠背等部位添加多個(gè)功能。多功能辦公座椅的設(shè)計(jì)旨在解決職場工作人員的身體不適問題，通過多個(gè)功能的開發(fā)，提高舒適度，符合現(xiàn)代發(fā)展的趨勢(shì)，滿足客戶的高配置要求，低造價(jià)、多功能、高享受，無論對(duì)生產(chǎn)者還是消費(fèi)者都是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。