基于STM32的智能儿童坐姿矫正仪的设计

论文总字数：24685字

目 录

1.绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外的研究现状 1

1.3 本课题内容 2

2.系统总体设计 4

2.1 总体电路的设计 4

2.2 系统硬件选择 4

2.2.1主控芯片的选择 4

2.2.2 传感器的选择 6

2.2.3 WIFI模块的选择 7

3.系统硬件电路的设计 8

3.1传感器电路设计 8

3.1.1光电开关传感器 8

3.1.2超声波传感器 9

3.2电平转换电路 9

3.3单片机主控模块 9

3.3.1单片机最小系统 9

3.3.2报警模块 10

3.3.3复位电路 11

3.4 WIFI通讯模块 12

3.5 稳压滤波电路的设计 12

3.6 PCB布线图的设计与制作 13

4.系统软件设计 15

4.1系统软件总体程序 设计 15

4.2分模块程序设计 15

4.2.1单片机程序的设计 15

4.2.2光电测距程序 16

4.2.3 超声波测距程序 17

4.2.4蜂鸣器报警程序 19

4.3 WIFI通信模块程序设计 19

4.4 ONENET中移物联网平台 19

5.系统调试及用户实验 21

5.1硬件的焊接 21

5.2 硬件实物安装 21

5.3超声波传感器测距调试 22

5.4平台结果 24

5.4.1查询流程 24

5.4.2查询结果 24

5.5误差分析 25

6.结论 26

参考文献 27

致谢 28

附件一 29

附件二 29

基于STM32的智能儿童坐姿矫正仪的设计

霍琳

，China

Abstract：As the vast majority of adolescents lack of self-control and correct attitude, posture supervision and correction has become the most urgent needs of children's activities and learning. The design builds a smart children sitting correction system by using ultrasonic sensors and infrared photoelectric sensors as ranging components, whose main control core is STM32 microcontroller. The system has the functions of ultrasonic velocity measurement, alarm, WIFI transmission, alarm count, reset, etc. It also has the advantages of low power consumption, flexibility, fast installation and multi angle measurement. Compared to the traditional tactile with the relatively simple instrument function, which is not enough convenient, it can adjust the height and location of the sensor basing on the height of the child's body. The results of experiment show that the instrument can timely alarm to correct the wrong posture when the children learn alone, then the situation of alarm will be sent to the parents through the WIFI message. After the alarm, the parents can remind their children to take care of posture. It improves the quality of correcting the posture greatly.

Keywords: posture correction; STM32; ranging; Multi angle; WIFI transmission.

1.绪论

1.1研究背景和意义

近年来，我国经济飞速发展，生活各方面水平都有所提高，对青少年的教育以及发展不仅局限于接受好的教育，对学习成长健康有了更高要求。经过对中小学生的健康状况的调查，课业的繁重给他们的骨骼发育和视力带来影响，其中学习时的错误坐姿是导致脖子前伸、近视、驼背、骨骼过早闭合的主要因素，还会带来精神压力过大、学习效率低下、脑供血不足等等负面影响。由于少年儿童学习时间较长，坐姿在学习中的位置十分重要。根据调查，常见的青少年错误姿势如图1-1所示。少年儿童一旦长期以错误的姿势学习和生活，将对身体造成不可逆转的伤害。在近视和脊柱弯曲是影响学生的终身学习、生活之前，我们需要采取一些措施去预防。

图1-1 错误坐姿示范

近视眼和驼背成为青少年最普遍的疾病，在人们越发关注眼睛的保护时，市面上也出现了五花八门的护眼产品。在如今的科技化、智能化时代，我们如何实现对青少年坐姿有效的监控、报警，从而降低眼部疾病和发育的发生率呢？如背背佳产品，通过力的作用强制进行姿态矫正，导致学生的脊椎，肌肉，骨骼受到很大的伤害^[1]。所以设计一款符合智能化潮流、适合少年儿童使用的人性化纠姿设备是我们本次研究的重点。设计要以人为本，将机器与人体工学相结合，以舒适使用为前提，在学习生活中引导用户笔直腰背，正确坐姿，养成健康的读书习惯，从而规避错误姿势带来的驼背、近视等伤害，使少年儿童在学习习惯的养成道路上得到有效的监督和规范。

综上所述，社会希望在人为督促以外借助智能化仪器来监督青少年，便有了纠姿课桌，纠姿台灯。为了更好的规避错误姿势给生活带来的危害，同时能够适用于自律能力较差的少年儿童。本次设计了光电传感距离和姿势错误报警装置。又基于用户人群的坐姿多样性，制定了可灵活调节的支架用来调节测距方位和角度，使设计具有实用性强、灵活性高等特点。最终进行报警和将结果传输给家长，使家长了解到青少年的姿势情况，能够在事后对其进行教育，主要适用于任何学习或者坐着的环境的检测，值得推广。

1.2国内外的研究现状

随着教育品质的逐步提高，对于姿势纠正的检测研究也越发追求实用性和准确性。随着智能控制理论和人工智能研究的深入，传统的纠姿课桌逐渐演变成各种各样智能仪器。而单片机和智能理论的结合，在将来，不但现行的外部结构会有更多地改进，智能化而且会日趋加强。

目前的研究方向大概有以下：国内研究分为物理式纠姿仪和智能化纠姿仪。

物理式纠姿仪一般是立柱式和有夹型相结合，如图1-2所示。它的工作原理主要是利用传统意义上的正确姿势即眼睛离桌面一尺，胸离桌子一拳，手离笔尖一寸。通过仪器的物理结构达到一个固定姿势的效果，该纠姿仪器成本低、生产简单、可以广泛使用。

在追求智能化方面，首都师范大学的学生设计了一款基于视频的学生坐姿检测与纠正系统，在不直接接触学生身体的情况下，通过视频图像实现对学生坐姿的实时监控，对错误姿态进行语音提示，从而达到及时发现和纠正错误坐姿的目的^[2]。该设计在智能化方面实现了突破，一方面解决了青少年对物理纠姿仪器的抵触，另一方面也可以通过用户界面设置用户个性化设置，使得不同体型或不同时期的用户得到高效优质的使用。

再来看国外发明的LUMO智能坐姿矫正器，类似腰带如图1-3所示，因为它的佩戴方法就是系在腰上。开机方式：长按光感按键三秒。还是通过USB接口可充电的，可以循环利用很环保。用户只需要在手机上安装相应的应用程序，即可通过蓝牙与LUMO智能坐姿矫正器连接。智能坐姿矫正器能够检测到佩戴者的运动状态，如静坐、站立、跑步、躺卧等，并根据不同情况，提示用户应当采取何种姿态^[3]。当坐姿矫正器与手机端的软件连接后，能够查看目前用户的运动状态并做出反操作进行提示。

图1-2 立柱式和有夹型纠姿仪 图1-3 LUMO智能坐姿矫正器

国内使用最广泛的纠姿仪仍然存在的缺点，夜晚使用时，有阴影会影响视力，另外会使脖子前伸，依然有驼背一类的状况存在。视频处理需要连接电脑，一来成本较大，二来安装繁琐，三是家长无法了解青少年使用情况。LUMO智能坐姿矫正器使用时，以震动的形式如果使用者自制力就不是很高的话，这款产品起到的作用微乎其微。现在的纠姿仪仍存在不能灵活调整安装、将报警情况处理后反馈、不能多角度测量的弊端，为此我们的设计在其测量方法上做了进一步的研究。

1.3 本课题内容

本文的主要研究内容包括：本课题研究了一种基于STM32单片机的含有WIFI传输功能的智能纠姿仪。本系统中主要采用光电传感器和超声波传感器为数据采集元件，以STM32单片机为主控制核心，利用超声波测量人体额头和胸口的距离差来判断是否驼背，利用光电传感器的测距界限来判定身体到桌面距离是否过近，继而对超声波传感器和光电传感器采集的数据进行算法处理，做出报警和次数记录，通过WIFI模块将消息传送到家长手机或电脑等终端设备上，最终结果以图表直观呈现。此外，值得注意的是，青少年在成长过程中身高和体型等因素对有正确的学习坐姿设定具有明显的影响，不同时期会导致测量结果产生较大的偏差。因此，在本设计中，针对前述的因素对测量有明显影响问题，我们利用传感按钮和支架器固定的角度和高度来调整适合用户的坐姿方式，增强了其实用性和灵活性。

第一章绪论主要介绍了本次实验的研究背景及意义，错误姿势对人类的伤害以及目前国内外在姿势检测和监督方面的研究近况还有存在的不足。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：24685字

相关图片展示：