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(huì)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(xiě)作習(xí)慣能有效地避免近視。本系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心控制單元，通過(guò)超聲波測(cè)距技術(shù)和紅外檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)與使用者之間的距離，光線強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)使用者的周?chē)h(huán)境光線，以此來(lái)判斷使用者此時(shí)的坐姿和光線環(huán)境是否標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，報(bào)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(gè)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(wèn)題。

關(guān)鍵詞：近視；單片機(jī)；傳感器；PWM

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）12-0203-03

1 引言

世界衛(wèi)生組織最新研究報(bào)告稱(chēng)，目前中國(guó)近視患者人數(shù)多達(dá)6億，幾乎是中國(guó)總?cè)丝跀?shù)量的一半。我國(guó)高中生和大學(xué)生的近視率均已超過(guò)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(guó)已成為一個(gè)嚴(yán)重的，亟待解決的社會(huì)問(wèn)題。大部分中小學(xué)生，由于缺乏自覺(jué)意識(shí)和自我防護(hù)意識(shí)，家長(zhǎng)和老師不能每時(shí)每刻守在身邊加以提醒，所以容易養(yǎng)成不良的閱讀寫(xiě)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(guò)早的戴上眼鏡，不僅在生活上很不方便，而且對(duì)青少年的身體和心理也有很大傷害。

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)在市場(chǎng)相關(guān)產(chǎn)品的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)產(chǎn)品是通過(guò)外力的作用，將身姿強(qiáng)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(duì)身體有很大的負(fù)擔(dān)，會(huì)造成呼吸不暢，身體因長(zhǎng)時(shí)間緊繃得不到放松而僵硬酸痛等等。而且這種被動(dòng)的身姿矯正還會(huì)讓人產(chǎn)生厭倦和抵觸的心理，一旦停止使用，讀書(shū)學(xué)習(xí)的姿勢(shì)又會(huì)變成原來(lái)那樣，不能讓人養(yǎng)成一個(gè)良好的閱讀寫(xiě)作習(xí)慣。

本系統(tǒng)主要是針對(duì)長(zhǎng)時(shí)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(shí)提醒讀寫(xiě)者，端正坐姿，挺直腰背，主動(dòng)培養(yǎng)自覺(jué)意識(shí)，養(yǎng)成良好的讀寫(xiě)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(jué)的保持良好的閱讀自而坐習(xí)慣，從而有效的保護(hù)學(xué)生的身心健康。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為核心控制器件，結(jié)合超聲測(cè)距、光線檢測(cè)、蜂鳴器報(bào)警、液晶顯示、LED控制等外圍電路，可實(shí)現(xiàn)使用者坐姿檢測(cè)、學(xué)習(xí)光線環(huán)境檢測(cè)、報(bào)警、人機(jī)交互、環(huán)境光線補(bǔ)充等多項(xiàng)功能。供電系統(tǒng)分為兩部分，一部分給單片機(jī)供電，由開(kāi)發(fā)板自身的micro USB接入；第二部分給LED補(bǔ)光燈供電，使用9V電源，經(jīng)LM2940降壓后接入LED補(bǔ)光燈模塊。另外還有兩個(gè)獨(dú)立按鍵分別控制LED燈的開(kāi)關(guān)和超聲波報(bào)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(cè)模塊的設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)距模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)使用者與本裝置距離的測(cè)量，通過(guò)數(shù)據(jù)比較，再由單片機(jī)程序判斷使用者的坐姿是否正確，若不正確，則由報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警提醒使用者糾正坐姿。

采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，單片機(jī)的P1.5給TRIG至少10us的高電平信號(hào)，模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回，有信號(hào)返回，通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平給單片機(jī)的P3.2，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*聲速（340m/s））/2。本模塊使用方法簡(jiǎn)單，一個(gè)控制口發(fā)一個(gè)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(kāi)定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就可以讀定時(shí)器的值，此時(shí)就為此次測(cè)距的時(shí)間，方可算出距離。超聲波測(cè)距模塊電路圖如圖2所示。

2.2 光線檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)

光線是學(xué)習(xí)環(huán)境中一個(gè)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(cè)模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境光線強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，判斷周?chē)h(huán)境是否過(guò)暗。

GY-30是一個(gè)數(shù)字環(huán)境光傳感器集成電路，光電二極管PD檢測(cè)到光線強(qiáng)度，產(chǎn)生電流，到達(dá)運(yùn)算放大器AMP將電流轉(zhuǎn)換成電壓，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成16位數(shù)字信號(hào)，送入邏輯運(yùn)算器中計(jì)算出光照強(qiáng)度，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的NXP IIC通信接口將數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)，OSC為內(nèi)部振蕩器，其時(shí)鐘頻率值為320KHZ，內(nèi)部邏輯時(shí)鐘。

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

光線檢測(cè)模塊框圖如圖3所示。

2.3 LCD顯示模塊的設(shè)計(jì)

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(dá)到目的要求。主要用于顯示每次開(kāi)機(jī)之后提醒警報(bào)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(bào)的次數(shù)，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)可以知道近段時(shí)間自身的狀況，能夠促使學(xué)生有意識(shí)的主動(dòng)改正不良的坐姿習(xí)慣。

2.4 報(bào)警檢測(cè)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(bào)警系統(tǒng)是由兩部分構(gòu)成，一部分是有聲警報(bào)：由一個(gè)NPN三極管，一個(gè)1k電阻和一個(gè)蜂鳴器組成，當(dāng)使用者在家學(xué)習(xí)時(shí)，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(dòng)警報(bào)：由一個(gè)NPN三極管，一個(gè)1k電阻和一個(gè)1027振動(dòng)馬達(dá)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(dòng)模式，這樣既不會(huì)影響到其他人學(xué)習(xí)，同時(shí)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(chǎng)合，大大增加了產(chǎn)品的實(shí)用性。

2.5 LED補(bǔ)光燈模塊的設(shè)計(jì)

LED補(bǔ)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(cè)模塊檢測(cè)到用戶(hù)周?chē)h(huán)境過(guò)暗時(shí)用戶(hù)可以選擇打開(kāi)LED補(bǔ)光燈，其發(fā)光強(qiáng)度是單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前光線環(huán)境計(jì)算出的基本最適合的光強(qiáng)。人眼的主觀亮度與主光源和外界光強(qiáng)的對(duì)比度有關(guān)。主管亮度感覺(jué)S與光源亮度B的對(duì)數(shù)成比例，其公式如下：

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

近視防護(hù)儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以Keil u Vison4為編程軟件，采用比匯編語(yǔ)言簡(jiǎn)潔且更加方便移植的C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言。C語(yǔ)言是國(guó)際上廣泛流行的計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言，功能強(qiáng)大，使用靈活的過(guò)程性編程語(yǔ)言，既可用于編寫(xiě)應(yīng)用軟件，又能用于編寫(xiě)系統(tǒng)軟件。它的語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活，具有豐富的運(yùn)算符、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)句，能夠?qū)崿F(xiàn)在其他高級(jí)語(yǔ)言中難以實(shí)現(xiàn)的運(yùn)算。本產(chǎn)品主要程序都是利用C語(yǔ)言編寫(xiě)，主要有：超聲波模塊驅(qū)動(dòng)程序、光線檢測(cè)程序、LCD1602液晶屏驅(qū)動(dòng)程序、報(bào)警檢測(cè)程序、LED控制程序，按鍵控制程序、延時(shí)程序等。

3.1主程序系統(tǒng)流程

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

軟件設(shè)計(jì)中最重要的部分是中斷部分的超聲波測(cè)距和光線檢測(cè)，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(shí)器T0進(jìn)行5ms定時(shí)

TH0 = 0x0EC；

TL0 = 0x78；

EA = 1；

ET0 = 1；

TR0 = 1；

delay_nms（200）； //延時(shí)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(gè)位

xianshi（d，e）；

//BUF[8]=0； // rst1=1；

// delay_nms（1）； /* */

}

}

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)今社會(huì)人們普遍關(guān)注的青少年近視問(wèn)題，提出了一種基于STC12C5A60S2單片機(jī)的智能近視防護(hù)儀設(shè)計(jì)。結(jié)合超聲波距離檢測(cè)，實(shí)時(shí)測(cè)量使用者與裝置的距離，判斷其坐姿是否正確，同時(shí)通過(guò)光線檢測(cè)，判斷當(dāng)前環(huán)境是否適合學(xué)習(xí)。與市場(chǎng)上的各種身姿矯正儀不同，本設(shè)計(jì)從自身和外界環(huán)境兩個(gè)方面同時(shí)著手，既防止由于青少年自身主觀原因?qū)е碌慕暎卜乐沽擞捎谕饨绻饩€等客觀因素導(dǎo)致的近視。由試驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)具有集成化和較高的自動(dòng)化優(yōu)點(diǎn)，并且實(shí)用性強(qiáng)，開(kāi)發(fā)空間大，使用靈活，擁有很大的發(fā)展前景。

同時(shí)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。

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