車(chē)夢(mèng)強(qiáng) 袁偉辰 陳昆利 張佳慧

摘要：在日常生活中，導(dǎo)致人們近視最主要的原因?yàn)殄e(cuò)誤用眼和長(zhǎng)期近距離用眼等行為。這些錯(cuò)誤的用眼方式在生活中很常見(jiàn)。文章設(shè)計(jì)的這款基于傳感器的智能防近視眼鏡能有效緩解因不良用眼習(xí)慣而導(dǎo)致的近視度數(shù)的增加，預(yù)防近視。該裝置以使用者佩戴的普通眼鏡為載體，眼鏡框中內(nèi)置智能傳感器、微型振子、LED發(fā)光二極管、電路檢測(cè)模塊等相關(guān)元器件。當(dāng)與學(xué)習(xí)設(shè)備距離過(guò)近或處于較暗環(huán)境下時(shí)，設(shè)備會(huì)發(fā)出報(bào)警以提醒使用者。

關(guān)鍵詞：防近視；傳感器；單片機(jī)；智能控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212.6 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

現(xiàn)今，眼睛近視的人很多，大部分原因是在生活和學(xué)習(xí)中沒(méi)有保持良好的用眼習(xí)慣，如做作業(yè)低頭沒(méi)有保持適當(dāng)?shù)木嚯x、在黑夜里玩手機(jī)等。許多人認(rèn)為孩子近視與長(zhǎng)時(shí)間看電子屏有很大的關(guān)系，如電視、電腦、手機(jī)、iPad等，尤其是在疫情期間學(xué)生們普遍進(jìn)行線上上課，使用電子產(chǎn)品的時(shí)間和次數(shù)增加，加上缺乏戶(hù)外運(yùn)動(dòng)、學(xué)習(xí)壓力大等因素，導(dǎo)致視力不良等現(xiàn)象多發(fā)。本文設(shè)計(jì)的智能防近視眼鏡產(chǎn)品可以有效預(yù)防近視度數(shù)的增加。

1 設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)是在近視眼鏡框中內(nèi)置智能傳感器等器件。智能傳感器分為距離傳感器和光度傳感器，距離傳感器可以有效感知在使用者面前有限距離內(nèi)出現(xiàn)的物體，再做出反應(yīng)使微型振子和LED燈進(jìn)行動(dòng)作。本設(shè)計(jì)首先經(jīng)過(guò)電路中的傳感器部件感知使用者的用眼姿勢(shì)。在使用者讀書(shū)姿勢(shì)或者寫(xiě)字姿勢(shì)不正確（<25 cm）時(shí)，將傳感器采集到的模擬量轉(zhuǎn)化為電信信號(hào)后，再通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行控制提醒元器件發(fā)出閃光燈和振動(dòng)，這樣可以提醒使用者保持正確的學(xué)習(xí)用眼姿勢(shì)，防止近視進(jìn)一步加深，提高預(yù)防效果。其次，光度傳感器不僅可以感知使用者在使用狀態(tài)時(shí)面前光亮度的變化以及時(shí)長(zhǎng)，還可以檢測(cè)用戶(hù)是否長(zhǎng)時(shí)間使用手機(jī)或者處于黑暗中看手機(jī)，這種情況設(shè)備也會(huì)發(fā)出相應(yīng)報(bào)警。

在國(guó)家節(jié)能環(huán)保發(fā)展的理念下，本產(chǎn)品能有效控制防近視眼鏡系統(tǒng)的使用功耗，使用電容觸控傳感器來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)，更方便用戶(hù)的使用以及系統(tǒng)功耗的降低，是符合當(dāng)代社會(huì)節(jié)能環(huán)保發(fā)展理念的一款產(chǎn)品。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)

傳感器下的智能防近視眼鏡主要是通過(guò)搭建基本電路以及在電路上安裝各種傳感器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)通過(guò)51單片機(jī)控制設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，通過(guò)裝置在眼鏡框上的各種傳感器來(lái)采集使用者在工作、學(xué)習(xí)生活中環(huán)境、姿勢(shì)情況，如距離的遠(yuǎn)近、光度的亮暗等，以及在這種環(huán)境下持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)短。這款基于傳感器的智能防近視眼鏡能有效緩解不良用眼習(xí)慣，起到預(yù)防近視的作用。該裝置主要以使用者佩戴的普通眼鏡為載體，在眼鏡框內(nèi)部安裝電路元件，眼鏡框中內(nèi)置有智能傳感器（距離傳感器、光度傳感器、電容傳感器）、微型振子、LED發(fā)光二極管、電路檢測(cè)模塊等相關(guān)元器件。智能傳感器下的防近視眼鏡，如圖1所示。

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

2.1.1 距離傳感器

本設(shè)計(jì)主要是在近視眼鏡框中內(nèi)置智能傳感器，這種距離傳感器可以有效感知在有限距離內(nèi)出現(xiàn)的物體并發(fā)出信號(hào)，通過(guò)傳感器感知用戶(hù)的閱讀寫(xiě)字姿勢(shì)。本設(shè)計(jì)距離傳感器主要使用SHARP GP2Y0A41SKOF紅外測(cè)距傳感器，通過(guò)傳感器向外發(fā)出的短光脈沖，通過(guò)測(cè)量脈沖發(fā)出到碰到阻擋物并反射回來(lái)所需要的時(shí)間進(jìn)行測(cè)距。距離傳感器有信號(hào)發(fā)射器與信號(hào)接收器兩個(gè)部件。信號(hào)發(fā)射管發(fā)射出設(shè)定的固定頻率的紅外信號(hào)；信號(hào)接收管用來(lái)接收紅外信號(hào)。當(dāng)發(fā)射出的紅外光遇到阻擋物時(shí)，信號(hào)反射回來(lái)被接收管接收。經(jīng)過(guò)基本電路處理后，可得知距離是否小于設(shè)定值。在使用者學(xué)習(xí)用眼姿勢(shì)不正確（<25 cm）時(shí)，發(fā)出閃光燈和振動(dòng)以提醒使用者要保持正確的閱讀寫(xiě)字姿勢(shì)［1］。

2.1.2 光度傳感器

光度傳感器是一種通過(guò)光線對(duì)物體進(jìn)行檢測(cè)的傳感器，擁有反應(yīng)速度快、可靠性高、體積小、重量輕的優(yōu)良特點(diǎn)。對(duì)電路檢測(cè)模塊進(jìn)行控制時(shí)，光度傳感器會(huì)將外界的光亮強(qiáng)弱變化通過(guò)傳感器變成電信號(hào)。光度傳感器主要由發(fā)送、接收、檢測(cè)3部分組成。傳感器內(nèi)部有發(fā)光部分及受光部分。在使用者長(zhǎng)時(shí)間處于黑暗狀態(tài)時(shí)，受光器件接收光亮較少，光電速度降低從而發(fā)出信號(hào)。在傳感器外界光度較暗時(shí)，光度傳感器內(nèi)部的電阻值會(huì)變大，光度傳感器和可調(diào)電阻器的分壓較高，此時(shí)控制電路會(huì)發(fā)出震動(dòng)和燈閃報(bào)警，如圖2所示。本設(shè)計(jì)主要采用數(shù)字式環(huán)境光傳感器BH1750，具備以下特征：（1）傳感器元件功耗低，可以?xún)蓚€(gè)I2C地址同時(shí)工作，經(jīng)過(guò)ADDR引腳進(jìn)行選擇。（2）對(duì)外界環(huán)境變化測(cè)量精確度高，傳感器能不受外界錯(cuò)誤的光亮變化影響。（3）傳感器具有I2C數(shù)字性的接口，數(shù)據(jù)傳輸最大速率能夠達(dá)到400 Kbps。

2.1.3 電容觸控傳感器

本產(chǎn)品對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功耗進(jìn)行了有效的控制，利用電容觸控傳感器來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)主要使用FDC1004DGSR電容觸控傳感器，觸控傳感器相當(dāng)于一個(gè)張弛振蕩器，內(nèi)部一直在充電和放電的工作流程。在使用中，使用者通過(guò)手指進(jìn)行開(kāi)關(guān)的觸碰，就會(huì)增加電容器內(nèi)部的介電常數(shù)，這樣充電和放電的頻率會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的減少，工作周期就比正常情況下長(zhǎng)。傳感器基于電容性耦合可以檢測(cè)出是導(dǎo)電的物質(zhì)進(jìn)行觸控，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中把人手當(dāng)作電荷導(dǎo)體，以便用戶(hù)的使用以及系統(tǒng)功耗的利用。本設(shè)計(jì)是符合當(dāng)代社會(huì)節(jié)能環(huán)保發(fā)展理念的一款新產(chǎn)品。

2.1.4 微型振子與LED燈模塊

（1）微型振子。本設(shè)計(jì)使用的微型振子在結(jié)構(gòu)上與應(yīng)用在手機(jī)或手表上的直流有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)一樣。當(dāng)單片機(jī)程序發(fā)出指令后，電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。在電機(jī)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，由于安裝馬達(dá)上的偏心輪不在中心點(diǎn)上，導(dǎo)致馬達(dá)不能平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)并開(kāi)始晃動(dòng)。因此，馬達(dá)會(huì)發(fā)出振動(dòng)以提醒使用者目前姿勢(shì)或行為是錯(cuò)誤的，需要立即改正。同時(shí)，微型振子具有尺寸小、低功耗、重量輕、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。

（2）LED燈。在電路外部安裝LED閃爍燈通過(guò)燈的閃爍來(lái)提醒使用者。LED燈實(shí)際是一種發(fā)光二極管，它能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為光能。在LED燈閃爍時(shí)，發(fā)出的光源里沒(méi)有紅外線，可減少對(duì)人體的傷害。LED燈的使用壽命較長(zhǎng)，因?yàn)槠鋬?yōu)越的特性可以減少對(duì)電能的使用，提高功耗利用率，符合本設(shè)計(jì)節(jié)能環(huán)保、降低功耗的設(shè)計(jì)要求。通過(guò)單片機(jī)程序?qū)ED燈的閃爍進(jìn)行控制，以及時(shí)提醒使用者。

2.2 電路檢測(cè)模塊

本設(shè)計(jì)電路檢測(cè)模塊流程如圖3所示，模塊主要采用STC89C51單片機(jī)，由中央處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口3部分組成，其中單片機(jī)CPU包括控制器和運(yùn)算器兩部分。該單片機(jī)有8位處理芯片、通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，具有低功耗、功能性高、速度快的特點(diǎn)。通過(guò)單片機(jī)的內(nèi)部程序能對(duì)電路元件和電路進(jìn)行整體控制［2］。

系統(tǒng)特點(diǎn)：（1）單片機(jī)在3.8～5.5 V的電壓下工作。（2）單片機(jī)時(shí)鐘在0～35 MHz的頻率下工作。（3）本系統(tǒng)集成了豐富的外設(shè)，擁有512個(gè)字節(jié)的RAM通用異步串行口。

3 軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

本文設(shè)計(jì)的智能傳感器防近視眼鏡有較多復(fù)雜的裝置模塊。系統(tǒng)內(nèi)部裝置主要包含有紅外測(cè)距類(lèi)型的距離傳感器、光度傳感器和控制開(kāi)關(guān)的電容傳感器；外部提醒模塊有LED燈和微型振子。每一個(gè)元器件都有不同的使用方法，在單片機(jī)內(nèi)燒錄編寫(xiě)的程序，根據(jù)相應(yīng)傳感器采集的信號(hào)轉(zhuǎn)化成的電信號(hào)的不同來(lái)對(duì)電路中的LED燈閃爍以及微型振子的振動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的控制。傳感器下的智能防近視眼鏡設(shè)計(jì)主要是通過(guò)電路控制來(lái)分析使用者的外界環(huán)境，從而使單片機(jī)控制單元做出反應(yīng)。

4 產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)及延伸

傳感器下的智能防近視眼鏡應(yīng)用前景非常廣泛。目前，我國(guó)近視人數(shù)逐年增加，尤其是在青少年群體中，2020年我國(guó)兒童青少年總體近視率為52.7%，學(xué)生視力問(wèn)題日益嚴(yán)峻。越來(lái)越多的人開(kāi)始日益關(guān)注近視帶來(lái)的危害，在現(xiàn)代社會(huì)中智能眼鏡行業(yè)有著較為廣闊的應(yīng)用前景［3］。

本設(shè)計(jì)產(chǎn)品的智能傳感器理念同樣可推廣至智能交通紅綠燈、車(chē)輛停放、智能開(kāi)關(guān)門(mén)等方面。智能交通紅綠燈可根據(jù)路口排隊(duì)的車(chē)輛多少，利用后臺(tái)云計(jì)算實(shí)時(shí)適當(dāng)調(diào)整紅綠燈秒數(shù)，提高道路的通行效率。智能車(chē)輛停放是在停車(chē)場(chǎng)中每一個(gè)車(chē)位下安裝傳感器。當(dāng)有車(chē)輛停在上面時(shí)，發(fā)出信號(hào)使系統(tǒng)顯示已占用，車(chē)輛可直接開(kāi)往沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)即沒(méi)有占用的車(chē)位停車(chē)。智能開(kāi)關(guān)門(mén)則是在門(mén)口的上方或側(cè)方安裝感應(yīng)傳感器。當(dāng)有人或物體出現(xiàn)在門(mén)口時(shí)，感應(yīng)器感應(yīng)到存在后觸發(fā)設(shè)備電路進(jìn)行工作，此時(shí)大門(mén)將自動(dòng)打開(kāi)，待無(wú)人后，通過(guò)時(shí)間設(shè)定，在設(shè)定時(shí)間過(guò)后大門(mén)自動(dòng)關(guān)閉。

5 結(jié)語(yǔ)

智能傳感器下的防近視眼鏡主要通過(guò)單片機(jī)電路模塊對(duì)外置的距離傳感器、光度傳感器轉(zhuǎn)化的電信號(hào)進(jìn)行分析，再依靠單片機(jī)內(nèi)部設(shè)定程序?qū)ED燈以及外部微型振子進(jìn)行控制。當(dāng)用戶(hù)在學(xué)習(xí)生活中用眼不當(dāng)時(shí)，眼鏡會(huì)對(duì)用戶(hù)發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)，培養(yǎng)人們正確使用眼鏡的行為習(xí)慣，從而有效控制用戶(hù)的眼睛度數(shù)。智能傳感器下的防近視眼鏡不僅能幫助使用者糾正錯(cuò)誤的姿勢(shì)與行為，還會(huì)在未來(lái)的社會(huì)生活中得到廣闊的運(yùn)用。智能傳感器下的防近視眼鏡技術(shù)在未來(lái)大有可為，相信未來(lái)會(huì)有更多優(yōu)秀的科技產(chǎn)品用來(lái)改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>

參考文獻(xiàn)

［1］姚殿梅，周彬.紅外線在道路測(cè)試中的應(yīng)用［J］.交通科技與經(jīng)濟(jì)，2013（3）：45-48.

［2］王鋒.基于STC89C51RC單片機(jī)的電子秤設(shè)計(jì)［J］.電子世界，2016（6）：70.

［3］劉雨佳，瞿小妹.人工智能在近視防控中的初步應(yīng)用［J］.中國(guó)眼耳鼻喉科雜志，2022（5）：525-528.

（編輯 姚 鑫）

Anti-myopia glasses design under intelligent sensor

Che? Mengqiang， Yuan? Weichen， Chen? Kunli， Zhang? Jiahui

（Anhui Sanlian University， Hefei 230000， China）

Abstract： In daily life， the most important reasons for myopia are the wrong use of eyes， long-term close use of eyes， and excessive use of electronic products. This sensor-based intelligent anti-myopia eyes designed is based on this， which can effectively alleviate the increase of myopia caused by bad eye habits， and prevent myopia. The device is made of ordinary glasses worn by the user as the carrier. The glasses frame is equipped with intelligent sensor， micro oscillator， LED light-emitting diode， circuit detection module and other related components. When the student is too close to the learning device or in a dark environment， the device sends an alarm to alert the user.

Key words： anti-myopia; sensor; single-chip computer; intelligent control