學生專利展示

王思博

授權公告號： CN205302590U

摘要：本設計是一種學生防近視提醒儀，適用于中小學生。本設計包括超聲波距離傳感器、單片機，超聲波距離傳感器與單片機輸入端連接，單片機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生調整坐姿，學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，從科學用光的角度避免眼睛疲勞，預防近視、保護視力，并能有效預防駝背。

關鍵詞：防近視；單片機；傳感器；語音

1.研究背景

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

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

2.防近視提醒儀硬件電路設計

本設計包括超聲波距離傳感器、單片機，超聲波距離傳感器與單片機輸入端連接，單片機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、顯示模塊和語音模塊置于儀器結構內，儀器結構設有電池放置槽，上方設有顯示燈、電源開關，單片機、顯示燈及電源開關分別與電池連接。

本設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生迅速調整坐姿，使身體與桌子保持科學距離，調整后振動或音樂即會自動停止，從科學用光的角度避免眼睛疲勞，預防近視、保護視力，并能有效預防駝背。

2.1超聲波距離傳感器電路設計方案

以超聲波作為檢測手段，能夠產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，它有許多不同的結構，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，使用前必須預先了解它的性能。

本設計的超聲波距離傳感器發射電路主要由40KHz脈沖信號產生模塊和驅動電路模塊兩大模塊組成。利用555定時器構成多諧振蕩器，產生占空比為50%的40KHz的方波信號。當555定時器的4腳為高電平時，555定時器電路產生占空比為50%的方波信號；當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，將其轉換為電信號，輸入CX20106A的1腳，CX20106A經過放大、濾波、整形后，會在第7腳產生一個低電平下降脈沖，輸出至單片機等控制處理器的外部中斷口。

2.2語音模塊電路設計方案

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，可重復錄放10萬次。該芯片采用多電平直接模擬量存儲專利技術，每個采樣值可直接存儲在片內單個EEPROM單元中，因此能夠非常真實、自然地再現語音、音樂、音調和效果聲，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，同一系列的產品采樣頻率越低，錄放時間越長，但通頻帶和音質會有所降低。此外，ISD2500還省去了A/D和D/A轉換器。其集成度較高，內部包括前置放大器、內部時鐘、定時器、采樣時鐘、濾波器、自動增益控制、邏輯控制、模擬收發器、解碼器和480K字節的EEPROM。ISD2500內部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，以實現復雜的信息處理功能，如信息的組合、連接、設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端的節電鍵（S2）或放音結束時自動停止。

本設計采用89S52單片機為主控芯片，初始設定胸口到桌面距離為90mm—120mm，頭部到桌面距離為180mm—240mm，連續靜坐不超過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，使用語音芯片進行語音提醒。本設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，并對采集信息做數據轉換傳送給單片機，單片機將信號的距離與初始設定的距離進行比對，當小于設定的最小距離值時，單片機發送報警信號給語音模塊，語音模塊接收到報警信號，就會產生例如“請注意坐姿”的語音提示，提醒使用者糾正坐姿；當使用者工作或學習時間超過系統設定的靜坐時間時，就會產生例如“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。

本設計結構簡單、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生不良坐姿，預防近視，防止脊柱彎曲、含胸駝背。

3.結束語

通過本次學生防近視提醒儀的設計，我更加關注生活中的常見問題及解決方案，在設計過程中雖然遇到了一些困難，但經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。此次設計還使我培養了學習興趣，堅定了戰勝困難的信心，在學習與探究的過程中我還體會到了越學越知道自己的不足的真諦，從而更加端正了我孜孜以求、精益求精的學習態度。總之，實踐出真知，親自動手制作，反復揣摩，是不斷提升我們創新與實踐能力的有效途徑，而小科技、小創作是成就我們全方位成長的載體，我們廣大青少年應一如既往地在科技創新這片天地勇于探索、大膽創新，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興增光添彩。