结果表明，学生的读写姿势不正确率高达70%甚至85%以上。不良的读写姿势、不合适的光照条件会令学生不停地调整眼睛的睫状肌，容易降低睫状肌调节能力，进而导致近视[2]。从长远来看，不良的阅读和写作姿势也会对学生的脊柱和颈椎形状，甚至整体形状和健康产生负面影响；另一方面，久坐的办公方式很容易导致肌肉骨骼疾病和颈椎和腰椎疾病[3][4]。
桌椅的高度和光照是决定学生能否形成良好阅读和写作习惯的重要因素。传统桌椅高度固定，不能很好地适应个性化身高。所以，为了让不同身高的使用者培养良好的使用习惯，本项目设计了一款能根据使用者情况自动调节桌面高度的智能书桌系统。除此基本功能外，智能书桌还具有久坐提醒、坐姿不正确提醒、亮度随环境光自动控制LED台灯、风环境温度自动控制速度的风扇、带密码锁的抽屉等功能。同时，为了提高用户的使用体验，也允许用户对桌面的高度，LED手动控制台灯和风扇。
分析设计要求后，绘制系统原理框图，如图1所示。
本设计采用模块化思想，简化系统结构和测试过程。
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人体感应模块用于判断当前是否有使用者。
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身高测量模块测量用户的身高，自动控制和调整桌面高度，以适应用户，使用户能够舒适地坐着使用桌子，从而降低眼睛、颈椎、脊柱等健康问题的可能性。
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坐姿检测模块用于判断用户的坐姿，并将信息反馈给主控芯片，避免用户离桌面太近。
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语音广播模块用于坐姿不正确提醒和久坐提醒。在自动模式下，主控芯片通过亮度测量模块获得的光照控制LED灯的亮度；并通过温度传感器控制风扇的通断和档位，调节温度。
为了适应不同用户的习惯，智能书桌系统还通过键盘模块手动调整桌面高度、亮度、闹钟和抽屉密码锁，提供手动控制功能。显示屏可显示当前时间、温度、光照等信息。
选择了这个设计STM32F407ZET6作为主控芯片，这是因为芯片最多可以使用168MHz直接内置晶振、模数转换器和数模转换器，便于简化电路设计，注重实现系统功能。
通过测距实现人体感应模块、身高测量模块、坐姿检测模块的功能。
常用的测距传感器有激光测距和超声波测距。激光测距采用串行通信（TTL）返回测量距离数据，最小测量精度可达2mm，有效测量范围约为0.02～100m。
超声波测距测量精度相同mm，测量范围0.02～4m。两种传感器的最小精度相同，但激光测距的测量范围较大。
另一方面，激光测距模块尺寸为72mm×40mm×18mm；超声测距模块的尺寸为45mm×20mm×15mm，放在智能书桌上更小更方便。
同时，考虑到书桌系统的实际工作环境是室内的，激光可能会对人眼造成一定的伤害，所以选择超声波测距。
测量精度高的温度测量模块DS18B20温度传感器。DS18B20温度传感器通过单总线与主控芯片连接，主控芯片对从传感器传来的数据进行处理，得到环境温度值。温度传感器的作用不仅是测量室温、提供给单片机判断是否开启风扇降温，而且还用于超声波测距时对超声波速度进行补偿。
采用亮度测量模块GY-由于实现了30亮度传感器，GY-30亮度传感器和主控芯片 IIC总线连接，控制线少；另一方面，GY-30可直接输出环境亮度的数字值，省略复杂的计算环节，无需校准即可获得高精度测量值。
键盘模块和显示模块采用触摸屏集成。为了达到良好的用户使用效果，支持多点触摸屏而不是电阻触摸屏。
采用语音广播模块CN-TTS语音合成模块可以实现中文、英文和数字的语音合成，并支持用户的命令或提示的定制需求。CN-TTS控制方法简单，可兼容5V或3.3V单片机可以通过串口发送GBK控制编码形式。
桌面高度调整模块采用步进电机和传动结构进行调整。步进电机在低速旋转下扭矩大，驱动负载大。相数越多，步距越小，桌面高度调整越准确。选择步进电机，以更准确地控制桌面高度。
升降台的重量W1=16kg，
提升部分重量W2=11kg，
最大载荷W3=56kg，
升降速度 v=13mm/s，
传动效率η=0.6，
所需最大功率为P=V*(W2 W3)*g/η=14.2W。
为保证正常工作，可选择30W功率电机。
图2是主程序流程图。当用户被检测到在桌子旁时，首先检测用户的身高，然后调整桌子的高度、风扇的速度和台灯的亮度，最后监控坐姿，实现不正确坐姿的友好提醒。
此外，如图3所示，该系统还设计了中断处理程序。当人体感应模块检测到人离开桌子时，程序会自动跳出主程序，进入待机模式，以满足低功耗要求。
如图4所示，图5所示，人体感应、身高测量、坐姿检测功能可通过三个超声波测距仪实现。
测距仪1位置固定，测量方向与桌面平行，用于测量模块与用户胸部的水平距离S1，通过判断S1是否小于80cm确定目前是否有人使用书桌。
测距仪2固定在舵机上，可随舵机旋转，其初始测量方向与桌面平行。当判断有人使用桌子时，测距仪2从初始位置向上旋转，测量距离；直到距离突然增加，表明测距仪2发出的超声波已经超过了用户的头部，测距仪2与用户头部的距离S2。
测距仪3位于桌面下方，用于测量桌面到地面的垂直高度S3.根据勾股定理，用户身高为:
获得用户身高后，根据表1桌面高度与身高对应的关系表[5]，自动将桌面高度调整到适合人体的位置。
测距仪1用于间接测量用户胸部位置与书桌边缘的距离L1.测距仪1到书桌边缘的测量距离为60cm，则L1=S1-60。
正确的坐姿，L1应是“一拳”的距离，约为8cm。
当L1＜8cm当系统判断用户胸部位置与书桌边缘的距离不规范时，进行语音提醒。
测距仪2通过用户的身高L自动随舵机调整到适当的位置，并保持不动，以测量其与用户头部的距离S1.用户眼睛与桌面的距离应为1尺，约33英尺cm，可用公式表示：
当 Le2d<33cm当系统判断用户的视线距离不规范并提醒语音时。
通过控制电机驱动桌面升降，实现桌面高度调节。为实现温度的自动调节，主控芯片通过PID算法调制I/O口输出的PWM控制波。单片机通过指定温度和当前温度计算偏差，送入PID控制器，PID操作后，控制器可以计算出最快将误差降至0PWM占空比，单片机通过设置定时器中断产生相应的占空比PWM脉冲控制风扇转速，达到指定温度[6]。
同样，亮度调节也可以通过单片机进行I/O口输出PWM信号的方法来实现。确保人的肉眼看不见PWM脉冲，PWM信号的频率必须高于100Hz[7]即定时器定时间T<0.01s。LED灯的亮度与PWM通过线性调节，信号占空比成正比[8]PWM高电平时间可调光。为了适应人眼的舒适性，桌面上的平均照度值不低于300lx[9]当亮度低于此值时，系统会自动调光。
由于GY-30亮度传感器可直接输出环境亮度的数字值，无需复杂计算和校准即可获得高精度测量值。试验发现，由于温度影响，超声波测距误差，测量值更接近实际值：
式中，t为当前温度(单位:℃），v单位：m/s）。
邀请了10位不同身高的同学对系统进行了整体测试。测试表明，智能书桌可以根据测试人员的坐姿高度将桌面调整到合适的高度，语音模块可以正确播放坐姿矫正和久坐提醒。当切换到手动模式时，桌面高度、台灯、电风扇等模块可以正确响应键盘指令。智能书桌系统可以稳定可靠地完成预设功能。本项目实现的智能书桌参数如表2所示。
本项目基于STM32单片机实现了一张智能桌子。桌子可以根据用户的身高自动初步调整桌面到合适的高度，当用户离桌面太近时发出语音提示，久坐时提示，并根据环境光和环境温度自动调整台灯和风扇。智能桌子帮助用户养成良好的阅读和写作习惯。
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