智能学习桌椅控制方案设计

不断发展的社会经济水平和产业技术革命，以信息技术为代表的科技产品在各行各业中的应用越来越普及，使用计算机芯片处理器为核心部件智能处理系统等新技术的智能家具规模越来越大，逐步发展成独立型产业。智能化家具的智能控制，实现了家具功能的自动化启动，满足人们对生活品质的追求，但其中的有些传统的家具使用功能的智能化可能被忽视，如常见的学习座椅系统，虽然在产品的可升降性上略微有智能的雏形，但其产品的定位仅限于学习的青少年或学龄儿童使用，无法适用量大面广其他不同社会工作者需要，造成一个家庭为满足不同人员使用而需要购买多件桌椅的问题，因此，在智能学习桌椅系统产品开发中还存在智能型人性化设计需求的空缺。

一、基于单片机的智能学习桌椅系统介绍

1.1智能学习桌椅系统的概念

智能学习桌椅系统，是通过嵌入式硬件和软件程序，采用适宜的结构对多个不相同种类来源和反馈的信号进行实时收集，将人的行为过程有控制器进行智能虚拟仿真，对收集到的各类信号按预设的处理程序进行数据记录、逻辑判别和信息反馈，信息管理平台准时获得处理后的信息输入，使学习桌椅系统具备部分人工智能后能解析、判辨使用对象的行为方式和使用习惯，依照预先设定的程序进行管理并采取行动，为使用者提供的工作和学习氛围便捷、高效、安逸。智能学习桌椅系统采用了包括传统的家具制造、机电控制、电子信息、数字通讯、机械传动技术等的多种技术集成。

1.2基于单片机的智能学习桌椅系统特点

在智能学习桌椅系统产品中，单片机是“控制中枢”，将其与传感器、通信部件和机械装置等安装到智能学习桌椅系统中，并将嵌入式控制系统固化在其内部，控制系统通过应用程序控制和管理智能学习桌椅系统产品中的传感器和机械装置，甚至利用家庭总线技术（HBS）的功能，将智能学习桌椅系统通过通讯设备连接到家庭智能化系统中，使其之间保持协调。同时，智能学习桌椅系统产品中的各项系统参数在上位机显示屏上或联网的手机APP来实时掌握如桌椅的状态、学习环境的光照条件，使用延续时间等不同状态参数，并可利用预设参数或手机APP等手段控制桌椅面的升降，角度的调整、亮度的控制以及工作状态提醒等各项操作。

二、智能学习桌椅系统的组成

作为集成控制系统智能学习桌椅系统，其系统组成包括硬件和软件两大部分。硬件通常由控制系统、执行系统、传动系统、传感器、桌椅本体（工作装置）等五部分组成；软件则主要有控制程序。

（1）控制系统：在智能学习桌椅系统中，作为控制系统的“中心神经系统”由单片机为核心的嵌入式计算机系统、存储器和驱动电路等重要控制模块组成，通过单片机，按照预先设置的专门控制程序，将专用的软件平台与微处理器（CPU）或微控制器（MCU）的系统电路相组合，采集和处理各类数据、通过逻辑和算法处理后计算控制量。同时指挥学习桌椅系统所有的工作由接口电路通过控制语言来向系统每个执行机构发出指令，学习桌椅系统所有的工作自动控制的精准性和真实性由核心控制模块决定，系统的智能调控是在设计时将准备实施的程序写入单片机内并通过单片机的读取执行达成，因此在设计中需充分考虑系统的价值功能比。

（2）执行系统：智能学习桌椅系统中驱使执行机构运动的驱动装置，根据输入的电信号，由控制器发出线、角位移量的指令信号，末端被控单元借助于动力元件做出相应的动作。该系统一般可使用步进电机、伺服电机等以电力驱动的驱动装置，考虑到智能学习桌椅系统本身的体量空间，选择执行系统中驱动装置时选用体小力大的电机为宜。

（3）传动系统：智能学习桌椅系统中作为传递动力机构，在实现学习桌椅诸如高度变化、角度变化等状态变化等调节功能，其工作装置需要利用一些传动装置作直接物理性的动作。

（4）传感器：传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息（如物理条），按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息传递给其他装置或器官的一种物理装置，让物体慢慢变得活了起来。在智能学习桌椅系统中，桌椅系统当前状态控制量由传感器检测后通知控制器，即形成智能学习桌椅系统的“感官”。智能学习桌椅系统中自动调节的数据依据均为传感器提供，执行和传动系统的可靠性来自采集数据的准确性，精准、稳定的传感器必须是首选。

（5）家具本体：智能学习桌椅系统中，学习桌椅产品本身是系统的本体结构，智能学习桌椅所有其他功能机构均依附体在该本体而整个系统功能得以实现。

（6）软件程序：主程序、数据采集程序和其他系统功能程序是构成智能学习桌椅系统的主体，其他软件还包括控制程序实现系统功能要求、服务性程序对系统实行检测、人机接口、对外围设备管控以及自检程序以确保系统安全运行等。

三、智能学习桌椅系统功能的设计方法

3.1智能调节

使用者在阅读、书写等学习时，桌面设计成可以自动调节的功能，包括功能角度调节：座斜角（座面相对水平面的倾斜角）、背斜角（靠背相对垂直面的夹角）、腰枕位置自适应调节，为使用者提供通过调节保证合理坐姿或舒适的坐姿变换。功能高度调节：座位高和桌面高、靠背高、扶手高自动调节。从而保证使用者使用方便、防止手臂疲劳。距离检测模块是采用红外漫反射传感器检测实际距离，通过对比使用者匹配的距离与人体尺度的数据，及时纠正出现的较大偏差，保证座椅系统的使用状态始终良好。对于自动调节部分根据距离检测模块的数据设定出运动轨迹，用直流电机带动其转动的丝杆将旋转运动转换成线性运动作为位移变动装置，位移自动变化的功能通过控制丝杆运动时间和速度来实现。

3.2智能照明

良好的照明环境是学习的保障，是影响学习效率的重要因素，且在学习环境中是近距离接触光照，持续使用时间一般相对较长，过强和过弱的照明都有损眼睛健康。智能照明是将照明功能内嵌到学习桌上，通过光敏电阻，对外界环境和人工光照强弱进行检测、报警，从照度、照射时间、照射方式等方面利用脉宽调制（PWM）控制方式进行智能调节，从使用者的角度出发，保证学习工作时光线合适、时间适度，享受到最舒适的体验，也能达到预防眼睛疲劳减少近视的目的。

3.3智能提示

学习桌椅系统中桌面堆放杂乱、储藏或加载物品重量超过桌椅的承载能力等非正常使用时，学习桌椅系统就会发出警告，确保学习桌椅使用的整洁和使用安全性。当使用者长时间学习或同一姿势长时间工作时，该系统的坐姿检测模块将单片机作为主控模块的中央处理单元，利用系统中定时器、红外漫反射传感器的采集的数据，按照一定的逻辑分析判断后通知使用者的坐姿合理与否。根据使用者的习惯事先设置的参数，比对使用过程中的情况，智能学习桌可以对非合理状态发出相应的整改指令，甚至能做工作计划安排和备忘，帮助使用者养成良好的习惯和形成健康的作息时间。

3.4其他智能功能

外部环境对学习的影响非常大，所以要使学习者处于舒适的环境之中而减少受到影响。在智能学习桌椅系统中设置的环境监测模块通过DHT传感器处理温度、湿度等的数据，监测学习环境的质量，在不达标的状态下采取相应措施，如通过智能控温来实现学习桌椅温度自动调节或连接室内空调系统来调温，让使用者处于安全舒适的环境之中。使用者可以通过来自传感器收集的各类数据并传输到云服务平台后的大数据分析结果来掌握使用的情况，通过比对后有效地调整改进不足之处，从而更好地使用，由此，诸如此类的智能功能将形成一个完整的系统来提高学习效率。

四、智能学习桌椅系统硬件技术设计

在硬件技术上，智能学习桌椅系统中作为“中枢神经系统”最为关键的单片机技术，在设计时主要考虑以下几方面：

（1）CMOS化：由半导体技术制造的CMOS芯片，运行过程中静态功耗小，且对功耗的损失能有效控制，基于CMOS能精细管理功耗，CMOS化的单片机满足智能学习桌椅系统的节能和环保的要求。

（2）大容量化：学习工作条件要求的提高，智能学习桌椅系统被赋予多用途多功能的期望也不断增多，只有大容量的存储器才能解决这些多功能集成技术对微处理器的高性能要求，因此，有必要不断提升存储技术，采用新的工艺，制造和应用大容量的芯片内存储器满足需求。

（3）高性能化：精简指令集（RISC）结构的作用和采用超标量和超流水线结构的应用，中央处理器的性能被大大提高，从而进一步加快了指令的处理能力和运算速度，相应的系统控制可靠性也进一步提高。提高的运算速度和可靠性使得引入虚拟外围设备成为可能，在系统中通过软件模拟I/O功能，满足未来智能学习桌椅系统的多功能、高性能的要求。

（4）外围电路内装化：随着半导体集成技术和工艺的不断改进，单片机外围的电路趋于内装化，在智能学习座椅系统中常用的警蜂鸣器、监控时钟、屏幕显示驱动器等外围功能器件能够集成到单片机中，从而单片机的结构进一步简化和规范，引脚相应减少，其集成度更高、体积更小和功能更强，尽可能减少智能学习桌椅系统整体造型设计的影响。

总结

快速发展的智能家居产品极大地改善了人们的生活，但现代信息技术应用还有很远的路要走，积极探索一个完整智能功能的智能学习桌椅系统来提高学习效率，有必要不断改进和探索单片机技术的有效应用，使其能更好地服务于人们的生活。

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