摘" 要：文章以STC89C52單片機(jī)為核心器件，結(jié)合HC-RS04超聲波傳感器、光敏電阻、定時(shí)器、ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器、LCD1602液晶顯示屏，設(shè)計(jì)了坐姿糾正系統(tǒng)。通過(guò)超聲波傳感器對(duì)用戶與被測(cè)物體的距離進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)光敏電阻對(duì)所處環(huán)境的光照強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)單片機(jī)處理收集到的數(shù)據(jù)。當(dāng)測(cè)得的距離或者光照強(qiáng)度任意一者超出正常范圍時(shí)，單片機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，提醒用戶注意糾正。同時(shí)，通過(guò)LCD1602顯示屏實(shí)時(shí)顯示測(cè)得的數(shù)據(jù)。詳細(xì)研究了基于單片機(jī)的坐姿糾正系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用Keil軟件進(jìn)行代碼調(diào)試，運(yùn)用Proteus進(jìn)行軟件仿真。功能測(cè)試證明，所設(shè)計(jì)的坐姿糾正系統(tǒng)能夠在多種情況下正常工作。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；超聲波傳感器；姿態(tài)監(jiān)測(cè)；功能測(cè)試

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2025）03-0020-08

Design of Sitting Posture Correction System Based on STC89C52 Single-chip Microcomputer

LI Na， WANG Wei， YAN Meng， WANG Li， ZHENG Ru

（Department of Electronic Engineering， Xihang University， Xi'an" 710077， China）

Abstract： This paper uses STC89C52 single-chip microcomputer as the core device， combined with HC-RS04 ultrasonic sensor， photoresistor， timer， ADC0832 analog-to-digital converter， and LCD1602 LCD screen， to design a sitting posture correction system. Real-time monitoring of the distance between the user and the measured object is carried out through ultrasonic sensors， and the illumination intensity of the environment is monitored in real time through photoresistors. The collected data is processed by the single-chip microcomputer. When either the measured distance or illumination intensity exceeds the normal range， the single-chip microcomputer drives a buzzer alarm to remind the user to pay attention to correction. Meanwhile， the measured data is displayed in real time on the LCD1602 display screen. A detailed study is conducted on the hardware circuit and software design scheme of a sitting posture correction system based on a single-chip microcomputer. Keil software is used for code debugging， and Proteus is used for software simulation. Through functional testing， it has been proven that the designed sitting posture correction system can work normally in various situations.

Keywords： Single-chip Microcomputer; ultrasonic sensor; sitting posture monitoring; functional testing

0" 引" 言

隨著我國(guó)科技發(fā)展、電子產(chǎn)品的使用迅速發(fā)展，極大地提高了人們完成事情的效率，但久坐于電腦前也成了大多數(shù)人的常態(tài)，加之當(dāng)代社會(huì)高強(qiáng)度、快節(jié)奏的生活方式，人們工作、學(xué)習(xí)等時(shí)間越來(lái)越久，姿勢(shì)不良現(xiàn)象十分常見(jiàn)，導(dǎo)致諸多健康問(wèn)題[1-2]，坐姿矯正系統(tǒng)用于人體坐姿監(jiān)測(cè)，能提醒人們及時(shí)糾正不良坐姿，有目的性地改善自身的坐姿問(wèn)題。坐姿糾正對(duì)維護(hù)人們身體健康、提高辦事效率和預(yù)防各種疾病具有十分重要的意義[3-4]。

根據(jù)實(shí)際遇到的坐姿問(wèn)題，從軟硬件兩個(gè)方面設(shè)計(jì)了基于STC89C52單片機(jī)的計(jì)步器系統(tǒng)，系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)作為核心控制器，采用HC-RS04超聲波模塊監(jiān)測(cè)距離，光敏電阻檢測(cè)采集環(huán)境光照強(qiáng)度，并通過(guò)LCD1602液晶顯示坐姿距離，環(huán)境光強(qiáng)，坐姿時(shí)間。系統(tǒng)包括單片機(jī)主控模塊、測(cè)距模塊、光敏模塊、復(fù)位模塊、按鍵模塊、顯示模塊和報(bào)警模塊，擁有隨時(shí)提醒用戶調(diào)整光強(qiáng)、坐姿以及注意休息的功能，防止對(duì)身體產(chǎn)生危害。

1" 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1" 設(shè)計(jì)任務(wù)

本系統(tǒng)是以主控單片機(jī)電路為控制系統(tǒng)進(jìn)行的測(cè)量和顯示，具體任務(wù)如下：

1）根據(jù)該系統(tǒng)的工作原理，完成系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和框架，包括對(duì)硬件的選型等。

2）采用Proteus仿真平臺(tái)逐步搭建各模塊硬件電路圖；明確各模塊的工作原理；模塊化、結(jié)構(gòu)化完成主程序和子程序的編寫。

3）完成各種狀態(tài)下硬件的仿真和功能調(diào)試，多次實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)并且進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理和誤差分析，驗(yàn)證其可行性。

1.2" 設(shè)計(jì)方案

以主控單片機(jī)為核心的坐姿矯正系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，利用光敏電阻采集光線信號(hào)，通過(guò)AD采集光線信號(hào)的強(qiáng)弱，把光線強(qiáng)度等級(jí)化，用戶通過(guò)自己設(shè)置上限和下限來(lái)確定報(bào)警范圍，提醒用戶調(diào)整光強(qiáng)[5-6]。利用超聲波傳感器測(cè)出用戶與被測(cè)物體的距離，當(dāng)?shù)玫降木嚯x值超出用戶設(shè)置的距離范圍時(shí)發(fā)出報(bào)警聲提醒用戶調(diào)整坐姿。通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)使用時(shí)長(zhǎng)達(dá)到用戶設(shè)定的時(shí)間時(shí)，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警提示，提醒用戶注意休息。

2" 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1" 主控制模塊

采用STC89C52單片機(jī)作為本次設(shè)計(jì)的核心控制單元，單片機(jī)主控電路如圖2所示，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警與提醒、處理超聲波測(cè)得的信號(hào)，以及處理光照強(qiáng)度信息。

2.2" 超聲波測(cè)距模塊

超聲波模塊接線如圖3所示，共有4個(gè)引腳，分別為VCC、GND、TRIG、ECHO。VCC提供5 V電源，GND為地線，TRIG觸發(fā)控制信號(hào)輸入，ECHO為回響信號(hào)輸出。用戶可以根據(jù)實(shí)際需求自主設(shè)定距離閾值，當(dāng)測(cè)得的數(shù)據(jù)超出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)觸發(fā)報(bào)警[7-8]。

測(cè)距原理如圖4所示，系統(tǒng)通過(guò)超聲波發(fā)射器發(fā)出一系列高頻率聲波信號(hào)，這些聲波信號(hào)以一定的速度在空氣中傳播；當(dāng)遇到障礙物時(shí)，會(huì)被反射回來(lái)，超聲波接收器會(huì)捕捉到這些反射信號(hào)[9]；系統(tǒng)會(huì)記錄從發(fā)射超聲波到接收的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間即為往返的總時(shí)間；根據(jù)距離=速度×?xí)r間，就可以計(jì)算出測(cè)量距離。

超聲波時(shí)序如圖5所示，基本工作流程為：IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，提供至少10 μs的高電平信號(hào)；模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，并且自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；若一旦檢測(cè)到有信號(hào)返回，則通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，言外之意為回響信號(hào)的脈沖寬度與所測(cè)距離成正比。所測(cè)距離=聲速×高電平持續(xù)時(shí)間÷2。

2.3" 光照強(qiáng)度檢測(cè)電路

光照強(qiáng)度檢測(cè)電路如圖6所示，光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊采用光敏電阻，光敏電阻的阻值會(huì)隨著光線強(qiáng)度的變化而變化，然后分得的電壓也會(huì)產(chǎn)生變化[10]。經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后就可以得到各種光照強(qiáng)度下的電壓值，從而便于設(shè)定出理想的光線強(qiáng)度報(bào)警值。

2.4" 電源電路

采用5 V-USB給單片機(jī)供電，電源電路如圖7所示。

3" 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1" 系統(tǒng)主程序流程圖

主程序流程圖如圖8所示，系統(tǒng)開始工作后進(jìn)行初始化操作，此后看到的液晶顯示屏上的內(nèi)容為：當(dāng)下測(cè)得的距離、當(dāng)下所處的光照強(qiáng)度和準(zhǔn)備開始計(jì)時(shí)界面。然后，就會(huì)進(jìn)行對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)的判定。首先詢問(wèn)的是光照強(qiáng)度數(shù)值，判斷用戶所處的環(huán)境是否適宜；若在正常值內(nèi)，則會(huì)進(jìn)行下一步；反之，則會(huì)報(bào)警提醒用戶注意調(diào)整光線。接下來(lái)判斷用戶的坐姿是否正確，如果在正常范圍內(nèi)，則進(jìn)行下一步判斷；如果用戶坐姿錯(cuò)誤，則系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警提示用戶，注意糾正姿勢(shì)。最后一步就是判斷時(shí)間是否達(dá)到45分鐘，若沒(méi)有達(dá)到，則系統(tǒng)會(huì)返回持續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；若達(dá)到45分鐘，則系統(tǒng)報(bào)警，提醒用戶注意休息調(diào)整。

3.2" 系統(tǒng)子程序流程圖

3.2.1" 測(cè)量距離子程序

測(cè)量距離流程圖如圖9所示，測(cè)距功能開始后，首先判斷定時(shí)是否到1 s，如果已經(jīng)到1 s，則超聲波發(fā)射標(biāo)志位置1，開始超聲波發(fā)射，同時(shí)開啟定時(shí)器T1和外部中斷0；若不到1 s，則返回繼續(xù)計(jì)時(shí)。接下來(lái)詢問(wèn)是否檢測(cè)到回波，若接收到了回波，停止定時(shí)器T1，計(jì)算距離；若沒(méi)有接收到回波，則返回繼續(xù)發(fā)射超聲波。計(jì)算得來(lái)的距離值若小于設(shè)定的距離值，說(shuō)明用戶坐姿過(guò)于靠近，則系統(tǒng)報(bào)警提醒用戶注意調(diào)整；如果大于設(shè)定的距離，則返回主程序進(jìn)行下一步。

3.2.2" 測(cè)量光照子程序

光照強(qiáng)度測(cè)量流程圖如圖10所示，系統(tǒng)初始化后，光敏電阻會(huì)實(shí)時(shí)采集環(huán)境的光照強(qiáng)度；然后傳輸給ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將光敏電阻采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，方便于單片機(jī)處理和顯示。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶設(shè)定的閾值進(jìn)行判斷，超出用戶設(shè)定的正常范圍則蜂鳴器報(bào)警、LED指示燈閃爍；反之，則返回繼續(xù)檢測(cè)光強(qiáng)。

3.2.3" 定時(shí)器子程序

定時(shí)器計(jì)時(shí)流程圖如圖11所示，系統(tǒng)初始化后，開啟定時(shí)器計(jì)時(shí)；在計(jì)時(shí)過(guò)程中，可以選擇暫?；蛘咔辶阒匦聠?dòng)定時(shí)；定時(shí)器會(huì)不間斷檢測(cè)是否到達(dá)用戶預(yù)設(shè)時(shí)間，如果達(dá)到則計(jì)時(shí)結(jié)束，引發(fā)蜂鳴器報(bào)警；如果沒(méi)有達(dá)到預(yù)設(shè)時(shí)間，則返回繼續(xù)檢測(cè)。

3.2.4" 報(bào)警提示子程序

報(bào)警提示流程圖如圖12所示，系統(tǒng)初始化后讀取傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并且做出判斷處理。如果數(shù)據(jù)處于正常范圍則繼續(xù)監(jiān)測(cè)；反之，激活報(bào)警。緊接著，判斷用戶是否做出相應(yīng)調(diào)整，如果做出調(diào)整則關(guān)閉報(bào)警，如果用戶未調(diào)整則持續(xù)報(bào)警。

4" 系統(tǒng)仿真及測(cè)試

4.1" 系統(tǒng)軟件仿真

首先，在Proteus軟件中搭建仿真環(huán)境，將設(shè)計(jì)的電路圖進(jìn)行正確的連線；然后燒入程序，初始化；觀察系統(tǒng)是否顯示正常，如LCD1602顯示屏是否可以正常顯示距離、光照和時(shí)間，蜂鳴器是否可以正常發(fā)出響聲，LED是否可以閃爍等。接下來(lái)就可以進(jìn)行各個(gè)功能測(cè)試。

系統(tǒng)正常工作狀態(tài)如圖13所示。測(cè)得的距離值為0.44 m，光照強(qiáng)度為76 lx，蜂鳴器未發(fā)出響聲，LED指示燈D1熄滅。

當(dāng)坐姿過(guò)于靠近時(shí)，如圖14所示，系統(tǒng)發(fā)出警示，蜂鳴器發(fā)出響聲，LED指示燈D1被點(diǎn)亮。測(cè)得的距離為0.27 m，小于所設(shè)定的0.3 m，因此報(bào)警；光照強(qiáng)度為72 lx，時(shí)間為39 s。

光照強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)時(shí)也會(huì)引發(fā)報(bào)警，仿真結(jié)果如圖15所示，測(cè)得的距離為0.46 m，坐姿距離處于正常狀態(tài)下；光照強(qiáng)度為85 lx，大于設(shè)定的最高值80 lx，因此蜂鳴器發(fā)出響聲，LED指示燈D1閃爍。

光照強(qiáng)度過(guò)弱時(shí)同樣也會(huì)觸發(fā)報(bào)警，仿真結(jié)果如圖16所示，測(cè)得的距離為0.44 m，坐姿距離處于正常狀態(tài)下；光照強(qiáng)度為6 lx，小于設(shè)定的最低值20 lx，因此蜂鳴器發(fā)出響聲，LED指示燈D1閃爍。

4.2" 系統(tǒng)測(cè)試

首先進(jìn)行功能驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)是要確保所有模塊都能夠正常工作。檢查模塊的初始化程序能否正常運(yùn)行，是否存在錯(cuò)誤，能否實(shí)現(xiàn)所需的功能。第二，進(jìn)行距離檢測(cè)，通過(guò)實(shí)際測(cè)量，驗(yàn)證超聲波測(cè)距所得到的結(jié)果是否準(zhǔn)確，能否處于正常的誤差范圍之中。第三，設(shè)置報(bào)警閾值，因?yàn)槭褂玫挠脩羰遣煌?，所處的環(huán)境是不同的，所以應(yīng)考慮到種種情況，合理設(shè)置閾值。對(duì)于不同的用戶群體，可以分別重新設(shè)置報(bào)警數(shù)值，便于提高使用范圍，普及更多的使用群體。第四，針對(duì)場(chǎng)景的適應(yīng)性，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，測(cè)試在不同的光照強(qiáng)度下系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，驗(yàn)證系統(tǒng)能否靈活適應(yīng)環(huán)境的變化，擴(kuò)大使用場(chǎng)景。

先將距離的警戒值設(shè)置為0.3 m，定時(shí)設(shè)為45分鐘，光照強(qiáng)度上限設(shè)為80 lx，下限設(shè)為20 lx。距離及時(shí)間設(shè)置界面如圖17所示，第一行為超聲波測(cè)距設(shè)置距離范圍界面，小于此數(shù)值便會(huì)報(bào)警；第二行為設(shè)置時(shí)間界面。光照強(qiáng)度設(shè)置界面如圖18所示，第一行為光照強(qiáng)度上限設(shè)置，第二行為光照強(qiáng)度下限設(shè)置。

當(dāng)用戶保持正常的坐姿時(shí)，系統(tǒng)工作一切正常。測(cè)得的距離值為0.35 m，光照強(qiáng)度值為60 lx，計(jì)時(shí)為34 s。蜂鳴器未響，LED指示燈未被點(diǎn)亮，測(cè)試結(jié)果如圖19所示。

坐姿過(guò)于靠近的測(cè)試結(jié)果如圖20所示，當(dāng)用戶坐姿過(guò)于靠近時(shí)，系統(tǒng)開始警示。測(cè)得的距離值為0.27 m，小于設(shè)定的0.3 m，所以報(bào)警提醒用戶；光照強(qiáng)度值為60 lx，計(jì)時(shí)為38 s。蜂鳴器開始發(fā)出響聲，LED指示燈開始閃爍。

在不同的光照強(qiáng)度下進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，為了方便操作，在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中將光照強(qiáng)度上限設(shè)定為了70 lx，下限保持不變?nèi)詾?0 lx。當(dāng)用戶坐姿處于正常狀態(tài)下，但光照強(qiáng)度過(guò)低時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警。光照強(qiáng)度過(guò)低的測(cè)試結(jié)果如圖21所示，光照強(qiáng)度為8 lx，小于設(shè)定的最低值，蜂鳴器發(fā)聲，LED指示燈閃爍。

當(dāng)用戶坐姿仍然處于正常狀態(tài)時(shí)，光照強(qiáng)度過(guò)高也會(huì)引起報(bào)警提醒用戶。此時(shí)的測(cè)試結(jié)果如圖22所示，光照強(qiáng)度為72 lx，大于設(shè)定的最高值70 lx，蜂鳴器發(fā)聲，LED指示燈閃爍。

4.3" 測(cè)試結(jié)果及誤差分析

對(duì)所要求測(cè)量范圍3～200 cm內(nèi)的平面物體做了50次實(shí)驗(yàn)，記錄測(cè)量結(jié)果如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以得出：最小的誤差為0 cm，最大的誤差為2 cm，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)坐姿狀態(tài)的成功率達(dá)到90%。結(jié)合實(shí)際生活場(chǎng)景，此設(shè)計(jì)可以較好地監(jiān)測(cè)用戶坐姿狀態(tài)，并且準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)的成功率較高，滿足坐姿糾正功能。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)雖有一定誤差，但既簡(jiǎn)單又有效，相較于市面上的大多數(shù)智能坐姿矯正器成本低，以便可以被普通消費(fèi)者所接受，并且易于安裝和使用，減少對(duì)用戶造成不便，不需要復(fù)雜的設(shè)置或調(diào)試，可以及時(shí)糾正不良坐姿，有目的性地改善自身的坐姿問(wèn)題。

5" 結(jié)" 論

本文闡述了基于STC89C52單片機(jī)的坐姿矯正系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程及測(cè)試結(jié)果。通過(guò)超聲波傳感器對(duì)用戶與被測(cè)物體的距離進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)光敏電阻對(duì)所處環(huán)境的光照強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)單片機(jī)處理收集到的數(shù)據(jù)，當(dāng)測(cè)得的距離或者光照強(qiáng)度任意一者超出正常范圍時(shí)，單片機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，提醒用戶注意糾正。分析表明，該坐姿矯正系統(tǒng)可以較好地監(jiān)測(cè)用戶坐姿狀態(tài)，并且準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)的成功率較高，滿足坐姿糾正功能，為未來(lái)的趨向于智能化的坐姿糾正系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：李娜（2002—），女，漢族，陜西咸陽(yáng)人，本科在讀，研究方向：信號(hào)處理；通信作者：王威（1980—），男，漢族，陜西西安人，副教授，博士，研究方向：電磁場(chǎng)與微波技術(shù)。