胡耀丹

（西南大學(xué) 園藝園林學(xué)院，重慶　400715）

基于超聲波的防近視書夾的設(shè)計與研究

胡耀丹

（西南大學(xué) 園藝園林學(xué)院，重慶400715）

論文設(shè)計一種基于超聲波傳感器的智能防近視書殼。該智能防近視書夾包括：超聲波傳感器、控制器、指示燈、蜂鳴器、電池、書夾、mp3播放器、顯示屏。使用時，將該防近視書夾夾在筆記本或臺式電腦的顯示器等其它物體上，通過超聲波傳感器檢測看書時人眼睛與書的距離，給予相應(yīng)的警報與提示，若檢測到用戶在使用書殼時，書夾到讀者頭部與書本的距離小于40cm時，給出警報提示；若讀者看書時間超過一小時則給讀者休息提示等。該書夾結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，使用的超聲波傳感器成本低，安全，在解決防近視的問題上簡單有效。

超聲波；傳感器；預(yù)防近視

近年來，我國青少年的患近視的情況越來越普遍，很大程度上是沒有科學(xué)作息造成的。一方面，市場雖然比較多的防近視儀器與設(shè)備［1］，然而終究沒有像MP3播放器那樣普遍流行，普通書夾由于功能單一，很多人也都常常忽視使用；另一方面，部分青少年由于沒有及時矯正讀寫時的錯誤坐姿，養(yǎng)成了不好的坐姿習(xí)慣，而且學(xué)習(xí)生活時，常由于繁忙的學(xué)習(xí)任務(wù)忽視了科學(xué)的作息。

1　設(shè)計特點(diǎn)

根據(jù)此實(shí)際情況，本文所介紹的防近視書夾具有以下特點(diǎn)：

1.1將超聲波傳感器［2］嵌入控制器［3］，用于檢測人們在閱讀時頭部與書本或電腦屏幕的距離，通過警報提醒用戶與書本或電腦屏幕的距離保持40cm以上［4］；同時還可以檢測到用戶連續(xù)辦公時間過長時，提醒用戶休息。

1.2書殼的書夾裝置拆卸方便，在使用電腦時，夾在電腦攝像頭的位置，也可以給用戶警報與提示。

1.3該電子書夾的微型系統(tǒng)中嵌入了mp3播放功能，使得書夾具有一定的適用性和娛樂功能，可以在用戶休息時播放音樂或英語聽力。

1.4書夾還加入電子表的功能，通過顯示屏顯示時間。

1.5書夾液晶屏不僅可以為用戶提供方便的操作，還可以用于閱讀相應(yīng)格式的電子書。

2　控制模塊設(shè)計

該書夾包括控制單元和殼體結(jié)構(gòu)。如圖1所示，所述控制單元包括與控制芯片相接的顯示屏、超聲波傳感器、MP3播放器、Flash閃存芯片、按鈕、電源、USB接口。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1按鈕

電源按鈕，實(shí)現(xiàn)該電子書夾的開關(guān)機(jī)的功能。功能按鈕，主要作用是讓用戶設(shè)置時間，以及在播放音樂時選擇播放文件、停止播放，上翻、下翻、左翻、右翻等功能。

2.2電源

選用可充電的3.3V鋰電池，置于殼體內(nèi)。不僅可以提供3.3V穩(wěn)壓，而且可充電，不用更換電池，使用方便。

2.3超聲波傳感器

選用HC-SR04超聲波傳感器，該傳感器價格低廉、測量效果良好，盲區(qū)小，使用時方便，完全適用于本論文所述的書夾測量物距。感應(yīng)角度為不大于15度，探測距離為2cm-450cm，精度可達(dá)0.2cm。

2.4控制芯片

選用NXP1114/304微控制器，該芯片是基于Cortex-M0內(nèi)核的芯片，速度快，功耗低，內(nèi)部資源豐富，價格上又比較低廉。

2.5時間芯片

選用DS1302，該芯片是一種高性能、低功耗的實(shí)時時鐘芯片，附加31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，且具有閏年補(bǔ)償功能，實(shí)時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月小于31天時可以自動調(diào)整。

2.6MP3播放模塊

通過控制器讀取flash芯片讀取mp3等音樂文件，發(fā)送給VS1003B語音解碼芯片解碼后通過耳機(jī)插孔輸出。其中VS1003是一個多功能的從MP3和WMA解碼芯片，其性能穩(wěn)定，內(nèi)含高性能片上立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器，兩聲道間無相位差，輸出的音質(zhì)高。

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖2　硬件結(jié)構(gòu)圖

如圖2是智能書夾的硬件結(jié)構(gòu)圖，包括上超聲波傳感器、下超聲波傳感器、指示燈、帶驅(qū)動蜂鳴器、上半夾體、下半夾體、夾子彈簧、控制模塊、電源模塊、固定底座、電池模塊、開關(guān)按鈕、USB充電接口。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件主要是包括測定距離與測定時間環(huán)節(jié)，進(jìn)行相應(yīng)反映環(huán)節(jié)。本設(shè)計主要操作過程如圖3流程圖所示：

圖3　系統(tǒng)軟件流程圖

每隔1分鐘，控制器將控制超聲波傳感器進(jìn)行距離測量，每次測量將持續(xù)10秒。當(dāng)傳感器探頭發(fā)出的超聲波后，檢測到該距離若小于40cm且長時間（時間長于45s）處于該狀態(tài)，則控制器控制蜂鳴器發(fā)出警報提示，若檢測到距離大于10cm小于60cm時說明有人在使用書夾，指示燈保存常亮，若使用時長超過一小時，則通過蜂鳴器發(fā)出休息提示，當(dāng)蜂鳴器發(fā)出聲音是，指示燈做出相應(yīng)的閃亮。若檢測到的距離低于10cm，或者大于60cm，且保持此種狀態(tài)長達(dá)5分鐘，書夾將進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)。當(dāng)再次使用時需按動電源按鈕將其喚醒。該書夾還可以作為一個mp3使用，當(dāng)用戶使用僅MP3時，可以選擇系統(tǒng)相關(guān)功能按鈕將測距防近視的功能關(guān)閉，液晶顯示屏可可以顯示播放歌曲的歌詞，以及相應(yīng)格式的電子書籍；若使用MP3作為英語學(xué)習(xí)工具時，可以打開測距防近視功能。

該電子書夾的連接方式和市場的連接方式相同，上板面和下板面插銷貫穿固定鋼絲彈簧，使得上下兩板能沿插銷自由轉(zhuǎn)動，這樣并構(gòu)成了書夾。不同的是，該書夾的上板面嵌入了控制芯片、傳感器、mp3播放器等，實(shí)現(xiàn)了書夾的電子化。

5　結(jié)語

近年來，我國青少年的患近視的情況越來越普遍，主要原因是沒有科學(xué)作息，市場也始終沒有普遍流行防近視儀器與設(shè)備，而普通的書夾由于功能單一，被很多人忽視，使用的也較少。特別是對于青少年們，若未能及時的矯正看書時的錯誤坐姿，養(yǎng)成不良的讀寫習(xí)慣，加上大量電子產(chǎn)品的使用，常常使人忽視眼睛的疲勞，是預(yù)防近視更加艱難。本設(shè)計相對普通書夾有以下特點(diǎn)：首先，通過超聲波傳感器檢測看書時人眼睛距離書的距離，判斷出坐姿的正確與否，給出警報與提示，有效的解決了預(yù)防近視問題；同時檢測用戶是否辦公來計算辦公時間，給出休息提示，以及實(shí)現(xiàn)智能待機(jī)節(jié)電，更加智能化，人性化。其次，書殼的書夾裝置拆卸方便，還適用于電腦辦公，使用范圍比較廣。最后，在書夾上嵌入mp3的播放功能，可以為一些讀者提供音樂播放或英語學(xué)習(xí)等服務(wù)，使功能更加豐富，更加人性化。

［1］張恒，王新懷，梁博，杜威望，鄭永平，基于MSP430智能防近視眼鏡的設(shè)計［J］《電子產(chǎn)品世界》，2015年第4期.

［2］羅曦，張欽宇，焦健，高波，耿曉琪，基于超聲波傳感器多目標(biāo)定位系統(tǒng)［J］，《傳感器世界》，2007年第9期.

［3］張春光，基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計［J］《機(jī)床與液壓》，2008年第B07期.

［4］吳芳，孫志浩，李永峰，劉小彥，韓葉茂，肖靈通，黃雪梅，吳愛玲，紅外測距在防近視中的應(yīng)用［J］《科技信息：科學(xué)·教研》，2008年第15期.

胡耀丹（1996.06—）女，西南大學(xué)城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)在讀，研究方向：風(fēng)景園林。

G64

A

1003-5168（2015）-12-0136-2