基于坐姿糾正和走神提醒的智能護(hù)眼儀*

戚 磊，姚俊紅

(德州學(xué)院，山東 德州 253000)

大部分中小學(xué)生上課時(shí)，由于坐姿不正確造成眼睛與書本、作業(yè)本距離太近而導(dǎo)致絕大部分學(xué)生都戴上了眼鏡，并且度數(shù)不斷增加，對學(xué)生健康非常不利;上課走神也是大部分學(xué)生都會(huì)遇到的情況，嚴(yán)重影響聽課質(zhì)量。基于此，本文設(shè)計(jì)了這款基于坐姿和走神提醒的智能護(hù)眼儀，來幫助學(xué)生改掉坐姿不正、上課走神的壞習(xí)慣。

1 智能護(hù)眼儀的組成

系統(tǒng)以STM32 單片機(jī)為核心控制模塊，與紅外發(fā)射、紅外接收、信號(hào)集成放大器、震動(dòng)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)坐姿檢測和提醒的功能，從而避免中小學(xué)生彎腰駝背，眼睛與書本距離過近;利用脈搏傳感器和震動(dòng)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)走神判斷和提醒的功能，使學(xué)生回到正常的學(xué)習(xí)狀態(tài)中。

2 智能護(hù)眼儀功能介紹

2.1 坐姿糾正功能

智能護(hù)眼儀是通過紅外測量其與書本的距離(即眼睛與書本的距離)來判斷學(xué)生坐姿的，如果眼睛距離書本過近，說明坐姿不正確，震動(dòng)電機(jī)會(huì)震動(dòng)，提醒學(xué)生糾正坐姿。

2.2 走神提醒功能

智能護(hù)眼儀裝有脈搏傳感器以檢測眨眼時(shí)間間隔，根據(jù)眨眼頻率判斷是否處于走神狀態(tài)，當(dāng)學(xué)生處于走神狀態(tài)時(shí)，振動(dòng)電機(jī)會(huì)震動(dòng)，提醒學(xué)生使其回到正常狀態(tài)。

3 智能護(hù)眼儀原理介紹

3.1 紅外發(fā)射部分原理

紅外測距發(fā)射部分由STM32 單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)1 kHz 的方波，用一個(gè)三極管做開關(guān)驅(qū)動(dòng)，將信號(hào)加載到紅外發(fā)射管上。

3.2 紅外接收部分原理

紅外接收管接收到的信號(hào)只有100 mV 左右，而且還有很多干擾，需要先放大再帶通濾波，單片機(jī)只能接受數(shù)字信號(hào)，所以還需要通過峰值檢波輸出一個(gè)直流電壓。單片機(jī)通過ADC 采集接收到距離信號(hào)，判斷眼睛與書本的距離，并通過一個(gè)NPN 型三極管控制震動(dòng)電機(jī)的震動(dòng)來實(shí)現(xiàn)提醒的功能。

3.2.1 關(guān)于放大電路設(shè)計(jì)

考慮到測量范圍和接收到的信號(hào)大小，選取放大倍數(shù)為30 倍左右，倍數(shù)太大會(huì)出現(xiàn)波形失真，使測量的最短距離變小，倍數(shù)太小信號(hào)強(qiáng)度不夠，則能測量的最遠(yuǎn)距離會(huì)變小，放大倍數(shù)B=R4/R3=30。

3.2.2 關(guān)于有源二階帶通濾波器的設(shè)計(jì)

令C=C3=C4，則req=R5//R6=(R5* R6)/(R5 +R6)品質(zhì)因數(shù)Q 等于中心頻率除以帶寬，即Q=fc/BW=1/2*req/7R。由上邊的公式，取中心頻率f=1 kHz，增益A=5，品質(zhì)因數(shù)Q=8，則令C=C3=C4=104，可以得到電阻值為R5=2.5 k，R6=100，R7=25 k。

以上放大電路以及有源二階帶通濾波器的設(shè)計(jì)采用一個(gè)四路的運(yùn)算放大器LM324 芯片來實(shí)現(xiàn)。

3.2.3 關(guān)于峰值檢波電路的設(shè)計(jì)

電容值越大檢波效果越好，但是放電速度越慢，經(jīng)過測試，選取了20 μF 的電容和100 k 的電阻以及1n4148 構(gòu)成最簡單的峰值檢波電路。

圖1 信號(hào)放大、濾波及檢波電路

3.3 走神提醒的原理

智能護(hù)眼儀利用Pulsesensor 脈搏傳感器精確檢測眨眼帶動(dòng)的肌肉震動(dòng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人在正常情況下每分鐘眨眼20 次左右，而走神時(shí)卻只有4 次左右，眨眼信息被傳到單片機(jī)處理器進(jìn)行處理，單片機(jī)根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)脈搏傳感器傳來的脈沖個(gè)數(shù)判斷使用者的狀態(tài)，當(dāng)檢測到學(xué)生處于走神狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)處理器通過控制振動(dòng)馬達(dá)發(fā)出震動(dòng)，提醒學(xué)生認(rèn)真聽課。

3.4 電源原理

電池為電壓3.7 V，容量150 mAh 的可充電聚合鋰電池，經(jīng)過升壓再穩(wěn)壓的設(shè)計(jì)給裝置供電。采用BL8530-502RN，封裝為SOT-23-5 的5 V 升壓芯片，將電壓升到5 V，之所以選擇BL8530，是因?yàn)樗璧耐獠吭骷浅Ｉ?，符合護(hù)眼儀體積小的概念需要，只需要一個(gè)電感、一個(gè)輸出電容和一個(gè)肖特基二極管就可以提供2.5 V～6.0 V 的穩(wěn)定的低噪聲輸出電壓。需要注意的是圖中電感必須選擇功率電感或者繞線電感，因?yàn)楣β孰姼谢蚶@線電感在升壓模塊的作用是為升壓儲(chǔ)能的，其他電感無法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的作用。眾所周知，穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)相對來說就比較簡單了。采用AMS1117-3.3 V 穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓，然后給護(hù)眼儀供電。

4 智能護(hù)眼儀研究的意義

近年來，青少年中近視率逐年增加，尤其中小學(xué)生眼睛近視發(fā)生年齡漸小，范圍加大，程度加深。有資料顯示，我國青少年近視至盲的人數(shù)已達(dá)30 萬人。所以像護(hù)眼儀模塊之類的輔助工具是非常必要的，來幫助學(xué)生改掉坐姿不正、上課走神的壞習(xí)慣，有效地提高學(xué)生的上課學(xué)習(xí)效率。

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