淺談針對坐姿感應的視力保護臺燈設計

摘要：本文采取文獻法、綜合分析法等方法，首先從產品設計的理念著手，探索了本文研究的理論基礎，進而通過分析學生視力下降的主要誘因——坐姿不當，來設計一款針對坐姿感應的視力保護臺燈，并提出了主要的設計方案，僅供參考。

關鍵詞：產品設計;坐姿感應;視力保護;臺燈

中國近視患者很多，其中學生近視的尤其多，視力下降給學生日常生活以及學習都帶來了極大的不便。臺燈是學生桌前比較重要的一個照明工具，長時間在臺燈下學習，必然會導致視力下降，同時如果學生在臺燈下睡著了，若燈一直開著也是對能源的浪費，因此研究設計一種能夠保護視力的臺燈具有實際意義。

1 理論基礎

產品設計必須要根據需求分析來確定用戶的使用需求，基于需求來明確產品的功能和特性，創造出概念性的設計方案后，需要人機交互專家或者實際用戶來對方案進行評估，提出有效的反饋，方便改進設計，這種產品設計方法即交互設計。交互設計是設計人造系統行為的一個設計領域，它定義多個互動的個體之間交流的內容與結構，使互動個體可以相互配合并達成某種目的。這樣操作的核心原則在于“了解你的用戶”，用戶是產品最終要面對的人群，用戶對產品的使用體驗好不好直接關系到產品是否能夠留住用戶。這里涉及用戶體驗設計的理念。用戶體驗是用戶在使用產品過程中所感受到的以及所獲得的全部內容的體驗綜合，它并不表現為產品是如何工作的，而是表現為產品如何與外界的用戶發生聯系并產生作用。

臺燈這種產品作為學生必備的一件照明工具，如果具備保護視力的功能那顯然會使學生的使用體驗更好。國內外實際上對預防近視的多功能臺燈都進行了研究，比如一種利用人的移動信號和光信號來代替開關的智能臺燈，這種臺燈電路相對簡單，靈敏度比較低，對預防近視的效果不好。還有一些主打預防近視的臺燈，比如利用直流驅動的led燈，這種燈沒有頻閃，加上疲勞調節電路與定時點燈電路，解決了頻閃和電磁輻射，這是利用調整用眼環境的方式來保護視力，但是還達不到理想狀態。實際上學生視力下降，大部分時候都是因為學生坐姿不對而引起的，錯誤的坐姿會導致眼部光線不足，長時間近距離看書會造成用眼過度而引發視力下降。因此基于交互設計和用戶體驗設計，考慮設計一種基于坐姿感應的視力保護臺燈。

2 一種針對坐姿感應的視力保護臺燈設計

2.1 設計思路

考慮坐姿不當引起視力下降，因此在臺燈設計中考慮在LED燈的基礎上，結合當前智能控制技術，設計一種針對坐姿感應的視力保護臺燈。LED光源穩定，基本沒有頻閃，這方面解決頻閃帶給人眼的光線刺激，利用感應裝置有針對性的感應用戶的坐姿，如果坐姿錯誤則發出報警以及提示。考慮設計一個以單片機為主控單元的智能臺燈，單片機配合紅外熱釋電處理芯片組成紅外傳感控制電路，原理是利用人體的紅外輻射作為傳感信號，人體處在臺燈照明范圍內且環境光比較弱的情況下，主控單元發出指令，臺燈自動開燈，并根據人體與臺燈之間的距離調整燈光亮度。當然人體過分靠近桌面也就意味著坐姿不當，臺燈中內置的聲光報警器發出警報，并發出正確坐姿提示（當然該功能可不設置），當人體未遠離桌面，燈光變暗，若一定時間內未遠離則認為人趴在桌子上睡著了，臺燈自動關燈。

2.2 硬件方案

根據上述思路，將臺燈設計劃分為兩個部分，其中一部分為控制部分，另一部分為信號檢測部分。其中信號檢測部分以感應模塊，坐姿矯正模塊，按鍵電路，溫度檢測電路為主。控制模塊為單片機、顯示電路、報警電路以及繼電器電路。

參照設計思路，本設計是一個光電一體的綜合設計方案，設計中主要依靠檢測技術、自動控制技術以及電子技術，由此來構建硬件體系，方案硬件選擇包括傳感器部分和控制部分。傳感器部分，主要以人體輻射紅外信號檢測、光強信號檢測、溫度檢測裝置為主。智能控制部分，要結合傳感器，將傳感器變化輸出的信號進行邏輯判斷，單片機作為主控，控制繼電器、顯示屏、報警器。

主控選用單片機，考慮經濟性，選擇AT89C51芯片，該芯片是帶4K字節flash存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，它為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。當然如果考慮高性能可以選擇STM32微控制器，STM32是屬于ARM內核的一個版本，是32位閃存微控制器相比51系列單片機要高級一些可外接usb，接口更簡單，且自身帶有很多功能，處理速度快，具備較強的音頻性能，集成度很高。僅就考慮坐姿矯正來說，AT89C51的性能足夠使用了。

核心的坐姿感應及矯正模塊，利用熱釋電紅外傳感器、信號處理電路、BISS0001芯片、延時電路以及靈敏度調節電路來實現。熱釋電紅外傳感器的主要功能是感應判斷人體與桌面之間的距離，進而實現對坐姿的感應。因為熱釋電紅外傳感器所能夠采集到的信號比較微弱，感應范圍也小，因為要保證自動控制，對該傳感器的性能要求較高，因此考慮在其正面加一個菲涅爾透鏡，增強其信號采集范圍以及信號強度。BISS0001芯片是一款性能較好的被動式熱釋電紅外傳感信號處理器，很多人體感應電路中都用到了該芯片。實際上一個人體感應電路模塊是很好配置的，難度在于如何增強傳感器的信號和范圍，當然淘寶上就有傳感器+菲涅爾透鏡+BISS0001的人體感應模塊出售。該模塊的工作原理是，當人在使用臺燈過程中，如果坐姿不當，傳感器檢測到信號后，芯片對信號進行放大，并通過一反相器傳送給單片機端口，由單片機通過報警電路控制報警器報警。報警的作用就是提示臺燈使用人坐姿不正確。

光檢測電路以光敏電阻和可調節電阻構成，其中光敏電阻是核心元件，這種電阻通常用來測量光強以及光的控制和光電轉換。自適應調節燈光模塊的主要電路就是光檢測電路。當光敏電阻受到光的照射，光敏層內激發電子空穴對，參與導電。光敏電阻主要用來感知光亮程度，如果光線強則電阻降低，分得的電流小無法觸發BISS0001芯片，無信號輸出，當光線弱的時候，阻值大，分得電壓大進而觸發芯片發出信號。

信號處理電路是無源濾波電路，其主要作用是放大傳感器信號，然后由BISS0001芯片處理。

以熱釋電紅外傳感器+BISS0001芯片構成的人體感應體系，檢測的精度與溫度有很大的關系，因此，設置一個溫度檢測電路，選用DS18B20芯片，該芯片可測試零下55℃至125℃范圍內的溫度，主要作用是測試室內溫度，并將測試結果轉發給單片機處理后，轉化為液晶屏的顯示數據。

2.3 軟件方案

軟件方面主要是單片機的程序設計，單片機要發揮作用，必須要調用相關的程序來實現各種控制功能，AT89C51是一款入門級別的單片機，在單片機程序設計當中是必學的一個。程序設計上一般可采用C語言進行設計，此處不做詳細討論，只給出一個程序流程做參考，程序開始后，先對系統進行初始化，傳感器啟動進行檢測，若檢測到有人那么運行開燈，若無人則關燈或不開啟燈，進一步讀取室內溫度值，在顯示屏上顯示，并且聯網顯示時間，檢查是否存在人工定時，若檢測到存在人工定時，運行定時子程序，若定時時間到，發出報警，延時最后關燈，如果在定時期間存在坐姿不正確則報警，若無定時，但坐姿不正確則報警，提供延時，坐姿還是不對，則關燈。

3 結語

綜上所述，本文中給出了一款坐姿感應的視力保護臺燈的設計方案，主要突出的是硬件方面的設計。該臺燈以學生的不良坐姿為引子，考慮人體感應來實現調整人體坐姿來實現視力保護。單片機的運用實現自動化的控制，可根據傳感器檢測到的人體坐姿情況實時調光以及發出提示，LED穩定的光源加上坐姿感應有效地提供了一個合理的光照環境，視力保護的效果較為理想。

參考文獻：

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[2] 袁博.基于STM32的語音控制與坐姿檢測智能臺燈原型系統[J].實驗室研究與探索，2019（03）.

作者簡介：汪霖波（1997—），男，江西上饒人，本科，研究方向：產品設計。（單位：南昌工程學院）