王思博

授權(quán)公告號： CN205302590U

摘要：本設(shè)計是一種學(xué)生防近視提醒儀，適用于中小學(xué)生。本設(shè)計包括超聲波距離傳感器、單片機(jī)，超聲波距離傳感器與單片機(jī)輸入端連接，單片機(jī)輸出端分別與顯示模塊和語音模塊連接。超聲波距離傳感器感知身體與桌子間的距離，通過振動或音樂提醒學(xué)生調(diào)整坐姿，學(xué)生使身體與桌子保持正常距離后，振動或音樂即會自動停止，從科學(xué)用光的角度避免眼睛疲勞，預(yù)防近視、保護(hù)視力，并能有效預(yù)防駝背。

關(guān)鍵詞：防近視；單片機(jī)；傳感器；語音

1.研究背景

隨著用眼時間的增加，青少年近視的發(fā)病率越來越高，中學(xué)生的近視發(fā)病率已達(dá)50%以上。由于近視可并發(fā)眼底出血、視網(wǎng)膜脫離，并最終導(dǎo)致低視力甚至失明，因此，近視治療和預(yù)防己成為家長、學(xué)校及社會關(guān)注的大事。由于近視的發(fā)生、發(fā)展與多種因素有關(guān)，且受血眼屏障及毒副作用影響，近視藥物治療幾乎無效，所以預(yù)防近視最為重要。目前市場上有很多用于糾正中小學(xué)生坐姿和預(yù)防學(xué)生近視的儀器，但都存在各自的不足，如背背佳是依靠硬質(zhì)材料束縛學(xué)生的行為，使佩戴者上身長期保持一個直立的姿式，這樣身體會產(chǎn)生疲勞感，很不舒服，故學(xué)生并不喜歡佩戴。

本設(shè)計的目的是提供一種學(xué)生在身體放松的狀態(tài)下，能夠自覺糾正不良坐姿，避免脊椎變形及眼睛近視的學(xué)生防近視提醒儀。

2.防近視提醒儀硬件電路設(shè)計

本設(shè)計包括超聲波距離傳感器、單片機(jī)，超聲波距離傳感器與單片機(jī)輸入端連接，單片機(jī)輸出端分別與顯示模塊和語音模塊連接，如圖1所示。單片機(jī)、顯示模塊和語音模塊置于儀器結(jié)構(gòu)內(nèi)，儀器結(jié)構(gòu)設(shè)有電池放置槽，上方設(shè)有顯示燈、電源開關(guān)，單片機(jī)、顯示燈及電源開關(guān)分別與電池連接。

本設(shè)計利用超聲波距離傳感器感知身體與桌子間的距離，通過振動或音樂的方式提醒學(xué)生迅速調(diào)整坐姿，使身體與桌子保持科學(xué)距離，調(diào)整后振動或音樂即會自動停止，從科學(xué)用光的角度避免眼睛疲勞，預(yù)防近視、保護(hù)視力，并能有效預(yù)防駝背。

2.1超聲波距離傳感器電路設(shè)計方案

以超聲波作為檢測手段，能夠產(chǎn)生超聲波和接收超聲波，具有這種功能的裝置就是超聲波距離傳感器，習(xí)慣上稱之為超聲換能器或超聲探頭。超聲探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用，它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。超聲探頭的核心是其塑料外套或金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種，晶片的大小如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，使用前必須預(yù)先了解它的性能。

本設(shè)計的超聲波距離傳感器發(fā)射電路主要由40KHz脈沖信號產(chǎn)生模塊和驅(qū)動電路模塊兩大模塊組成。利用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生占空比為50%的40KHz的方波信號。當(dāng)555定時器的4腳為高電平時，555定時器電路產(chǎn)生占空比為50%的方波信號；當(dāng)4腳為低電平時，555定時器清零，沒有輸出。超聲波接收器接收到物體反射回來的40KHz的超聲波信號，將其轉(zhuǎn)換為電信號，輸入CX20106A的1腳，CX20106A經(jīng)過放大、濾波、整形后，會在第7腳產(chǎn)生一個低電平下降脈沖，輸出至單片機(jī)等控制處理器的外部中斷口。

2.2語音模塊電路設(shè)計方案

ISD2500是ISD系列單片語音錄放集成電路的一種。這是一種永久記憶型語音錄放電路，錄音時間為60秒，可重復(fù)錄放10萬次。該芯片采用多電平直接模擬量存儲專利技術(shù)，每個采樣值可直接存儲在片內(nèi)單個EEPROM單元中，因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”。該器件的采樣頻率為8KHz，同一系列的產(chǎn)品采樣頻率越低，錄放時間越長，但通頻帶和音質(zhì)會有所降低。此外，ISD2500還省去了A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。其集成度較高，內(nèi)部包括前置放大器、內(nèi)部時鐘、定時器、采樣時鐘、濾波器、自動增益控制、邏輯控制、模擬收發(fā)器、解碼器和480K字節(jié)的EEPROM。ISD2500內(nèi)部EEPROM存儲單元均勻分為600行，有600個地址單元，每個地址單元指向其中一行，每一個地址單元的地址分辨率為100MS。此外，ISD2500還具備微控制器所需的控制接口，通過操縱地址和控制線可完成不同的任務(wù)，以實現(xiàn)復(fù)雜的信息處理功能，如信息的組合、連接、設(shè)定固定的信息段和信息管理等。ISD2500可不分段，也可以最小段長為單位來任意組合分段。

ISD2500的按鍵單段錄放電路非常簡單，如圖2所示。單段使用時全部地址線接地，錄音時置P/R端（S3）為低，按住CE端的片選鍵（S1）不放開，即開始錄音，松開時或芯片錄滿時自動停止。放音時置P/R端（S3）為高，按一下CE端的片選鍵（S1），即開始放音，按一下PD端的節(jié)電鍵（S2）或放音結(jié)束時自動停止。

本設(shè)計采用89S52單片機(jī)為主控芯片，初始設(shè)定胸口到桌面距離為90mm—120mm，頭部到桌面距離為180mm—240mm，連續(xù)靜坐不超過2小時，利用超聲波距離傳感器感知人體與桌面的距離及靜坐時間，使用語音芯片進(jìn)行語音提醒。本設(shè)計通過超聲波距離傳感器采集胸口與桌面的距離或頭部與桌面的距離，并對采集信息做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳送給單片機(jī)，單片機(jī)將信號的距離與初始設(shè)定的距離進(jìn)行比對，當(dāng)小于設(shè)定的最小距離值時，單片機(jī)發(fā)送報警信號給語音模塊，語音模塊接收到報警信號，就會產(chǎn)生例如“請注意坐姿”的語音提示，提醒使用者糾正坐姿；當(dāng)使用者工作或?qū)W習(xí)時間超過系統(tǒng)設(shè)定的靜坐時間時，就會產(chǎn)生例如“請注意休息”的語音提示，提示使用者注意休息。同時，本設(shè)計還可通過顯示模塊實時顯示自己與桌面之間的距離，方便使用者判斷自己與桌面之間的距離是否適當(dāng)。

本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、操作方便，適用于各類消費人群，尤其能夠及時有效地矯正學(xué)生不良坐姿，預(yù)防近視，防止脊柱彎曲、含胸駝背。

3.結(jié)束語

通過本次學(xué)生防近視提醒儀的設(shè)計，我更加關(guān)注生活中的常見問題及解決方案，在設(shè)計過程中雖然遇到了一些困難，但經(jīng)過一次又一次的思考、一遍又一遍的嘗試，還是找出了解決問題的方法。此次設(shè)計還使我培養(yǎng)了學(xué)習(xí)興趣，堅定了戰(zhàn)勝困難的信心，在學(xué)習(xí)與探究的過程中我還體會到了越學(xué)越知道自己的不足的真諦，從而更加端正了我孜孜以求、精益求精的學(xué)習(xí)態(tài)度。總之，實踐出真知，親自動手制作，反復(fù)揣摩，是不斷提升我們創(chuàng)新與實踐能力的有效途徑，而小科技、小創(chuàng)作是成就我們?nèi)轿怀砷L的載體，我們廣大青少年應(yīng)一如既往地在科技創(chuàng)新這片天地勇于探索、大膽創(chuàng)新，為我們偉大祖國的繁榮昌盛盡綿薄之力，為我們中華民族的偉大復(fù)興增光添彩。