一種書寫姿勢(shì)智能提醒器的設(shè)計(jì)

梁計(jì)鋒

(西安翻譯學(xué)院,工程技術(shù)學(xué)院，陜西，西安 710105)

0 引言

研究表明，我國(guó)中小學(xué)生里小學(xué)生的視力下降率大約占整體的25%左右，中學(xué)生視力下降比例較高，已經(jīng)達(dá)到了50%以上。錯(cuò)誤的書寫姿勢(shì)、長(zhǎng)時(shí)間的用眼疲勞、環(huán)境光照度不夠，都是導(dǎo)致近視的主要原因，并且這些行為很大一部分發(fā)生在學(xué)生時(shí)期。學(xué)生在學(xué)校自控能力較差，沒有老師與家長(zhǎng)的提醒，就會(huì)形成不好的書寫習(xí)慣，很多學(xué)生為了在書寫過程中讓書寫舒適，使眼睛與書本過近，以至開始出現(xiàn)近視，從那時(shí)起眼鏡便成為了生活中不可缺少的東西。為了盡量避免這種情況發(fā)生，本文設(shè)計(jì)了一款光電控制書寫提醒器。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，眾多國(guó)內(nèi)外電子企業(yè)自行設(shè)計(jì)制作了書寫提醒裝置，就中國(guó)而言，“學(xué)生1.5視力保護(hù)器”也被稱為“手表寶”，可以用簡(jiǎn)單的聲音報(bào)警提醒學(xué)生，糾正學(xué)生的書寫姿勢(shì)。然而該產(chǎn)品只有這一種功能。一般來說，具有視力保護(hù)功能的產(chǎn)品，目前國(guó)內(nèi)的書寫提醒裝置相對(duì)簡(jiǎn)單，無法滿足部分用戶的需求。國(guó)外最常見的是電子防止困倦提醒器，將防止困倦作為解決問題的關(guān)鍵，使用微電腦進(jìn)行書寫姿態(tài)校正，或基于紅外距離完成書寫姿勢(shì)校正。這類產(chǎn)品有其獨(dú)特性，但也有局限性。

研究表明，目前市場(chǎng)上還沒有多功能書寫提醒裝置。現(xiàn)在很多產(chǎn)品主要集中在視力保健上，這些產(chǎn)品的功能相對(duì)簡(jiǎn)單，然而用戶的需求是功能的多樣性，不喜歡只有單一的功能。因此，本文的目標(biāo)要設(shè)計(jì)一種具有多樣性功能、成本低、使用壽命長(zhǎng)，且具有較高的靈敏度，小巧便于攜帶，外形美觀的書寫提醒裝置。

1 光電控制書寫提醒器的方案設(shè)計(jì)

1.1 工作原理及功能描述

本裝置主要作用是監(jiān)測(cè)書寫者頭部的位置與桌面的距離，當(dāng)頭部離桌子距離過近，導(dǎo)致光線減弱時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警提示。為了將使用者的連續(xù)學(xué)習(xí)時(shí)間控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，本裝置通過外部時(shí)鐘模塊完成定時(shí)功能，在一段長(zhǎng)時(shí)間的工作學(xué)習(xí)后，裝置會(huì)提醒使用者閉目休息片刻(定時(shí)模塊未實(shí)現(xiàn))，系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 功能示意圖

1.2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要功能分為2大部分：坐姿提醒和定時(shí)提醒。整個(gè)系統(tǒng)主要由單片機(jī)核心控制器(MCU)[1]、測(cè)距電路、定時(shí)電路、提醒電路、光敏檢測(cè)電路等組成，主要框架如圖2所示。

圖2 主要功能結(jié)構(gòu)圖

書寫提醒主要功能是提醒功能。通過單片機(jī)程序處理數(shù)據(jù)得出頭部與提醒裝置的距離進(jìn)而判斷是否過于接近和坐立時(shí)間過長(zhǎng)，如果距離過近和學(xué)習(xí)時(shí)間過長(zhǎng)，則會(huì)提醒用戶及時(shí)調(diào)整書寫姿勢(shì)和休息。

2 硬件設(shè)計(jì)方案

2.1 功能要求

系統(tǒng)主要功能分為坐姿提醒和定時(shí)提醒。坐姿提醒是通過感應(yīng)模塊[2]對(duì)使用者與提醒器之間距離進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)使用者頭部過低遮住光線的時(shí)候，便會(huì)發(fā)出提醒。定時(shí)提醒起到了控制書寫時(shí)間的作用，通過定時(shí)器完成這部分的功能。

2.2 硬件模塊組成

硬件電路框如圖3所示。

圖3 硬件電路框圖

2.2.1 單片機(jī)核心電路

設(shè)計(jì)主要基于8051單片機(jī)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，它設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，體積小巧，接口方便，便于用戶的擴(kuò)展，按照它可以方便完成用戶所需要的各種功能。主要組成部分如下。

(1)CPU。CPU即中央處理器，是80c51單片機(jī)的重要組成部分，它由兩部分組成，分別是控制器和運(yùn)算器，這兩部分分別幫助完成控制和運(yùn)算的任務(wù)。運(yùn)算器能夠幫助實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多種運(yùn)算，控制器可以幫助平衡單片機(jī)整體運(yùn)作，發(fā)出控制信號(hào)，并且能夠產(chǎn)生脈沖。

(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器[3]。它是內(nèi)部RAM，用來存放和讀寫數(shù)據(jù)，這款單片機(jī)包含的存儲(chǔ)單元一共有128個(gè)。

(3)程序存儲(chǔ)器。它是內(nèi)部RAM，可以幫助放置原始數(shù)據(jù)，并且能夠存放程序。

(4)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。為了達(dá)到這種效果，它有16個(gè)。

(5)并行I/O口。可以幫忙完成系統(tǒng)的輸入輸出，內(nèi)部有4個(gè)8位的I/O口。

(6)串行I/O口。可以很方便簡(jiǎn)潔的完成單片機(jī)和數(shù)據(jù)的串行之間傳送。

(7)中斷控制器[4]。可以分為5個(gè)控制中斷源，這些中斷源有不相同的優(yōu)先級(jí)。

2.2.2 定時(shí)模塊

這一部分主要是通過時(shí)鐘電路(PCF8563)[5]來實(shí)現(xiàn)的。PCF8563是一款多功能時(shí)鐘/日歷芯片，它具有很多種功能，包括定時(shí)器、時(shí)鐘輸出和中斷輸出功能。這款芯片可完成很多種復(fù)雜的定時(shí)任務(wù)，它具有雙線IIC總線通信模式，這不僅使得芯片外圍電路簡(jiǎn)單，而且讓芯片的穩(wěn)定性變得更好，可靠性變得更高。總體上來說這款時(shí)鐘芯片擁有較高的性價(jià)比，正因?yàn)檫@個(gè)優(yōu)點(diǎn)，這款芯片已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)產(chǎn)品領(lǐng)域，比如電話機(jī)、生活用表等。

在本設(shè)計(jì)中，通過外部定時(shí)電路實(shí)現(xiàn)定時(shí)，通過雙向I2C總線將數(shù)據(jù)輸送至單片機(jī)核心，總線由2條線組成，分別是時(shí)鐘線與數(shù)據(jù)線。這兩條線必須用上拉電阻才可以同電源相連，在本系統(tǒng)中，將P1.6作為SCL，P1.7作為SDA。

2.2.3 測(cè)距模塊

這部分主要功能是測(cè)量用戶與書面提醒之間的距離，傳輸系統(tǒng)通過超聲波發(fā)射裝置測(cè)量目標(biāo)與裝置的距離，由于信號(hào)微弱，需要通過運(yùn)算放大器[6]的放大，隨后通過計(jì)算得出結(jié)果，具體工作流程如圖4所示。

圖4 超聲波模塊工作過程

發(fā)射部分由2部分組成，分別是共射放大電路和三極管電路。電路圖如圖5所示。

圖5 發(fā)射部分電路

該發(fā)射部分電阻的參數(shù)為：R1=330 Ω，R2=20 Ω，R3=470 Ω，R4=10 kΩ。

接收部分電路由2部分組成，分別是超聲波接收管TPS708和電壓串聯(lián)負(fù)反饋的模擬運(yùn)算放大電路。電路圖如圖6所示。

圖6 接收端電路

在電路中各電阻參數(shù)為R5=10 kΩ,R6=10 kΩ,U2B=100 kΩ,R11=10 kΩ,R9=100 kΩ,R10=330 kΩ,R8=10 kΩ。

2.2.4 測(cè)光電路

設(shè)計(jì)采用光敏電阻實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度采集[7]。光敏電阻也稱為光導(dǎo)，通常用CdS、Se、Al2S3、PbS和Bi2S3制成。這些材料表現(xiàn)出一個(gè)共同特性，即在特定λ的光下光敏電阻的阻值會(huì)迅速降低。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是由光產(chǎn)生的載流子參與導(dǎo)電，并在施加的電場(chǎng)作用下做漂移運(yùn)動(dòng)，電子向電源的陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，并且另一部分運(yùn)動(dòng)到電源的陰極，從而使得電阻的電阻值迅速下降。

2.2.5 報(bào)警電路

報(bào)警部分采取的方式是聲光報(bào)警，輸出采用3個(gè)LED，進(jìn)行顯示報(bào)警，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 LED報(bào)警電路電路圖

報(bào)警電路[8]實(shí)現(xiàn)的是書寫提醒器與使用者距離不處于系統(tǒng)設(shè)置的閾值中的時(shí)候、光強(qiáng)低于所設(shè)閾值的時(shí)候或?qū)W習(xí)時(shí)間超過所設(shè)閾值的時(shí)候，都將通過輸入輸出口驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作，從而完成報(bào)警。由于單片機(jī)輸入輸出口輸出的電流較弱，無法直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作，故設(shè)計(jì)了該部分驅(qū)動(dòng)電路，在本系統(tǒng)中，單片機(jī)端口P2.4、P2.5、P2.6與LED相連,P3.7與蜂鳴器相連，如圖8所示。

圖8 蜂鳴器報(bào)警電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)方案

3.1 軟件設(shè)計(jì)工具介紹

Keil C51[9]是由Keil Software研發(fā)的針對(duì)51系列兼容單芯片的C語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)。Keil提供的開發(fā)解決方案相對(duì)于其他開發(fā)系統(tǒng)較為完整，具有庫(kù)管理、集成開發(fā)環(huán)境、仿真調(diào)試器以及編譯器等等。并且這款開發(fā)系統(tǒng)的運(yùn)行兼容程度高，在Windows多種版本的操作系統(tǒng)下都可以完美運(yùn)行。如果選擇了C語(yǔ)言進(jìn)行程序的編寫，由于操作簡(jiǎn)單的集成環(huán)境以及功能強(qiáng)大的調(diào)試工具，因而Keil是最好的選擇。

3.2 模塊軟件設(shè)計(jì)介紹

3.2.1 超聲模塊軟件設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中。啟動(dòng)超聲模塊后，微控制器開始進(jìn)行初始化。如果MCU接收到接收電路發(fā)送的模擬電壓信號(hào)，進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換程序進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換[10]，接收到的模擬信號(hào)被轉(zhuǎn)換成可被MCU識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，并通過電壓距離計(jì)算的子程序，將改變后的電壓轉(zhuǎn)換為距離，為后面判斷提供條件，該部分流程圖見圖9。

圖9 紅外部分程序流程圖

在得到使用者與書寫提醒器的距離后，將測(cè)得距離與所設(shè)置閾值進(jìn)行比較并作出決策。

3.2.2 測(cè)光模塊軟件設(shè)計(jì)

通過測(cè)光模塊測(cè)得環(huán)境光的強(qiáng)度，此時(shí)輸出量為模擬電壓值，輸出會(huì)進(jìn)入單片機(jī)控制核心，由內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并通過計(jì)算轉(zhuǎn)化為光照強(qiáng)度，得到當(dāng)前光照強(qiáng)度后與所設(shè)置閾值進(jìn)行比較，以便單片機(jī)做出下一步的決策。

3.2.3 聲光報(bào)警軟件設(shè)計(jì)

聲光報(bào)警部分的觸發(fā)條件包括距離過近、光強(qiáng)過低。距離過近的指令由單片機(jī)發(fā)出，即當(dāng)超聲波模塊部分測(cè)得距離不在所設(shè)閾值的范圍內(nèi)時(shí)，單片機(jī)發(fā)出指令使LED發(fā)生頻閃，蜂鳴器發(fā)出滴滴聲，光強(qiáng)過低反映的就是頭部對(duì)光源產(chǎn)生些許遮擋，即頭部過低與書本距離過近，產(chǎn)生效果與距離過近一致。

4 系統(tǒng)調(diào)試與分析

在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，所有的部分都需要協(xié)調(diào)配合才可以完成預(yù)期的效果，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。而這就需要對(duì)每一個(gè)部分都進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試才可以得到保證，不僅僅是硬件的正常，同時(shí)需要軟件對(duì)于硬件的協(xié)調(diào)配合。

4.1 調(diào)試過程

在接收部分制作過程中，應(yīng)對(duì)該部分實(shí)行相應(yīng)的屏蔽措施，以防止電磁干擾，并在前面加入一個(gè)紅色的塑料片以防止可見光的干擾，在發(fā)射部分與接收部分組裝過程中要注意兩者之間的距離，保持7—8 cm最佳。

監(jiān)測(cè)部分包括紅外和測(cè)光兩部分，在使用所設(shè)計(jì)超聲波模塊進(jìn)行測(cè)距測(cè)試時(shí)，由于需要將距離顯示出來，所以借助了LCD1602作為輔助，經(jīng)過調(diào)試后超聲波部分測(cè)距的誤差在允許范圍內(nèi)，該部分設(shè)計(jì)在軟件的配合下正常工作；測(cè)光部分的調(diào)試相對(duì)于超聲波部分比較簡(jiǎn)單，通過改變光源與測(cè)光部分的距離來觀察即可。由于測(cè)光部分的輸出為模擬電壓，不可直接觀測(cè)到，故借助LED來進(jìn)行調(diào)試，當(dāng)光源離測(cè)光部分較遠(yuǎn)或光源有些許遮擋的時(shí)候，LED的亮度變暗，反之變亮，故該部分可以正常工作。

4.2 調(diào)試結(jié)果

將實(shí)物平放于桌子上，以正常坐姿進(jìn)行書寫，將頭緩緩低下，聲音報(bào)警器率先響起，繼續(xù)將頭低下，測(cè)光報(bào)警器接著亮起閃爍提醒。當(dāng)使用者頭部過低導(dǎo)致身體遮住光線時(shí)，提醒器開始報(bào)警。滿足該設(shè)計(jì)的基本要求。

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)通過MCU作為主控制單元，多種芯片組合成處理電路，并采用MCU定時(shí)功能，基于MCU匯編語(yǔ)言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，通過測(cè)試，設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)，完成設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)然，這種設(shè)計(jì)不夠準(zhǔn)確。它只是控制青少年的頭部不低下，通過發(fā)出聲音加以提醒，但沒有設(shè)計(jì)特定的范圍和頭部的角度，需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。