摘要：本文设计了一种人体坐姿监测和液晶显示器屏幕位置自动调整支架系统。该系统主要由四大部分构成：人体坐姿检测坐垫装置、支架控制电路、支架机械结构和人头追踪装置。其中，人体坐姿检测装置采用压阻式膜片传感器和单片机系统，负责检测是否有人在使用以及用户大致的坐姿；人头追踪装置采用舵机和收发一体超声波传感器，检测人脸与屏幕中心的距离和角度；支架结构使用臂式旋转结构，实现屏幕支架的三维运动；支架控制电路以STM32F103单片机为核心，通过接收人体坐姿检测装置和人头追踪装置发送的数据，控制调整屏幕支架，使屏幕始终处于适合用户使用的角度和距离。
关键词：坐姿检测；传感器；臂式旋转结构；STM32F103单片机
0 引言
当今社会数码产品早已普及千家万户。当人体长期处于坐姿使用数码显示产品时，由于长期局部受力不均和久坐不动，可能会导致颈椎受损、视力下降等健康问题。有研究表明，长时间坐姿不正确，会增加多种疾病发生的风险，尤其是对少年儿童和长时间使用电脑办公的人群的影响会更加明显。所以研究一套主动使人矫正自己的坐姿，并且能够实时自动保持数码显示产品与眼睛之间健康视距的设备是非常必要的。本文主要讨论一种新型的人体坐姿监测提醒和自动保持数码屏幕产品与人眼之间健康视距的辅助矫正系统，且该系统具有工作时间表自定义功能来辅助用户更科学的管理工作休息时间。
图1 系统整体框图
图2 上位机步进电机驱动控制电路
1 系统的硬件设计
本系统通过压力传感器坐垫来检测用户是否正在使用液晶显示屏，并对用户坐姿重心信息进行采集判断。同时利用人头追踪装置搜索人头空间位置，得到显示屏与人头的直线距离，并与事先设定的健康视距参数进行比较，当测量值与设定值的偏差超过一定阀值时，智能支架自动调整显示屏上下、前后、左右，甚至前倾角度，使显示屏处于用户的最佳视觉范围。根据用户设置的工作时间表，当计时器的计时时间到达设定值时，智能支架会发出语音提醒，告诉用户应该起身休息片刻。当用户起身后计时器开始重新计时，直至用户再次坐下，此时系统会判别用户起身休息的时间是否达到最低要求，如果时间不足则再次发出语音提示。系统整体框图如图1 所示。
1.1 上位机主控电路
上位机是整个系统的核心部分，接收来自坐姿检测装置、人头位置检测和人机交互模块的数据，根据数据处理结果控制支架电机运行使屏幕始终处于合理是位置，方便用户使用。主控电路包括STM32FI03ZET6 单片机、NRF24L01 无线通信模块、DRV8825 驱动模块等核心器件，其中主要部分是支架步进电机和蜗轮蜗杆电机的控制，关系到屏幕位置调整的精度。步进电机驱动电路原理如图2 所示。单片机输出固定脉冲数StepPwm 和转动方向StepDIR 来控制步进电机。使用两个DRV8825 驱动模块分别对机械臂上的两个步进电机进行控制，为节省单片机输出资源，采用一路控制信号通过一个数字选择开关CD4052 芯片对两路步进电机进行分时控制的方式，实现对机械臂上两路步进电机转动的角度控制。
上位机蜗轮蜗杆电机驱动电路如图3 所示。蜗轮蜗杆电机本质上是一种可以进行直角动力传动的直流电机，单片机通过ScrewPWM 信号来控制蜗轮蜗杆电机的转动力度，通过ScrewDIR1 和ScrewDIR2 控制蜗轮蜗杆电机的转动方向，通过ScrewCode1 和ScrewCode2 得到蜗轮蜗杆电机的实时转动路程和速度反馈。电路使用一个双路驱动的直流电机驱动模块TB6612 进行旋转角度控制。为节省单片机输出资源，采用一路控制信号通过三个数字选择开关CD4052芯片对两路蜗轮蜗杆电机进行分时控制的方式，实现对机械臂上两路蜗轮蜗杆电机转动的角度控制。
图3 上位机蜗轮蜗杆电机驱动控制电路
图4 坐姿检测装置结构框图
图5 压力传感器A/D 转换电路
1.2 人体坐姿检测装置
坐姿检测装置利用内置于坐垫里的压力传感器来检测用户是否正在使用液晶显示屏，并对用户坐姿重心信息进行采集判断，相关参数经过处理后通过NRF24L01 无线射频模块发送给上位机。其结构如图4 所示。检测装置内置了五个压力传感器，中间一个，四周各一个，主要任务是判断用户是否坐在屏幕前面以及大致坐姿。系统检测到中间传感器有效读数后启动本装置，并通过采集外围四个压力传感器数据，经A/D 转换器处理成数字量的压力数据，单片机进过算法处理后得到用户坐姿重心判断结果，最后经NRF24L01 无线通信模块上传给上位机。电路如图5 所示。
1.3 人头追踪装置
该装置的主要作用是探测用户头部与屏幕正中位置的距离和角度，结合人体坐姿检测装置大致判断出用户所处的姿态，控制屏幕支架调整其空间位置。人头追踪装置机械结构如图6 所示。①为收发一体化超声波测距模块SR04T，负责对空间某一点进行距离测量。②和③都是舵机，其中②负责超声波模块的上下扫描运动，③负责超声波模块的左右扫描运动。控制电路如图7 所示，SteeringGear1和SteeringGear2 分别是控制该装置运动的两个舵机旋转控制接口，单片机输出两路不同占空比的PWM控制信号来分别控制两路舵机需要转动到达的角度。图中Ultrasonic 是超声波传感器的电接口，超声波模块会把测得的距离穿换成相对应时长的高电平输出脉冲，单片机通过检测控制线上的高电平持续时间即可得到超声波探头测得的距离。
图6 人头追踪装置机械结构图
图7 舵机驱动控制电路
1.4 人机交互模块电路
人机交互模块电路主要由NRF24L01无线通信模块接口、TFT4.3 寸触摸彩屏接口和HBR640 语音播放识别模块接口组成。单片机通过接口上两个串口依据对应的特定串口传输命令协议对TFT4.3寸触摸彩屏和HBR640 语音播放识别模块进行界面显示控制和语音播放识别命令，以完成人机交互的目的。电路原理如图8 所示。
图8 人机交互模块电路
图9 上位机软件流程框图
2 系统软件设计
系统软件主要包括上位机和下位机部分。上位机接收来自下位机的用户坐姿信息，当有人坐下时启动人头追踪装置，测量计算出人头相对于屏幕中心原点的空间坐标，并判断是否要调整支架以及调整的角度。具体流程如图9 所示。
下位机主要是人体坐姿检测部分，通过采集压力传感器数据，分析用户坐姿属于前倾、后倾、左倾、右倾、正坐和无人坐下共六个状态，并通过无线模块上传给上位机。具体流程如图10 所示。
3 结论
本文提出了一种智能屏幕支架控制系统，通过人体坐姿检测装置和人头追踪装置判断用户与屏幕的位置关系，通过相关算法控制支架电机运动，使屏幕始终处于较好的位置、角度，方便用户使用。经实际测试，该系统整体稳定性能良好，人机交互体验友好，屏幕位置和角度调整精度较高，用户坐姿在合理的范围内系统均能快速的调整的屏幕。
图10 下位机软件流程框图
