戚 磊,姚俊紅
(德州學(xué)院,山東 德州 253000)
大部分中小學(xué)生上課時,由于坐姿不正確造成眼睛與書本、作業(yè)本距離太近而導(dǎo)致絕大部分學(xué)生都戴上了眼鏡,并且度數(shù)不斷增加,對學(xué)生健康非常不利;上課走神也是大部分學(xué)生都會遇到的情況,嚴(yán)重影響聽課質(zhì)量?;诖?,本文設(shè)計了這款基于坐姿和走神提醒的智能護(hù)眼儀,來幫助學(xué)生改掉坐姿不正、上課走神的壞習(xí)慣。
系統(tǒng)以STM32 單片機(jī)為核心控制模塊,與紅外發(fā)射、紅外接收、信號集成放大器、震動電機(jī)來實現(xiàn)坐姿檢測和提醒的功能,從而避免中小學(xué)生彎腰駝背,眼睛與書本距離過近;利用脈搏傳感器和震動電機(jī)來實現(xiàn)走神判斷和提醒的功能,使學(xué)生回到正常的學(xué)習(xí)狀態(tài)中。
智能護(hù)眼儀是通過紅外測量其與書本的距離(即眼睛與書本的距離)來判斷學(xué)生坐姿的,如果眼睛距離書本過近,說明坐姿不正確,震動電機(jī)會震動,提醒學(xué)生糾正坐姿。
智能護(hù)眼儀裝有脈搏傳感器以檢測眨眼時間間隔,根據(jù)眨眼頻率判斷是否處于走神狀態(tài),當(dāng)學(xué)生處于走神狀態(tài)時,振動電機(jī)會震動,提醒學(xué)生使其回到正常狀態(tài)。
紅外測距發(fā)射部分由STM32 單片機(jī)定時器產(chǎn)生一個1 kHz 的方波,用一個三極管做開關(guān)驅(qū)動,將信號加載到紅外發(fā)射管上。
紅外接收管接收到的信號只有100 mV 左右,而且還有很多干擾,需要先放大再帶通濾波,單片機(jī)只能接受數(shù)字信號,所以還需要通過峰值檢波輸出一個直流電壓。單片機(jī)通過ADC 采集接收到距離信號,判斷眼睛與書本的距離,并通過一個NPN 型三極管控制震動電機(jī)的震動來實現(xiàn)提醒的功能。
3.2.1 關(guān)于放大電路設(shè)計
考慮到測量范圍和接收到的信號大小,選取放大倍數(shù)為30 倍左右,倍數(shù)太大會出現(xiàn)波形失真,使測量的最短距離變小,倍數(shù)太小信號強度不夠,則能測量的最遠(yuǎn)距離會變小,放大倍數(shù)B=R4/R3=30。
3.2.2 關(guān)于有源二階帶通濾波器的設(shè)計
令C=C3=C4,則req=R5//R6=(R5* R6)/(R5 +R6)品質(zhì)因數(shù)Q 等于中心頻率除以帶寬,即Q=fc/BW=1/2*req/7R。由上邊的公式,取中心頻率f=1 kHz,增益A=5,品質(zhì)因數(shù)Q=8,則令C=C3=C4=104,可以得到電阻值為R5=2.5 k,R6=100,R7=25 k。
以上放大電路以及有源二階帶通濾波器的設(shè)計采用一個四路的運算放大器LM324 芯片來實現(xiàn)。
3.2.3 關(guān)于峰值檢波電路的設(shè)計
電容值越大檢波效果越好,但是放電速度越慢,經(jīng)過測試,選取了20 μF 的電容和100 k 的電阻以及1n4148 構(gòu)成最簡單的峰值檢波電路。
圖1 信號放大、濾波及檢波電路
智能護(hù)眼儀利用Pulsesensor 脈搏傳感器精確檢測眨眼帶動的肌肉震動。據(jù)統(tǒng)計,人在正常情況下每分鐘眨眼20 次左右,而走神時卻只有4 次左右,眨眼信息被傳到單片機(jī)處理器進(jìn)行處理,單片機(jī)根據(jù)單位時間內(nèi)脈搏傳感器傳來的脈沖個數(shù)判斷使用者的狀態(tài),當(dāng)檢測到學(xué)生處于走神狀態(tài)時,單片機(jī)處理器通過控制振動馬達(dá)發(fā)出震動,提醒學(xué)生認(rèn)真聽課。
電池為電壓3.7 V,容量150 mAh 的可充電聚合鋰電池,經(jīng)過升壓再穩(wěn)壓的設(shè)計給裝置供電。采用BL8530-502RN,封裝為SOT-23-5 的5 V 升壓芯片,將電壓升到5 V,之所以選擇BL8530,是因為它所需的外部元器件非常少,符合護(hù)眼儀體積小的概念需要,只需要一個電感、一個輸出電容和一個肖特基二極管就可以提供2.5 V~6.0 V 的穩(wěn)定的低噪聲輸出電壓。需要注意的是圖中電感必須選擇功率電感或者繞線電感,因為功率電感或繞線電感在升壓模塊的作用是為升壓儲能的,其他電感無法實現(xiàn)儲能的作用。眾所周知,穩(wěn)壓電路設(shè)計相對來說就比較簡單了。采用AMS1117-3.3 V 穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓,然后給護(hù)眼儀供電。
近年來,青少年中近視率逐年增加,尤其中小學(xué)生眼睛近視發(fā)生年齡漸小,范圍加大,程度加深。有資料顯示,我國青少年近視至盲的人數(shù)已達(dá)30 萬人。所以像護(hù)眼儀模塊之類的輔助工具是非常必要的,來幫助學(xué)生改掉坐姿不正、上課走神的壞習(xí)慣,有效地提高學(xué)生的上課學(xué)習(xí)效率。
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