基于压力传感器的坐姿识别系统的设计与实现

摘要

坐姿状态是人体学习、工作或娱乐最常使用的状态，但长期的坐姿状态如果不加以调整或保持错误的坐姿状态下专注于学习或工作，是会产生很多危害的，如驼背、近视、颈椎疾病、脊柱损伤、发育不良等。因此本文致力于设计与实现一个真正能够检测人体处于座椅时的压力分布状态的坐姿识别系统。国内外对于坐姿状态监测方法以及对智能座椅的研究方法主要分为研究人体处于电脑前工作时的视频，在该视频中按一定的时间规律分析某几帧图像人体的头像定位从而判断是何种坐姿。本文设计的坐姿识别方法是软硬件结合的方式，由座椅上的若干个压力传感器采集人体坐姿压力信号，通过单片机进行数据分析，由PC显示人体坐姿的分析结果。本系统所设计的坐姿检测系统成本低、可复制性强、工艺可实现，针对学生群体、办公群体等久坐人群都有很好的普遍使用性，不需要摄像头等复杂的检测系统，可方便随时对座椅上的人体坐姿给出实时分析结果，对于不良坐姿所产生的上述疾病具有针对性的指导意义。
　　本研究主要内容包括：⑴压力传感器阵列的压力设计。压力传感器作为本系统的关键硬件电路部分，承担着对人体压力信号的初步采集工作，对于压力传感器的要求，有精确度高、成本适中、性能稳定、耐用不易损坏、对压力较敏感、适用于人体直接接触且没有异物感等特点。压力传感器作为一种特殊电子元器件，在各个领域所选择的都有所不同，本文采用广泛应用于电子秤中的压力应变片式的压力传感器。经过一段时间的测试与比较并最终设计本文的压力传感器阵列平铺于座椅、靠背、扶手上，并可根据实际座椅情况变化压力传感器阵列的摆放位置。⑵硬件电路的设计。本系统的硬件电路分为主控制器部分、压力传感器部分、信号采集部分与显示部分。信号采集部分中通过压力传感器感应到人体模拟信号的压力，通过24位的A/D转换器HX711芯片将模拟信号转换为数字信号并传递给系统主控制器。主控制器接收到压力传感器的压力变化值，精确的判断出哪一个传感器的变化，通过算法分析和判断分析每一压力传感点所承担的人体的压力变化值，得到座椅中哪几个关键点的压力变化从而判断人体坐姿压力分布状态。这一状态通过RS232串口传送到PC上，通过串口显示出控制器的坐姿分析结果。⑶软件部分的设计与系统的整体调试。软件部分主要分为信号的采集、分析与显示几部分。本部分的关键技术为主控制器如何收集到每一个传感器每一次的压力状态值，针对不同的传感器变化组合应该如何判定人体的坐姿，该算法建立在系统一次次的调试与实验结果数据分析基础上做相应的调整。最后，通过针对不同压力值下的人群在本系统上进行坐姿测试，系统可识别出人体的当前坐姿状态，如身体前倾、坐姿正确、身体靠左等。分析和实验结果表明:本文设计的基于压力传感器的坐姿识别系统确实可行，可应用于学生课桌椅或办公椅上做大量推广，是一项真正改良人们坐姿习惯的智能坐姿系统。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及目的、意义

1．2 坐姿识别系统的国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文的主要研究内容及组织结构

1．3．1 主要研究问题

1．3．2 本文主要研究内容

1．3．3 本文的组织结构

1．4 本章小结

第2章 学生及办公群体的不良坐姿分析

2．1 学生群体的坐姿对生长发育的影响

2．2 正确坐姿的定义

2．3 坐姿检测的几种方法

2．4 本章小结

第3章 系统原理详述

3．1 系统总体方案

3．2 数据采集

3．2．1 传感器阵列

3．2．2 信号处理

3．3 数据节点

3．3．1 数据收集

3．3．2 串口发送

3．4 通信方式

第4章 坐姿检测系统的实现方法

4．1 系统硬件设计

4．1．1 压力传感器

4．1．2 HX711

4．1．3 MCU

4．1．4 数据收集系统

4．2 系统软件设计

4．2．1 Keil开发系统

4．2．2 数据接收

4．3 系统的调试与运行

4．3．1 单个传感点的调试

4．3．2 传感器阵列的调试

4．3．3 系统整体调试

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

附录