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        淺談針對坐姿感應(yīng)的視力保護臺燈設(shè)計

        2020-05-11 11:49:11汪霖波
        世界家苑 2020年2期
        關(guān)鍵詞:臺燈產(chǎn)品設(shè)計

        摘要:本文采取文獻法、綜合分析法等方法,首先從產(chǎn)品設(shè)計的理念著手,探索了本文研究的理論基礎(chǔ),進而通過分析學生視力下降的主要誘因——坐姿不當,來設(shè)計一款針對坐姿感應(yīng)的視力保護臺燈,并提出了主要的設(shè)計方案,僅供參考。

        關(guān)鍵詞:產(chǎn)品設(shè)計;坐姿感應(yīng);視力保護;臺燈

        中國近視患者很多,其中學生近視的尤其多,視力下降給學生日常生活以及學習都帶來了極大的不便。臺燈是學生桌前比較重要的一個照明工具,長時間在臺燈下學習,必然會導致視力下降,同時如果學生在臺燈下睡著了,若燈一直開著也是對能源的浪費,因此研究設(shè)計一種能夠保護視力的臺燈具有實際意義。

        1 理論基礎(chǔ)

        產(chǎn)品設(shè)計必須要根據(jù)需求分析來確定用戶的使用需求,基于需求來明確產(chǎn)品的功能和特性,創(chuàng)造出概念性的設(shè)計方案后,需要人機交互專家或者實際用戶來對方案進行評估,提出有效的反饋,方便改進設(shè)計,這種產(chǎn)品設(shè)計方法即交互設(shè)計。交互設(shè)計是設(shè)計人造系統(tǒng)行為的一個設(shè)計領(lǐng)域,它定義多個互動的個體之間交流的內(nèi)容與結(jié)構(gòu),使互動個體可以相互配合并達成某種目的。這樣操作的核心原則在于“了解你的用戶”,用戶是產(chǎn)品最終要面對的人群,用戶對產(chǎn)品的使用體驗好不好直接關(guān)系到產(chǎn)品是否能夠留住用戶。這里涉及用戶體驗設(shè)計的理念。用戶體驗是用戶在使用產(chǎn)品過程中所感受到的以及所獲得的全部內(nèi)容的體驗綜合,它并不表現(xiàn)為產(chǎn)品是如何工作的,而是表現(xiàn)為產(chǎn)品如何與外界的用戶發(fā)生聯(lián)系并產(chǎn)生作用。

        臺燈這種產(chǎn)品作為學生必備的一件照明工具,如果具備保護視力的功能那顯然會使學生的使用體驗更好。國內(nèi)外實際上對預防近視的多功能臺燈都進行了研究,比如一種利用人的移動信號和光信號來代替開關(guān)的智能臺燈,這種臺燈電路相對簡單,靈敏度比較低,對預防近視的效果不好。還有一些主打預防近視的臺燈,比如利用直流驅(qū)動的led燈,這種燈沒有頻閃,加上疲勞調(diào)節(jié)電路與定時點燈電路,解決了頻閃和電磁輻射,這是利用調(diào)整用眼環(huán)境的方式來保護視力,但是還達不到理想狀態(tài)。實際上學生視力下降,大部分時候都是因為學生坐姿不對而引起的,錯誤的坐姿會導致眼部光線不足,長時間近距離看書會造成用眼過度而引發(fā)視力下降。因此基于交互設(shè)計和用戶體驗設(shè)計,考慮設(shè)計一種基于坐姿感應(yīng)的視力保護臺燈。

        2 一種針對坐姿感應(yīng)的視力保護臺燈設(shè)計

        2.1 設(shè)計思路

        考慮坐姿不當引起視力下降,因此在臺燈設(shè)計中考慮在LED燈的基礎(chǔ)上,結(jié)合當前智能控制技術(shù),設(shè)計一種針對坐姿感應(yīng)的視力保護臺燈。LED光源穩(wěn)定,基本沒有頻閃,這方面解決頻閃帶給人眼的光線刺激,利用感應(yīng)裝置有針對性的感應(yīng)用戶的坐姿,如果坐姿錯誤則發(fā)出報警以及提示??紤]設(shè)計一個以單片機為主控單元的智能臺燈,單片機配合紅外熱釋電處理芯片組成紅外傳感控制電路,原理是利用人體的紅外輻射作為傳感信號,人體處在臺燈照明范圍內(nèi)且環(huán)境光比較弱的情況下,主控單元發(fā)出指令,臺燈自動開燈,并根據(jù)人體與臺燈之間的距離調(diào)整燈光亮度。當然人體過分靠近桌面也就意味著坐姿不當,臺燈中內(nèi)置的聲光報警器發(fā)出警報,并發(fā)出正確坐姿提示(當然該功能可不設(shè)置),當人體未遠離桌面,燈光變暗,若一定時間內(nèi)未遠離則認為人趴在桌子上睡著了,臺燈自動關(guān)燈。

        2.2 硬件方案

        根據(jù)上述思路,將臺燈設(shè)計劃分為兩個部分,其中一部分為控制部分,另一部分為信號檢測部分。其中信號檢測部分以感應(yīng)模塊,坐姿矯正模塊,按鍵電路,溫度檢測電路為主??刂颇K為單片機、顯示電路、報警電路以及繼電器電路。

        參照設(shè)計思路,本設(shè)計是一個光電一體的綜合設(shè)計方案,設(shè)計中主要依靠檢測技術(shù)、自動控制技術(shù)以及電子技術(shù),由此來構(gòu)建硬件體系,方案硬件選擇包括傳感器部分和控制部分。傳感器部分,主要以人體輻射紅外信號檢測、光強信號檢測、溫度檢測裝置為主。智能控制部分,要結(jié)合傳感器,將傳感器變化輸出的信號進行邏輯判斷,單片機作為主控,控制繼電器、顯示屏、報警器。

        主控選用單片機,考慮經(jīng)濟性,選擇AT89C51芯片,該芯片是帶4K字節(jié)flash存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器,它為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。當然如果考慮高性能可以選擇STM32微控制器,STM32是屬于ARM內(nèi)核的一個版本,是32位閃存微控制器相比51系列單片機要高級一些可外接usb,接口更簡單,且自身帶有很多功能,處理速度快,具備較強的音頻性能,集成度很高。僅就考慮坐姿矯正來說,AT89C51的性能足夠使用了。

        核心的坐姿感應(yīng)及矯正模塊,利用熱釋電紅外傳感器、信號處理電路、BISS0001芯片、延時電路以及靈敏度調(diào)節(jié)電路來實現(xiàn)。熱釋電紅外傳感器的主要功能是感應(yīng)判斷人體與桌面之間的距離,進而實現(xiàn)對坐姿的感應(yīng)。因為熱釋電紅外傳感器所能夠采集到的信號比較微弱,感應(yīng)范圍也小,因為要保證自動控制,對該傳感器的性能要求較高,因此考慮在其正面加一個菲涅爾透鏡,增強其信號采集范圍以及信號強度。BISS0001芯片是一款性能較好的被動式熱釋電紅外傳感信號處理器,很多人體感應(yīng)電路中都用到了該芯片。實際上一個人體感應(yīng)電路模塊是很好配置的,難度在于如何增強傳感器的信號和范圍,當然淘寶上就有傳感器+菲涅爾透鏡+BISS0001的人體感應(yīng)模塊出售。該模塊的工作原理是,當人在使用臺燈過程中,如果坐姿不當,傳感器檢測到信號后,芯片對信號進行放大,并通過一反相器傳送給單片機端口,由單片機通過報警電路控制報警器報警。報警的作用就是提示臺燈使用人坐姿不正確。

        光檢測電路以光敏電阻和可調(diào)節(jié)電阻構(gòu)成,其中光敏電阻是核心元件,這種電阻通常用來測量光強以及光的控制和光電轉(zhuǎn)換。自適應(yīng)調(diào)節(jié)燈光模塊的主要電路就是光檢測電路。當光敏電阻受到光的照射,光敏層內(nèi)激發(fā)電子空穴對,參與導電。光敏電阻主要用來感知光亮程度,如果光線強則電阻降低,分得的電流小無法觸發(fā)BISS0001芯片,無信號輸出,當光線弱的時候,阻值大,分得電壓大進而觸發(fā)芯片發(fā)出信號。

        信號處理電路是無源濾波電路,其主要作用是放大傳感器信號,然后由BISS0001芯片處理。

        以熱釋電紅外傳感器+BISS0001芯片構(gòu)成的人體感應(yīng)體系,檢測的精度與溫度有很大的關(guān)系,因此,設(shè)置一個溫度檢測電路,選用DS18B20芯片,該芯片可測試零下55℃至125℃范圍內(nèi)的溫度,主要作用是測試室內(nèi)溫度,并將測試結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給單片機處理后,轉(zhuǎn)化為液晶屏的顯示數(shù)據(jù)。

        2.3 軟件方案

        軟件方面主要是單片機的程序設(shè)計,單片機要發(fā)揮作用,必須要調(diào)用相關(guān)的程序來實現(xiàn)各種控制功能,AT89C51是一款入門級別的單片機,在單片機程序設(shè)計當中是必學的一個。程序設(shè)計上一般可采用C語言進行設(shè)計,此處不做詳細討論,只給出一個程序流程做參考,程序開始后,先對系統(tǒng)進行初始化,傳感器啟動進行檢測,若檢測到有人那么運行開燈,若無人則關(guān)燈或不開啟燈,進一步讀取室內(nèi)溫度值,在顯示屏上顯示,并且聯(lián)網(wǎng)顯示時間,檢查是否存在人工定時,若檢測到存在人工定時,運行定時子程序,若定時時間到,發(fā)出報警,延時最后關(guān)燈,如果在定時期間存在坐姿不正確則報警,若無定時,但坐姿不正確則報警,提供延時,坐姿還是不對,則關(guān)燈。

        3 結(jié)語

        綜上所述,本文中給出了一款坐姿感應(yīng)的視力保護臺燈的設(shè)計方案,主要突出的是硬件方面的設(shè)計。該臺燈以學生的不良坐姿為引子,考慮人體感應(yīng)來實現(xiàn)調(diào)整人體坐姿來實現(xiàn)視力保護。單片機的運用實現(xiàn)自動化的控制,可根據(jù)傳感器檢測到的人體坐姿情況實時調(diào)光以及發(fā)出提示,LED穩(wěn)定的光源加上坐姿感應(yīng)有效地提供了一個合理的光照環(huán)境,視力保護的效果較為理想。

        參考文獻:

        [1] 張兆然,范煜,蘇偉.預防近視的圖像傳感器的研究[J].環(huán)渤海經(jīng)濟瞭望,2019(04).

        [2] 袁博.基于STM32的語音控制與坐姿檢測智能臺燈原型系統(tǒng)[J].實驗室研究與探索,2019(03).

        作者簡介:汪霖波(1997—),男,江西上饒人,本科,研究方向:產(chǎn)品設(shè)計。(單位:南昌工程學院)

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