基于stm32单片机的智能驼背矫正仪设计

郭昊　林懿蕊　梁志莹　江思琦　吴庭俊

青少年在日常學习生活中，背包驼背、上课歪斜坐姿、哈腰站立等错误身姿会形成脊柱和腰椎畸形、近视等疾病，严重影响青少年的身心健康，对于上班长坐、面对电脑人群，长期错误坐姿，很容易形成脊柱和腰椎疾病、加重近视或眼疾。因此，对于青少年和上班人群，矫正错误身姿对身心较康有很大的意义。驼背通常由于长期的站姿、坐姿不良导致脊椎前凸与背部肌肉无力。矫正驼背的方法最有效的是锻炼背部肌肉，以改善驼背情况。

目前，市场上的智能穿戴产品中还没有身姿矫正产品。市场上身姿矫正产品，通常是物理矫正或非智能穿戴电子设备。物理矫正设备通过是通过肩带和腰带进行物理矫正，但是佩戴有压迫和拘束感，很不舒服;非智能穿戴电子设备，通常对身姿的角度和时间的限定没有一个精确的、可视化的直观数据，也不能对身姿长周期数据存储、处理、显示等进行健康监测。本作品是一个可以让人自觉保持良好站姿、坐姿，并长期坚持训练，以此来达到驼背矫正的效果的仪器。

智能驼背矫正仪工作原理

将仪器置于使用者背部，当仪器开启时通过六轴模块MPU6050实时监测当前背部角度，STM32单片机获取角度信息，并通过程序判断当前使用者的动作状态，当使用者当前姿势不良，就会通过振动模块进行持续振动来通知使用者需改正不良姿势，振动会持续到使用者恢复良好姿势。全部过程数据会通过蓝牙模块发送到APP，并且APP会接收初始数据进行再一次的计算来判断当前状态，通过单片机计算数据加上APP计算数据进行更加准确地判断。APP还可以控制单片机改变模式，使仪器在记录模式、训练模式、监测模式三种模式中进行切换。

三种模式介绍

（1）记录模式

记录模式仅仅是记录使用者的一段时间的背部弯曲情况并进行统计记录，但不会进行提醒。目的是让使用者了解自己在不受监测的情况真正的情况，统计记录的情况可以在APP上显示。

（2）监测模式

监测模式是在记录模式的基础上加上一个震动提示功能，当使用者背部角度大于一定角度且持续时间较久就会进行提醒，用于提醒使用者时刻注意姿势情况。

（3）训练模式

训练模式是设定一定时间，需要使用者要在这段时间内处于正确的姿势才能通过，以此长久每天训练来达到矫正的功能。

智能驼背矫正仪硬件设计

智能驼背仪使用时，按下开关机按键后，将该身姿矫正智能穿戴设备固定在锁骨至后背的任意位置上，佩戴者保持一个正确姿势，六轴姿态传感器对佩戴者的正确身体姿态进行实时检测并将检测到的信号输出给微处理器，微处理器将佩戴者的正确身体姿态存储在数据存储器中;佩戴者学习或工作过程中，微处理器将其接收到的佩戴者的身体姿态信号与存储在数据存储器中佩戴者的正确身体姿态进行比对，并记录佩戴者的身体姿态信号超出佩戴者的正确身体姿态的时间，当佩戴者出现驼背等姿势不端正且有一段时间的时候，佩戴者的身体姿态信号超出了佩戴者的正确身体姿态，且记录的时间超过了预设时间，此时，微处理器控制振动马达电路中的振动马达振动，提示佩戴者纠正姿势。

通过mpu6050模块获取背部角度检测方法

MPU6050 是一款姿态传感器，使用它就是为了得到待测物体（如四轴、平衡小车）x、y、z轴的倾角（俯仰角Pitch、滚转角Roll、偏航角Yaw）。我们通过I2C读取到MPU6050的六个数据（三轴加速度AD值、三轴角速度AD值）。MPU6050可以输出三轴的加速度和角速度。通过加速度和角速度都可以得到Pitch和Roll角（加速度不能得到Yaw角）。MPU6050的加速度计和陀螺仪各有优缺点，三轴的加速度值没有累积误差，且通过计算tan（）可以得到倾角，但是它包含的噪声太多（因为待测物运动时会产生加速度，电机运行时振动会产生加速度等），不能直接使用;陀螺仪对外界振动影响小，精度高，通过对角速度积分可以得到倾角，但是会产生累积误差。所以，不能单独使用MPU6050的加速度计或陀螺仪来得到倾角，需要互补。

本设计运用了一阶互补算法来获得mpu6050的偏移角度。一阶互补算法的思想就是给加速度和陀螺仪不同的权值，把它们结合到一起，进行修正。以此获得的角度比以前更加精确和稳定。

小结

在本次设计的功能中，对以下功能进行了达标测试，通过测试结果可得各功能的达标情况，如下：

（1）检测准确率95%;

（2）震动提醒准确率95%;

（3）手机APP可以进行数据显示;

（4）手机APP可以进行模式改变。

传感器的身姿矫正智能穿戴设备，其结构简单，设计合理，使用舒适度高，工作可靠性和稳定性高，能够对驼背、腰椎和脊柱弯曲等进行早期预防和辅助治疗，实用性强，使用效果好，推广应用价值高。

参考文献

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[2]占华林.基于MPU6050六轴传感器平衡小车的设计[J].电子测试，2017，第21期：10-11

[3]马龙.多传感器互补滤波器数据融合算法设计[J].计算机工程与设计，2018，第39卷：3080-3086