王思博

授權(quán)公告號(hào)： CN205302590U

摘要：本設(shè)計(jì)是一種學(xué)生防近視提醒儀，適用于中小學(xué)生。本設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)或音樂即會(huì)自動(dòng)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(shí)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(huì)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(chǎng)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(gè)直立的姿式，這樣身體會(huì)產(chǎn)生疲勞感，很不舒服，故學(xué)生并不喜歡佩戴。

本設(shè)計(jì)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(jì)

本設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)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(dòng)或音樂即會(huì)自動(dòng)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(jì)方案

以超聲波作為檢測(cè)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(cè)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(gè)探頭反射、一個(gè)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(gè)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(jì)的超聲波距離傳感器發(fā)射電路主要由40KHz脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊和驅(qū)動(dòng)電路模塊兩大模塊組成。利用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生占空比為50%的40KHz的方波信號(hào)。當(dāng)555定時(shí)器的4腳為高電平時(shí)，555定時(shí)器電路產(chǎn)生占空比為50%的方波信號(hào)；當(dāng)4腳為低電平時(shí)，555定時(shí)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(hào)，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸入CX20106A的1腳，CX20106A經(jīng)過放大、濾波、整形后，會(huì)在第7腳產(chǎn)生一個(gè)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(jì)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(shí)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(chǔ)專利技術(shù)，每個(gè)采樣值可直接存儲(chǔ)在片內(nèi)單個(gè)EEPROM單元中，因此能夠非常真實(shí)、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(shí)間越長，但通頻帶和音質(zhì)會(huì)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(shí)鐘、定時(shí)器、采樣時(shí)鐘、濾波器、自動(dòng)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(chǔ)單元均勻分為600行，有600個(gè)地址單元，每個(gè)地址單元指向其中一行，每一個(gè)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(shí)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(shí)全部地址線接地，錄音時(shí)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(shí)或芯片錄滿時(shí)自動(dòng)停止。放音時(shí)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(shí)自動(dòng)停止。

本設(shè)計(jì)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(shí)，利用超聲波距離傳感器感知人體與桌面的距離及靜坐時(shí)間，使用語音芯片進(jìn)行語音提醒。本設(shè)計(jì)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(duì)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(hào)的距離與初始設(shè)定的距離進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)小于設(shè)定的最小距離值時(shí)，單片機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)給語音模塊，語音模塊接收到報(bào)警信號(hào)，就會(huì)產(chǎn)生例如“請(qǐng)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(shí)間超過系統(tǒng)設(shè)定的靜坐時(shí)間時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生例如“請(qǐng)注意休息”的語音提示，提示使用者注意休息。同時(shí)，本設(shè)計(jì)還可通過顯示模塊實(shí)時(shí)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(jì)結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、操作方便，適用于各類消費(fèi)人群，尤其能夠及時(shí)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(jì)，我更加關(guān)注生活中的常見問題及解決方案，在設(shè)計(jì)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(jì)還使我培養(yǎng)了學(xué)習(xí)興趣，堅(jiān)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(huì)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(shí)踐出真知，親自動(dòng)手制作，反復(fù)揣摩，是不斷提升我們創(chuàng)新與實(shí)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。