基于STM32F103RCT6单片机的户外多功能智能长椅设计*

2021-11-15张金花邵晨伟

南方农机 2021年21期

朱凯，张金花，邵晨伟，佘勃

（宿迁学院机电工程学院，江苏宿迁 223800）

0 引言

随着现代化生活越来越丰富，人们生活的压力也越来越大，日常的休息、娱乐就显得尤为重要。社区、公园、广场等公共场所作为人们茶余饭后小憩的主要场所，为了方便人们休闲，都设置了休息长椅。普通长椅只能供人们疲劳后的短暂休息，不能满足人们（尤其是老年人）个性化的生理和心理需求。

国外户外休闲产品市场无论在休闲活动市场上还是户外旅游上都相对成熟，如2016年，在美国纽约的时代广场就出现了一款“X”型户外爱心躺椅，为人们提供一个宁静舒适的休息之地。另外，在美国部分公园中出现了一种多功能长椅，这种椅子在提供手机充电功能的同时还满足了人们休息的需求。它是由一家初创公司发明的，椅子安装了太阳能转换装置，人们可以使用上面的USB接口为手机充电，该功能为了保护客户隐私还给硬件部分装配了保护，如果有人试图拆除或者破坏保护部分，充电器就会断开充电。而且，长椅还设置了显示电脑，能够收集城市的空气质量、日照强度以及过往的人群密度并在显示屏上显示出来。由于这种长椅性价比较低，目前在社区街道和公共场合还没有普及。英格兰西部的两个小镇则尝试在公园设置“聊天长椅”，以降低人们的孤独感。

相比以上产品，我国的户外休闲长椅多为大型的躺椅，这类躺椅虽然十分舒适，但仅仅是提供休息，没有考虑实现其他用途。也就是说，我国早期在户外休闲用品的人性化设计方面几乎是一片空白[1]。经调查研究发现，我国目前户外休闲椅在设计方面普遍存在着功能单调、设置不合理等问题，要使户外休闲椅满足户外活动人群的需求及达到与环境的协调统一，必须关注和谐理念，将和谐化设计的相关理论融入户外休闲椅的设计过程中。和谐化设计的相关理论研究及其实践活动是时代发展的需要，但目前尚处在较初级的阶段，还需要进一步地拓展和深化，尤其是在应用研究领域的深化[2]。另外，人口老龄化是我国日益严重的问题，关爱老年人健康，为老年人设计辅助产品和服务，将是重中之重。基于“人-户外休闲躺椅-环境”相互协调，目前已研究设计出一款满足老年人生理和心理需求的可携式户外休闲躺椅，以解决老年人睡眠和站立困难等问题[3]。伴随着智能时代的来临，目前还研究设计出一款基于公共空间的多功能长椅，它可以供给有需要的路人为手机充电以及进行LED灯照明，该长椅也可变化成睡床，隐含折叠帐篷，满足无家可归者的临时居住需求。这款长椅功能较多，成本较高，目前也尚未推广应用[4]。

本课题兼顾了人们户外休息与休闲娱乐的需求，设计了一款多功能智能长椅，在普通长椅的基础上增设了天暗亮灯、手机充电、自动播放音乐等功能，使人们在休闲时还可以享受到一定的服务，提高了人们整体的户外休闲生活质量。该设计有一定的创新性，同时前景十分广阔。

1 总体方案制订

课题组采用STM32F103RCT6单片机为主控芯片，设计了一款性能优良、运行可靠的户外智能长椅，其主要由STM32F103RCT6单片机、USB充电模块、音乐播放模块、光敏电路传感器、驱动电路模块等组成，如图1所示。该系统设计原理是：当人们使用长椅时，通过光敏感应模块检测环境，若光线不足，则自动点亮LED灯，提供照明；同时控制板上有手机充电模块、音乐播放模块为人们提供充电和点歌娱乐的功能，使人们身体休息的同时，精神也得到充分的放松。

2 硬件电路设计

2.1 STM32F103RCT6简介

这次单片机设计采用的是STM32F103RCT6芯片，这个单片机包含了32位的高速时钟、存储器、内置的温度传感器、复位、Cortex-M3内核和电源管理。而作为高速的嵌入式的存储器，器件拥有一路PWM定时器、两个12位的ADC通道和三路通用16位定时器，以及两个IIC数据传输接口与API数据传输接口，还有一个USB通道等。单片机耗能小，工作电压低，仅为2.0 V~3.6 V。芯片实物如图2所示，文献[5]介绍了STM32F103RCT6单片机的功能。

图2 STM32F103RCT6单片机芯片

2.2 按键输入模块

通过按键来调试音乐播放功能，按键功能：K1.播放；K2.暂停；K3.上一首；K4.下一首。按键模块电路图如图3所示。

图3 按键模块

2.3 光敏电阻传感器模块

本设计添加了自动补光系统，即在光线较暗的情况下能够提供充足的光源，感应元件可以感应到光线的强弱，利用这一特性来实现自动补光功能。光线强度较强时，光敏电阻阻值变小，就形成通路（并联的两个LED灯都亮），无信号输出。光线强度较弱时，光敏电阻阻值变大，形成断路状态（只有另一个支路的LED灯亮），获得此时环境中光线较暗的信号输出给MCU，再由MCU控制驱动模块让LED灯亮（红灯）。光敏感应电路中增加绿色LED灯则是为了让电路状态显示更加明了，光敏模块电路图如图4所示。

图4 光敏模块

2.4 驱动模块电路

继电器的本质是用一个回路控制另一个回路的通断，其基本原理是利用电磁效应控制机械触点达到通断的目的，用铁芯给线圈通电，对线圈电流产生磁场，并吸收电枢作用使触点通断。输入电压以及MCU光线较暗信号的输入给线圈通电，开关闭合，与LED（红灯）形成回路，光线较暗时，照明灯就会打开。继电器驱动模块的电路图如图5所示。

图5 驱动模块电路

2.5 USB充电模块

对于长椅增加手机充电功能而言，USB接口符合市面上大部分手机的充电接口，而且这一措施也十分便利，防止出现人们在椅子上休息时手机电量耗尽的情况，以备不时之需。

本设计使用TP5100充电元件，充电电路如图6所示，现介绍引脚功能如下：

图6 充电电路

引脚16和引脚1的作用是接输入电压；

引脚2和引脚3的作用是MOS管为输出端，连接USB数据线给手机充电，并联二极管（保护MOS管防漏），串联电感（阻交流，通直流），并联两个电容（提高工作效率，降低损耗）；

引脚9和引脚8的作用是串联回路来检测充电进行；

引脚12的作用是设置恒流电流；

引脚15的作用是元件开始导电和充电进行中蓝灯常亮。

2.6 音乐播放模块

本设计使用DY-SV17F语音模块，UART串口控制的引脚1接MCU的RX端口和引脚2接MCU的TX端口同时给MCU输送串口信号，通过引脚5接MCU的PA7口接收播放音乐的信号，引脚18和引脚17接喇叭的正负极和5 W的功放芯片来直接驱动3 W~5 W喇叭，板载32Mbit flash存储音频，通过USB下载音频文件，如图7所示。