智能书桌的创新设计

2017-2018学年第1学期创新思维与科学决策课程目:智能书桌的创新设计专业班级：机械设计制造及其自动化1606班学生姓名：郑永辉学号：201615030128评价内容分值得分总分结构50分选题30分20分智能书桌的创新设计摘要：众所周知，现在大学生的宿舍空间十分狭窄，而宿舍又是一个小型公共空间，平时收取放置生活用品、学习用品都有诸多不便，传统的床上书桌功能单一，结构不够合理，所以书桌上很容易出现脏乱的现象，让学生们苦恼不已，特别是那些有“强迫症”的同学更是百般无奈。论文设想利用单片机技术进行智能床用智能书桌的设计，以实现自动折叠、自动收取与放置、多功能智能化操作、手机无线连接控制、USB接口、桌上灯光的自动化调节等功能。在有限的空间里为学生们打造最舒适方便的学习生活环境。关键字：智能书桌单片机宿舍床用多功能便捷一、现状现在有相当一部分在校大学生平时绝大多数时间是在床上度过的，学习娱乐都在床上书桌上完成。有研究表明，床上书桌桌面太矮，长时间学习娱乐容易造成下肢麻木疼痛、肢体扭曲，坐姿不正和用眼过度也很让学生们苦恼；其次，床上书桌的功能单一，结构不够合理，无法满足学生们学习生活的需要。因此，宿舍中需要配置一种设计合理、多功能、智能化的新型床用书桌，实现自动折叠、自动收取与放置、多功能智能化操作、手机无线连接控制、USB接口、桌上灯光的自动化调节等功能。在有限的空间里为学生们打造最舒适方便的学习生活环境。二、智能书桌的创新设计1.自动折叠功能的实现宿舍的主要问题就是空间狭窄，因此智能书桌的自动折叠功能尤为重要。通过单片机控制强扭力舵机来实现书桌的自动折叠功能。书桌贴近墙壁一侧的支撑面、平实的桌面和两个桌腿”。舵机安置于三个结构的衔接处，并且所有结构均隐藏在书桌的里侧。同时书桌的侧边支撑面是中空结构，所以内部布线使得外观十分美观，且书桌因此变得十分轻便易于携带。通过开关发送给单片机一个折叠的命令，在按下开关后就可以实现智能书桌的自动折叠。现代电子技术的高速发展，使得数字系统在各类产品中的应用也越来越广泛，对于外界环境的变化，通过光电、超声波、红外线测距传感器来实时监测和接受外界的数据。将到的所有信息通过A/D、D/A的转换，即模拟与数字信号的相互转换，然后把转换了的数字信号传递给单片机。单片机就通过已经烧录进去的给定程序，来对相应设计的系统来进行操作。书桌的折叠通过安置在书桌侧面的一个按钮装置，轻轻的一按便可实现书桌的自动折叠，折叠后的书桌宽度仅有5cm，贴于宿舍墙壁上，不占用其余床铺空间。2.蓝牙远程控制系统的设计书桌的各个功能，自动折叠、灯光、上下交互、矫正等系统，均通过单片机和电路与蓝牙建立连接，因此手机上下载一款蓝牙控制的app软件之后，书桌的全部功能就都可以通过手机来控制了。书桌的各个功能系统通过单片机相连接，由手机终端或者书桌上的按钮来进行各种操作控制。将控制程序烧录进单片机后，只要手机或者按钮开关的启动信号传递给单片机，其便可通过已经写好的程序，开始对各个功能系统的启动与控制。自动折叠、灯光、上下交互和身姿矫正系统的传感器装置，会在单片机接收到信号指令之后开始检测工作，并将检测到的AD值传递回单片机，最终采集值和预定值对比后，开启相应的工作。自动折叠功能，通过手机或者按钮开关开启或者关闭后，都会直接传递给单片机系统一个响应，然后做出相应的指令。3.自动上床下桌交互功能的实现该功能主要用于“上床下桌”宿舍的“上床”与“下桌”的交互连接。它可以将下面桌子上的东西自动传送到床上。床体靠近墙的一面利用齿轮传动连接一个小型无盖升降箱，联接图片识别系统，提前将各个物品的图片录入系统。利用手机终端控制选取物品，“下桌”系统将物品放置进升降箱，压力传感器运行启动升降功能，手动停止升降工作，实现下桌物品的“上传”功能。4.“下桌”桌体的设计首先是书架的升降，在床下桌体的左右箱体内部设置有书架，书架下部安装有四个小电机，通过调整他们的接线顺序是它们的上升与下降转动一致。然后是箱体的左右移动，与箱体固接两个电机，通过调整它们的安装位置与方向，使其通电后的旋转方向能够保持一致，电机的输出轴上安装相应的齿轮，对应位置的桌面下部安装有横向的的齿条轨道，电机旋转带动齿轮旋转，齿轮在齿条的预定轨道上啮合转动，实现箱体的左右移动。5.姿势矫正系统的设计将光电测距传感器安置于桌面的下方，并将其与一蜂鸣器装置链接。它具体的工作方式是，光电传感器检测人平时使用书桌时与桌面的距离，并有两种模式。“写作模式”和“电脑使用模式”，在“写作模式”下，身势不端正，距离与桌面低于一拳；“电脑使用模式”下，距离设定为一扎（15cm）的情况下，会被系统认定为姿势不规整，然后蜂鸣器将会发出警报，提醒同学更正姿势，以达到矫正坐姿的目的，以及减少因坐姿不正造成的下肢麻木疼痛和脸部长时间贴近电脑造成辐射过大、眼睛疲劳、上身嵴柱弯曲等问题。6.灯光控制系统的设计这款书桌的设计主要在于智能化和便捷化，所以设计了一套灯光自动调节系统。在宿舍里，尤其是在床上，很多时候是很不在意光线的变化的，以至于很多同学用眼易疲劳，近视加深。所以在书桌上采用GY-30数字光模块，这款数字光模块可对周围光环境进行高精度检测，传感器内置16bitAD转换器，将模拟信号转换为数字信号传递给单片机，然后通过程序控制单片机IO口的输出，以达到对于灯光的控制。最终实现无需人随时关注，这个系统会根据周围光线，自动将光度调节到最适宜学习的亮度。7.外置接口的设计在USB技术已经十分成熟的今天，在宿舍中，仍有不少同学反映USB接口不够用的问题。所以在书桌的侧方支撑面外侧安置了一些USB接口，可以对不同的设备进行供电等，如手机、USB小台灯等。8.时钟设计采用触发-循环-定时-延时开关，并且用 MOS管控制板代替继电器，可实现电路高频快速频繁通断且通断过程不会产生噪音、电火花和电磁干扰。能向人提供不同循环时长的定时需求，为备忘事项提醒提供自由的时间域，同时可以定时控制语音播报系统，当人短暂离开后不会立即关闭电源，超过一定时限后自动关闭电源以节省电能。9.桌面的人性化设计保证桌面能够给前臂以及两个手肘相应的支撑，进而预防因为坐姿不正确而带来的安全隐患。桌面的人性化设计包含两方面的内容，一方面是合理的支撑位置，另一方面是合适的支撑高度。有研究参考人体工程学理论，对桌子的设计进行了深入的研究，随之，一种新型的桌面结构设计——支肘板，开始出现在公众的视野中。这种桌子的人性化设计主要体现在：在传统矩形桌面中接近使用人员那一侧的中间位置开出了一个内凹形状的弧形缺口，这个缺口要比使用者的腰部的宽度稍微宽出来一些，在内凹的位置两侧，都要向外凸出，这部分就叫做支肘板。当使用人员在使用桌面的时候，腰部位置能够很容易进入到其中内凹的位置中。支肘板是放双肘的位置，也就是说，这种人性化设计的支肘板桌面改变了传统的矩形桌面样式，形成了一种凹形的桌面。对于使用人员来说，在桌面上进行工作或者学习的时候，前臂与双肘的支撑位置位于身体的两侧，能够让身体在下面放松，相对比较科学。为使用人员的双肘与前臂提供支撑位置只能说是完成了支肘板的一半任务，同时还需要设计合理的支撑高度，把使用人员、工作面以及支肘板这三者之间的高度关系协调到位。这其中需要遵循的原则有点：一方面，支肘板的高度与使用者的肘的高度进行比较，使其基本保持在同一个高度，也可以比肘高稍微低一些，这是符合人体工程学理论的。因为支肘板是为使用者服务的，所以要适应使用者，这样才能体现其设计的人性化。第二个方面的原则是，比较坐姿工作面跟支肘板的高度，两者要保持相同的高度，也可以是前者比后者稍微低一些，这样前臂就与手保持了顺直的坐姿。我们需要注意的一点就是，不同的桌面作业，其工作的高度也不一样：伏案工作所使用的工作面就是桌面本身，而键盘操作的工作面却是键盘表面，鼠标操作的工作面是鼠标下面的桌面。基于这些原则，在确定各个环节的高度时依据的是：坐姿的肘高大于支肘板的高度，支肘板的高度要大于工作面的高度。根据这些研究数据，我们要将其并入智能化系统，利用单片机优越的性能把桌面支肘板的高度与位置调节自动化，桌面安装压力传感器，将桌面的受力位置及大小等信号传输到单片机，然后由单片机发出调节指令，启动桌面下的齿轮缓缓调节支肘板，使其移动到最佳位置。三、智能书桌设计的关键1.单片机强大的性能，使其可以快速的处理各种程序命令，协调好同各个系统之间的关系，通过单片机和系统之间良好的配合与控制，从而保证了书桌功能的稳定性；2.远程蓝牙信号与各个系统之间的链接；3.AD信号采集的准确性，系统反应的时效性，折叠功能中对于舵机的控制，通过舵机可以精确地控制和定位书桌的折叠程度，高精确性的各种传感器模块，将检测到的信号即时的传递回单片机。四、创新性分析1.书桌的自动折叠。能够极大地节约空间，方便宿舍中的学习与生活。2.“上床下桌”的自动化交互。使下面桌上的物品自动传输到上面的床上，使床上的人不用经常下床拿放东西。3.可以实现姿态矫正。姿态矫正功能能够减少因坐姿不正造成的下肢麻木疼痛和脸部长时间贴近电脑造成辐射过大、眼睛疲劳、上身脊柱弯曲等问题。4.可以实现灯光调节。灯光调节系统会根据周围光线，自动将光度调节到最适宜学习的亮度，有利于保护眼睛视力。5.桌面支肘板的自动化调节。方面多个人对书桌的使用，不用频繁的手动调节支肘板，方便大家的学习生活。五、结论传统的宿舍床上小书桌具有功能单一、结构不合理、占用空间大、平时的收取和放置不易等缺点，给生活和学习带来诸多不方便的地方。论文结合单片机技术进行了宿舍床用新型智能书桌的设计，智能书桌可实现自动折叠、手机蓝牙操控、多功能智能化操作，而且还有灯光的智能调节、和USB接口的设计等功能。最大限度的利用有限的宿舍空间，为同学们打造一个更加舒适便捷的生活学习环境。参考文献：[1]李智辉.基于ARM的舵机控制器研究[D].北京:北京理工大学,2008:42-46.[2]侯亮,唐任仲,徐燕申.产品模块化设计理论、技术与应用研究进展[J].机械工程学报,2004,40(1):56-60.[3]李元建.蓝牙与智能家居[J].电子技术,2007,02.[4]赵兴琪.宿舍床用智能书桌的设计[J].电子世界.2017.07[5]高林.单片机原理与微机原理综合仿真系统的设计及应用[J].实验技术与管理，2014.03.[6]罗昊，万在红.基于STM32的智能多用书桌[J].数字技术与应用，2016.11.[7]张晖，李少云，谢康.自动化折叠内藏式书桌的设计[J].科技风.2014.05.[8]许可如，产婵.书桌的人性化设计研究[J].艺术科技.2017.04.