吳博 鄭俁昊 隋宏亮

摘要：近視已經(jīng)成為困擾當(dāng)前很多人的一大難題，當(dāng)今社會中小學(xué)生的繁重的學(xué)習(xí)任務(wù)是引起近視的一大重要因素，因此從小養(yǎng)成一種良好的坐姿和閱讀寫作習(xí)慣能有效地避免近視。本系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機為核心控制單元，通過超聲波測距技術(shù)和紅外檢測技術(shù)檢測與使用者之間的距離，光線強度檢測技術(shù)檢測使用者的周圍環(huán)境光線，以此來判斷使用者此時的坐姿和光線環(huán)境是否標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，報警系統(tǒng)提醒使用者糾正不當(dāng)?shù)淖撕蛯ふ液线m的學(xué)習(xí)環(huán)境，從自身和外界兩個方面糾正青少年不良的學(xué)習(xí)習(xí)慣，從根本上解決近視問題。

關(guān)鍵詞：近視；單片機；傳感器；PWM

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）12-0203-03

1 引言

世界衛(wèi)生組織最新研究報告稱，目前中國近視患者人數(shù)多達6億，幾乎是中國總?cè)丝跀?shù)量的一半。我國高中生和大學(xué)生的近視率均已超過七成，并逐年增加，青少年近視率高居世界第一，小學(xué)生的近視率也接近40%，青少年近視率排世界第一。近視在我國已成為一個嚴(yán)重的，亟待解決的社會問題。大部分中小學(xué)生，由于缺乏自覺意識和自我防護意識，家長和老師不能每時每刻守在身邊加以提醒，所以容易養(yǎng)成不良的閱讀寫字習(xí)慣，這種壞習(xí)慣一旦養(yǎng)成就很難改掉，日復(fù)一日地惡性循環(huán)使許多學(xué)生過早的戴上眼鏡，不僅在生活上很不方便，而且對青少年的身體和心理也有很大傷害。

通過網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)在市場相關(guān)產(chǎn)品的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)產(chǎn)品是通過外力的作用，將身姿強行糾正。例如，支架式坐姿矯正器、背背佳、矯正坐姿椅等等。因此這些產(chǎn)品自身存在著很大的局限性，對身體有很大的負擔(dān)，會造成呼吸不暢，身體因長時間緊繃得不到放松而僵硬酸痛等等。而且這種被動的身姿矯正還會讓人產(chǎn)生厭倦和抵觸的心理，一旦停止使用，讀書學(xué)習(xí)的姿勢又會變成原來那樣，不能讓人養(yǎng)成一個良好的閱讀寫作習(xí)慣。

本系統(tǒng)主要是針對長時間閱讀學(xué)習(xí)的中小學(xué)學(xué)生，以人為本為核心理念，將電子學(xué)、物理學(xué)、人體工程學(xué)相結(jié)合的智能電子設(shè)備。能夠及時提醒讀寫者，端正坐姿，挺直腰背，主動培養(yǎng)自覺意識，養(yǎng)成良好的讀寫習(xí)慣，提高學(xué)習(xí)效率，有效防止駝背、脊椎彎曲以及近視等生理疾病，即使在停止使用后，仍然自覺的保持良好的閱讀自而坐習(xí)慣，從而有效的保護學(xué)生的身心健康。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機作為核心控制器件，結(jié)合超聲測距、光線檢測、蜂鳴器報警、液晶顯示、LED控制等外圍電路，可實現(xiàn)使用者坐姿檢測、學(xué)習(xí)光線環(huán)境檢測、報警、人機交互、環(huán)境光線補充等多項功能。供電系統(tǒng)分為兩部分，一部分給單片機供電，由開發(fā)板自身的micro USB接入；第二部分給LED補光燈供電，使用9V電源，經(jīng)LM2940降壓后接入LED補光燈模塊。另外還有兩個獨立按鍵分別控制LED燈的開關(guān)和超聲波報警的距離閾值。系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

2.1 超聲波距離檢測模塊的設(shè)計

超聲波測距模塊主要實現(xiàn)對使用者與本裝置距離的測量，通過數(shù)據(jù)比較，再由單片機程序判斷使用者的坐姿是否正確，若不正確，則由報警系統(tǒng)報警提醒使用者糾正坐姿。

采用IO口TRIG觸發(fā)測距，單片機的P1.5給TRIG至少10us的高電平信號，模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回，有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平給單片機的P3.2，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=（高電平時間*聲速（340m/s））/2。本模塊使用方法簡單，一個控制口發(fā)一個10us以上的高電平，就可以在接收口等待高電平輸出。一有輸出就可以開定時器計時，當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r就可以讀定時器的值，此時就為此次測距的時間，方可算出距離。超聲波測距模塊電路圖如圖2所示。

2.2 光線檢測模塊的設(shè)計

光線是學(xué)習(xí)環(huán)境中一個最重要的影響因素，在光線不足的環(huán)境中學(xué)習(xí)很容易導(dǎo)致近視。光線檢測模塊主要實現(xiàn)對環(huán)境光線強度進行實時監(jiān)測，判斷周圍環(huán)境是否過暗。

GY-30是一個數(shù)字環(huán)境光傳感器集成電路，光電二極管PD檢測到光線強度，產(chǎn)生電流，到達運算放大器AMP將電流轉(zhuǎn)換成電壓，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換成16位數(shù)字信號，送入邏輯運算器中計算出光照強度，通過標(biāo)準(zhǔn)的NXP IIC通信接口將數(shù)據(jù)傳入單片機，OSC為內(nèi)部振蕩器，其時鐘頻率值為320KHZ，內(nèi)部邏輯時鐘。

GY-30光強度傳感器直接數(shù)字輸出，省略了復(fù)雜的計算；不區(qū)分環(huán)境光源種類，有很強的適應(yīng)性；其分光特性接近于視覺靈敏度，能計算出更適合人眼的光線強度；光照度范圍大，可測量0-65535lx范圍內(nèi)的光強。

光線檢測模塊框圖如圖3所示。

2.3 LCD顯示模塊的設(shè)計

LCD液晶顯示電路，主要由LCD1602液晶顯示器組成，能夠較好地顯示，達到目的要求。主要用于顯示每次開機之后提醒警報被觸發(fā)的次數(shù)，可以借此明確知道使用者自身觸發(fā)警報的次數(shù)，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)可以知道近段時間自身的狀況，能夠促使學(xué)生有意識的主動改正不良的坐姿習(xí)慣。

2.4 報警檢測模塊

考慮到學(xué)生學(xué)習(xí)環(huán)境的多樣性，而且是以在學(xué)校學(xué)習(xí)為主。報警系統(tǒng)是由兩部分構(gòu)成，一部分是有聲警報：由一個NPN三極管，一個1k電阻和一個蜂鳴器組成，當(dāng)使用者在家學(xué)習(xí)時，可以設(shè)置為響鈴模式，能夠有效的提醒使用者。另一部分是振動警報：由一個NPN三極管，一個1k電阻和一個1027振動馬達組成，當(dāng)使用者在學(xué)校學(xué)習(xí)，可以將本裝置設(shè)置成振動模式，這樣既不會影響到其他人學(xué)習(xí)，同時也可以起到提醒自己的作用。這兩種提醒模式適用于各種場合，大大增加了產(chǎn)品的實用性。

2.5 LED補光燈模塊的設(shè)計

LED補光燈模塊由4顆功率1W的LED燈珠并聯(lián)組成。當(dāng)光線檢測模塊檢測到用戶周圍環(huán)境過暗時用戶可以選擇打開LED補光燈，其發(fā)光強度是單片機根據(jù)當(dāng)前光線環(huán)境計算出的基本最適合的光強。人眼的主觀亮度與主光源和外界光強的對比度有關(guān)。主管亮度感覺S與光源亮度B的對數(shù)成比例，其公式如下：

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

近視防護儀系統(tǒng)的設(shè)計以Keil u Vison4為編程軟件，采用比匯編語言簡潔且更加方便移植的C語言作為編程語言。C語言是國際上廣泛流行的計算機高級語言，功能強大，使用靈活的過程性編程語言，既可用于編寫應(yīng)用軟件，又能用于編寫系統(tǒng)軟件。它的語言簡潔緊湊，使用方便靈活，具有豐富的運算符、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)化的控制語句，能夠?qū)崿F(xiàn)在其他高級語言中難以實現(xiàn)的運算。本產(chǎn)品主要程序都是利用C語言編寫，主要有：超聲波模塊驅(qū)動程序、光線檢測程序、LCD1602液晶屏驅(qū)動程序、報警檢測程序、LED控制程序，按鍵控制程序、延時程序等。

3.1主程序系統(tǒng)流程

先對系統(tǒng)上電，之后運行各個模塊的初始化程序，等系統(tǒng)初始化工作完成并能進行穩(wěn)定工作后，光線傳感器模塊及超聲波測距模塊開始測量數(shù)據(jù)，并且將測量的數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換、放大等操作后再送入單片機中進行分析。在程序中設(shè)置了一個5ms定時中斷，主要用來進行光線強度檢測和超聲波距離檢測。主程序流程圖如圖4所示。

軟件設(shè)計中最重要的部分是中斷部分的超聲波測距和光線檢測，其程序流程圖如圖5所示。

部分程序清單：

void main（）

{

int m=0；

int temp=0；

int q=0；

//a=0；

TMOD = 0x01；//使用定時器T0進行5ms定時

TH0 = 0x0EC；

TL0 = 0x78；

EA = 1；

ET0 = 1；

TR0 = 1；

delay_nms（200）； //延時200ms

InitLcd（）； //初始化LCD

Init_BH1750（）； //初始化BH1750

while（1） //循環(huán)

{

if（m==1）

{

temp++；

}

DisplayOneChar（0，0，'t'）；

DisplayOneChar（1，0，'i'）；

DisplayOneChar（2，0，'m'）；

DisplayOneChar（3，0，'e'）；

DisplayOneChar（4，0，'：'）；

// DisplayOneChar（4，4，k）；

d=z/10； //十位

e=z%10； //個位

xianshi（d，e）；

//BUF[8]=0； // rst1=1；

// delay_nms（1）； /* */

}

}

4 結(jié)語

針對當(dāng)今社會人們普遍關(guān)注的青少年近視問題，提出了一種基于STC12C5A60S2單片機的智能近視防護儀設(shè)計。結(jié)合超聲波距離檢測，實時測量使用者與裝置的距離，判斷其坐姿是否正確，同時通過光線檢測，判斷當(dāng)前環(huán)境是否適合學(xué)習(xí)。與市場上的各種身姿矯正儀不同，本設(shè)計從自身和外界環(huán)境兩個方面同時著手，既防止由于青少年自身主觀原因?qū)е碌慕?，也防止了由于外界光線等客觀因素導(dǎo)致的近視。由試驗結(jié)果表明，本設(shè)計具有集成化和較高的自動化優(yōu)點，并且實用性強，開發(fā)空間大，使用靈活，擁有很大的發(fā)展前景。

同時感謝張偉老師和岳耀亮老師的悉心指導(dǎo)，在他們的高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求之下，我得到了很大的收獲，他們不僅僅是我的學(xué)業(yè)導(dǎo)師，更是我的人生導(dǎo)師。

參考文獻：

[1] 張巖， 張鑫. 單片機原理及應(yīng)用[M]. 機械工業(yè)出版社， 2015.

[2]肖雅金， 張偉， 胡子牛，等. 基于STC89C52的智能臺燈軟件設(shè)計[J]. 電腦知識與技術(shù)， 2017， 13（1X）：248-250.

[3]江文明. 一種磁平衡直線振動馬達及其振動方法：， CN 105305762 A[P]. 2016.

[4]李香宇， 王世功， 王萌，等. 基于PID算法和PWM控制的溫控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 儀表技術(shù)， 2016（5）：31-33.

[5]佚名. 中國青少年近視超七成 青少年近視率排世界第一[J]. 中學(xué)時代， 2017（8）.

[6]劉燮， 吳蘇晨， 王瑞林. 基于BH1750的LCD屏幕亮度自動調(diào)節(jié)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 硅谷， 2013（13）：24-26.

[7]楊慧敏. 超聲波測距儀的設(shè)計[J]. 科技視界， 2012（18）：27-28.

[8]譚浩強. C程序設(shè)計（第四版）[J]. 計算機教育， 2010， No.128（20）：34-34.