基于超聲波的坐姿監(jiān)視器設(shè)計

摘 要：設(shè)計了一種以超聲波測距為檢測方式的中小學(xué)生坐姿監(jiān)視器。監(jiān)視器以單片機(jī)為控制核心，設(shè)計了標(biāo)準(zhǔn)坐姿設(shè)定鍵，以適應(yīng)不同人群的坐姿區(qū)別。通過單片機(jī)智能化的判斷方式，避免了使用者因偶爾坐姿“違規(guī)”而做出的報警。

關(guān)鍵詞：坐姿監(jiān)視；產(chǎn)品設(shè)計；超聲波；單片機(jī)

1 引言

中國的學(xué)生近視率在全世界的排名，已從1998年的第4位，上升為第2位了；引起少年兒童近視眼發(fā)病率居高不下的直接原因是長時間觀看近的物體。目前從幼兒園的小朋友開始，學(xué)習(xí)寫字就將身體趴（伏案）在桌子上，時間長了，就養(yǎng)成坐姿不正確、長時間近距離看書、寫字的壞習(xí)慣，現(xiàn)城市內(nèi)的中、小學(xué)校學(xué)生每班的學(xué)生有85%至90%的是將身體趴（伏案）在桌子上寫字、看書[1]。

超聲波坐姿監(jiān)視器可以實時監(jiān)視使用者的坐姿情況，一旦發(fā)現(xiàn)坐姿不端正，并會通過振動、聲音、光等形式向使用者發(fā)出報警，促使使用者改正坐姿，從而達(dá)到預(yù)防和糾正坐姿不端正問題。

2 作品的原理與功能

2.1 作品設(shè)計基本思路

超聲波坐姿監(jiān)視器采用了超聲波測距、單片機(jī)控制等先進(jìn)技術(shù)，融合人體學(xué)原理，根據(jù)使用者普遍規(guī)律，是一款高科技的智能化產(chǎn)品。

監(jiān)視器通過超聲波傳感器檢測使用者眼睛與書本的距離來實時監(jiān)視坐姿，工作示意圖如圖1。

2.2 電路設(shè)計

監(jiān)視器以單片機(jī)為控制核心，主要由電源、一體式超聲波探頭、放大電路、按鍵和報警裝置構(gòu)成。電路結(jié)構(gòu)圖如圖2。

主要器件選擇

測距傳感器選用一體式超聲波探頭，探頭直徑10mm，長度8mm，重量5g，盲區(qū)范圍15cm，驅(qū)動電流20mA，工作頻率40K，發(fā)射角度15度。

控制主芯片選用深圳宏晶科技有限公司最新產(chǎn)品STC15L204E單片機(jī)，該單片機(jī)8腳SOP封裝，內(nèi)部具有誤差+1%精度的最高35MHzRC振蕩器，并可編程分頻，2.4V-3.6V工作電壓，引腳驅(qū)動能力達(dá)20mA，并且可以設(shè)置成強(qiáng)上拉輸出或者高阻輸入狀態(tài)[2]。

運算放大器選用Microchip公司的低壓芯片MCP6002，工作電壓1.8V-5.5V，內(nèi)部雙運放，SOIC-8封裝，靜態(tài)電流100uA。

電路原理圖見圖3，監(jiān)視器以單片機(jī)為核心，單片機(jī)發(fā)射40KHz方波信號驅(qū)動超聲波發(fā)射頭，超聲波遇物體反射信號經(jīng)一體超聲波接收頭接收后，信號經(jīng)交流放大器放大后送至單片機(jī)。由于使用的是收發(fā)一體的超聲波探頭，發(fā)射回路與接收回路相連，因此單片機(jī)在發(fā)射方波時，引腳設(shè)置成強(qiáng)上拉輸出狀態(tài)，發(fā)射完成后引腳馬上設(shè)置成高阻輸入狀態(tài)，避免引腳輸出電平鉗位了接收信號。

2.3 工作過程分析

電路接通電源后，單片機(jī)斷續(xù)發(fā)射方波給超聲波探頭，超聲波探頭接收到反射信號向單片機(jī)中斷，單片機(jī)根據(jù)發(fā)射與接收間隔時間來計算探頭與物體之間的距離。進(jìn)而判斷使用者坐姿是否規(guī)范。單片機(jī)工作主流程見圖4。

為降低系統(tǒng)功耗，單片機(jī)每隔200mS對超聲波探頭發(fā)射8個40K方波，在發(fā)射第一個方波時開啟定時器，待發(fā)射結(jié)束后再延時500uS開啟單片機(jī)中斷，以避開探頭余震的影響。單片機(jī)根據(jù)定時時間來計算探頭與物體的距離。測距流程見圖5。

作品設(shè)計中采用了智能化的“違規(guī)”判斷方式，主要作用是剔除掉如偶爾低頭等“假違規(guī)”動作。當(dāng)在連續(xù)15秒內(nèi)檢測到距離均小于參考值時，監(jiān)視器做出報警。參考值是由設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值再增減允許移動量。當(dāng)檢測距離過遠(yuǎn)超出量程或過近超出量程時，單片機(jī)都無法得到超聲波返回信號，此時要根據(jù)上一個信號是近信號還是遠(yuǎn)信號來確定當(dāng)前是正方向還是負(fù)方向超量程。如果負(fù)方向持續(xù)超量程，那么說明坐姿已經(jīng)嚴(yán)重不端正，要做出報警動作。智能判斷的流程見圖6。

3 作品結(jié)構(gòu)

作品采用了探頭與主機(jī)分離結(jié)構(gòu)，見示意圖7。使用者在頭部只要佩戴探頭即可，大大減輕了頭戴部分的重量。電源部分采用兩節(jié)7號干電池或充電池串聯(lián)。電池、電路板、按鍵、聲光震動提醒裝置全部集合于一個盒子中。探頭與主機(jī)間采用插座連接，方便使用。

超聲波探頭位置固定有一定程度的不確定性。如果使用者戴眼鏡的，可將探頭固定在小型話筒夾上，并將話筒夾夾在眼鏡的耳柄上，使超聲波探測方向與眼睛視線一致。如使用者不戴眼鏡的，可以制作一個耳朵掛鉤，將探頭固定掛鉤上，并盡量使探頭方向與眼睛視線一致。

4 結(jié)束語

超聲波坐姿監(jiān)視器較好的運用了單片機(jī)控制技術(shù)，結(jié)合使用者的具體情況，設(shè)計了“標(biāo)準(zhǔn)坐姿設(shè)定鍵”和“假違規(guī)”篩別過程，具有實用、簡便等特點。在我國青少年坐姿普遍不端正的情況下，設(shè)計推廣本作品有很強(qiáng)的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]中國青少年研究中心專題研究報告[2003]第4號.

[2]宏晶科技有限公司STC15L204E技術(shù)手冊.