基于單片機(jī)的坐姿護(hù)眼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊靜 谷翠梅 蘇晨旭 楊益 張薇

摘 要：通過了解近視現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種正姿護(hù)眼一體化產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)通過超聲波傳感器檢測(cè)人與桌面之間的距離，并結(jié)合Arduino單片機(jī)對(duì)燈光等相關(guān)學(xué)習(xí)環(huán)境的反饋，將信號(hào)傳輸至裝有芯片的座椅上，報(bào)警器發(fā)出嗡鳴，提示使用者調(diào)整坐姿和用眼距離，保證用眼健康，以預(yù)防并減少近視和脊柱病發(fā)生。該產(chǎn)品將護(hù)眼正姿系統(tǒng)和桌椅結(jié)合，與類似護(hù)眼產(chǎn)品相比，價(jià)格適中，功能較多，性價(jià)比高，可以實(shí)現(xiàn)多元化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：中小學(xué)生;學(xué)習(xí)姿勢(shì);預(yù)防近視;正姿護(hù)眼一體化

中圖分類號(hào)：TP368.1;TS956.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2020）04-0063-03

Abstract： By understanding the current situation of myopia， this paper had designed an integrated product of ortho and eye protection. This design uses an ultrasonic sensor to detect the distance between the person and the desktop， and combines the Arduino microcontroller's feedback on related learning environments such as lights to transmit the signal to the seat equipped with the chip. The alarm buzzes， prompting the user to adjust the sitting position and distance to ensure eye health， to prevent and reduce the occurrence of myopia and spinal disease. This product combines an eye protection system and a table and chair， compared with similar eye protection products， it has a moderate price， more functions， and a high cost performance， which can realize diversified applications.

Keywords： elementary and middle school students;learning postures;prevention of myopia;positive posture and eye protection integration

2016年1月1日，我國(guó)開始全面實(shí)施二胎政策，呵護(hù)新生兒健康成長(zhǎng)的相關(guān)行業(yè)蓬勃發(fā)展。當(dāng)前，企業(yè)要合理利用互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。我國(guó)青少年近視人群不斷擴(kuò)大，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，其占青少年總?cè)藬?shù)的90%。近視具有遺傳性、可塑性、不可逆轉(zhuǎn)性等，人們要高度關(guān)注視力和所有可能影響孩子視力的問題。企業(yè)要將互聯(lián)網(wǎng)功能和護(hù)眼相結(jié)合，深入開展課題研究，研發(fā)正姿護(hù)眼一體化產(chǎn)品。

1 正姿護(hù)眼一體化產(chǎn)品研發(fā)的初衷

當(dāng)前，學(xué)生學(xué)習(xí)會(huì)消耗很長(zhǎng)時(shí)間，其間會(huì)存在駝背、低頭、坐姿不正、眼睛距離桌子和紙張?jiān)絹?lái)越近等問題，眼睛使用頻率高，容易造成眼疲勞。長(zhǎng)此以往，學(xué)生會(huì)出現(xiàn)駝背、脊柱不正、頸椎病等疾病。現(xiàn)在，家長(zhǎng)和社會(huì)對(duì)青少年視力保護(hù)的關(guān)注仍較少。學(xué)習(xí)時(shí)間長(zhǎng)和家長(zhǎng)監(jiān)督不到位是青少年出現(xiàn)近視的重要原因。基于此，本文結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出一種正姿護(hù)眼一體化產(chǎn)品——一體化學(xué)習(xí)桌椅。本設(shè)計(jì)利用護(hù)眼燈光技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制，自動(dòng)識(shí)別坐姿是否正確，并對(duì)學(xué)生加以提醒和強(qiáng)制更正，以免正處于成長(zhǎng)期的青少年出現(xiàn)骨骼壓迫、脊椎側(cè)彎、腰椎勞損等嚴(yán)重疾病[1-3]。

2 對(duì)比分析

普通桌椅價(jià)格便宜，但是無(wú)法調(diào)整高度，不適宜長(zhǎng)久學(xué)習(xí)，如果長(zhǎng)久使用，學(xué)生會(huì)養(yǎng)成不良的學(xué)習(xí)姿勢(shì)，影響身體發(fā)展。市場(chǎng)上，雖然部分學(xué)習(xí)桌椅能夠滿足學(xué)習(xí)條件，但是價(jià)格昂貴，只適用于富裕家庭，并且較為脆弱，性價(jià)比低，桌面為斜面，不適合放易碎易滑物品。本文研發(fā)的正姿護(hù)眼一體化學(xué)習(xí)桌椅，價(jià)格適中，功能多，性價(jià)比高，可以實(shí)現(xiàn)多元化應(yīng)用。

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

3.1 原理及流程圖

本產(chǎn)品采用藍(lán)牙與手機(jī)連接，坐姿護(hù)眼系統(tǒng)正常工作時(shí)，如果有使用者坐到桌面前，超聲波傳感器會(huì)發(fā)射一組高頻聲波（一般為40～45 kHz），檢測(cè)人與桌面之間的距離。當(dāng)聲波遇到物體后，就會(huì)被反彈，之后，超聲波傳感器將生成的距離信息發(fā)送至Arduino單片機(jī)。Arduino單片機(jī)通過用于傳送位置數(shù)據(jù)的無(wú)線通信模塊的UART_TXD信號(hào)發(fā)送端將信息發(fā)送到座椅上的控制芯片，通過電位的變化，控制芯片上電子的運(yùn)動(dòng)，影響半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，并利用此過程的控制芯片控制驅(qū)動(dòng)放大模塊，對(duì)LED燈進(jìn)行PWM調(diào)制，以保護(hù)眼睛，并由報(bào)警裝置主動(dòng)發(fā)出提醒，提示用戶坐姿不規(guī)范，需要調(diào)整距離。專用配套筆上的數(shù)字三軸陀螺儀同時(shí)測(cè)定6個(gè)方向的位置、移動(dòng)軌跡和加速度，使用加速度傳感器穩(wěn)定陀螺儀旋轉(zhuǎn)時(shí)的加速度和角度，二者結(jié)合后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)使用者的坐姿生成相應(yīng)信息并將此信息傳給Arduino單片機(jī)，Arduino單片機(jī)會(huì)通過桌面上的液晶顯示屏為使用者提供全面的坐姿信息，幫助使用者調(diào)整坐姿[4-6]。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)使用者使用一體化學(xué)習(xí)桌椅進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)使用者的基本信息，設(shè)定健康距離，如果書寫姿勢(shì)不標(biāo)準(zhǔn)或用眼距離不合理，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出嗡鳴，提醒使用者調(diào)整坐姿。

這種桌椅靠藍(lán)牙連接，系統(tǒng)控制快速、準(zhǔn)確，最后將信息傳送給手機(jī)，可以清晰地統(tǒng)計(jì)分析近期學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、學(xué)習(xí)姿勢(shì)不規(guī)范次數(shù)、對(duì)身體和視力的影響，并給出解決措施[7-8]。詳細(xì)操作規(guī)程和原理如圖1至圖4所示。

3.2 設(shè)備信息

3.2.1 Arduino單片機(jī)。Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺(tái)，能通過各種各樣的傳感器來(lái)感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達(dá)和其他裝置來(lái)反饋、影響環(huán)境。

3.2.2 超聲波傳感器。超聲波傳感器是將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成其他能量信號(hào)（通常是電信號(hào)）的傳感器，本產(chǎn)品用于超聲波測(cè)距和傳遞數(shù)據(jù)。

3.2.3 無(wú)線通信模塊和無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。二者均包括UART_TXD信號(hào)發(fā)送端和UART_RXD信號(hào)接收端。

3.2.4 三軸陀螺儀。它可以同時(shí)測(cè)定6個(gè)方向的位置、移動(dòng)軌跡和加速度。單軸陀螺儀只能測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向的量，即一個(gè)系統(tǒng)需要三個(gè)陀螺儀，而1個(gè)三軸陀螺儀就能替代3個(gè)單軸陀螺儀。3軸陀螺儀具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好等優(yōu)勢(shì)，是激光陀螺的發(fā)展趨勢(shì)。

3.2.5 加速度傳感器。它是一種能夠測(cè)量加速度的傳感器，通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等組成。在加速過程中，傳感器通過對(duì)質(zhì)量塊所受慣性力的測(cè)量，利用牛頓第二定律獲得加速度值，本產(chǎn)品通過測(cè)量用戶頭部角速度來(lái)確定用戶坐姿。

3.3 設(shè)備部署

本設(shè)計(jì)是一種坐姿矯正與護(hù)眼一體化裝置，包括桌子、座椅和專用配套筆。桌子上安裝有液晶顯示屏、Arduino單片機(jī)、LED燈、超聲波傳感器和無(wú)線通信模塊。所述液晶顯示屏安裝在桌子上表面，Arduino單片機(jī)安裝在桌腿上，無(wú)線通信模塊和超聲波傳感器分別安裝于桌子前側(cè)邊。

超聲波傳感器、LED燈和液晶顯示屏的信號(hào)端分別與Arduino單片機(jī)的信號(hào)端相連，Arduino單片機(jī)的信號(hào)端還與無(wú)線通信模塊的信號(hào)端相連。座椅上安裝有電源、控制芯片、無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和報(bào)警裝置，無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的信號(hào)端與控制芯片的信號(hào)端相連，控制芯片還與報(bào)警裝置相連。專用配套筆上安裝有用于檢測(cè)坐姿的數(shù)字三軸陀螺儀和加速度傳感器，數(shù)字三軸陀螺儀和加速度傳感器通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分別與控制芯片相連。報(bào)警裝置采用蜂鳴器。

4 結(jié)論

本產(chǎn)品將坐姿矯正與護(hù)眼系統(tǒng)安裝于桌椅及配套專用筆上，提高功能性，性價(jià)比高。該產(chǎn)品利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，安裝有傳感器、芯片、藍(lán)牙、報(bào)警器等，智能控制學(xué)習(xí)姿勢(shì)和用眼距離，減少不必要的人工提醒時(shí)間，保證姿勢(shì)正確和脊柱健康，科學(xué)用眼。本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易行，實(shí)用性強(qiáng)。

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