淺談針對(duì)坐姿感應(yīng)的視力保護(hù)臺(tái)燈設(shè)計(jì)

摘要：本文采取文獻(xiàn)法、綜合分析法等方法，首先從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理念著手，探索了本文研究的理論基礎(chǔ)，進(jìn)而通過(guò)分析學(xué)生視力下降的主要誘因——坐姿不當(dāng)，來(lái)設(shè)計(jì)一款針對(duì)坐姿感應(yīng)的視力保護(hù)臺(tái)燈，并提出了主要的設(shè)計(jì)方案，僅供參考。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品設(shè)計(jì);坐姿感應(yīng);視力保護(hù);臺(tái)燈

中國(guó)近視患者很多，其中學(xué)生近視的尤其多，視力下降給學(xué)生日常生活以及學(xué)習(xí)都帶來(lái)了極大的不便。臺(tái)燈是學(xué)生桌前比較重要的一個(gè)照明工具，長(zhǎng)時(shí)間在臺(tái)燈下學(xué)習(xí)，必然會(huì)導(dǎo)致視力下降，同時(shí)如果學(xué)生在臺(tái)燈下睡著了，若燈一直開著也是對(duì)能源的浪費(fèi)，因此研究設(shè)計(jì)一種能夠保護(hù)視力的臺(tái)燈具有實(shí)際意義。

1 理論基礎(chǔ)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須要根據(jù)需求分析來(lái)確定用戶的使用需求，基于需求來(lái)明確產(chǎn)品的功能和特性，創(chuàng)造出概念性的設(shè)計(jì)方案后，需要人機(jī)交互專家或者實(shí)際用戶來(lái)對(duì)方案進(jìn)行評(píng)估，提出有效的反饋，方便改進(jìn)設(shè)計(jì)，這種產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法即交互設(shè)計(jì)。交互設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)人造系統(tǒng)行為的一個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，它定義多個(gè)互動(dòng)的個(gè)體之間交流的內(nèi)容與結(jié)構(gòu)，使互動(dòng)個(gè)體可以相互配合并達(dá)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(chǎn)品最終要面對(duì)的人群，用戶對(duì)產(chǎn)品的使用體驗(yàn)好不好直接關(guān)系到產(chǎn)品是否能夠留住用戶。這里涉及用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)的理念。用戶體驗(yàn)是用戶在使用產(chǎn)品過(guò)程中所感受到的以及所獲得的全部?jī)?nèi)容的體驗(yàn)綜合，它并不表現(xiàn)為產(chǎn)品是如何工作的，而是表現(xiàn)為產(chǎn)品如何與外界的用戶發(fā)生聯(lián)系并產(chǎn)生作用。

臺(tái)燈這種產(chǎn)品作為學(xué)生必備的一件照明工具，如果具備保護(hù)視力的功能那顯然會(huì)使學(xué)生的使用體驗(yàn)更好。國(guó)內(nèi)外實(shí)際上對(duì)預(yù)防近視的多功能臺(tái)燈都進(jìn)行了研究，比如一種利用人的移動(dòng)信號(hào)和光信號(hào)來(lái)代替開關(guān)的智能臺(tái)燈，這種臺(tái)燈電路相對(duì)簡(jiǎn)單，靈敏度比較低，對(duì)預(yù)防近視的效果不好。還有一些主打預(yù)防近視的臺(tái)燈，比如利用直流驅(qū)動(dòng)的led燈，這種燈沒(méi)有頻閃，加上疲勞調(diào)節(jié)電路與定時(shí)點(diǎn)燈電路，解決了頻閃和電磁輻射，這是利用調(diào)整用眼環(huán)境的方式來(lái)保護(hù)視力，但是還達(dá)不到理想狀態(tài)。實(shí)際上學(xué)生視力下降，大部分時(shí)候都是因?yàn)閷W(xué)生坐姿不對(duì)而引起的，錯(cuò)誤的坐姿會(huì)導(dǎo)致眼部光線不足，長(zhǎng)時(shí)間近距離看書會(huì)造成用眼過(guò)度而引發(fā)視力下降。因此基于交互設(shè)計(jì)和用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)，考慮設(shè)計(jì)一種基于坐姿感應(yīng)的視力保護(hù)臺(tái)燈。

2 一種針對(duì)坐姿感應(yīng)的視力保護(hù)臺(tái)燈設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

考慮坐姿不當(dāng)引起視力下降，因此在臺(tái)燈設(shè)計(jì)中考慮在LED燈的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前智能控制技術(shù)，設(shè)計(jì)一種針對(duì)坐姿感應(yīng)的視力保護(hù)臺(tái)燈。LED光源穩(wěn)定，基本沒(méi)有頻閃，這方面解決頻閃帶給人眼的光線刺激，利用感應(yīng)裝置有針對(duì)性的感應(yīng)用戶的坐姿，如果坐姿錯(cuò)誤則發(fā)出報(bào)警以及提示。考慮設(shè)計(jì)一個(gè)以單片機(jī)為主控單元的智能臺(tái)燈，單片機(jī)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(hào)，人體處在臺(tái)燈照明范圍內(nèi)且環(huán)境光比較弱的情況下，主控單元發(fā)出指令，臺(tái)燈自動(dòng)開燈，并根據(jù)人體與臺(tái)燈之間的距離調(diào)整燈光亮度。當(dāng)然人體過(guò)分靠近桌面也就意味著坐姿不當(dāng)，臺(tái)燈中內(nèi)置的聲光報(bào)警器發(fā)出警報(bào)，并發(fā)出正確坐姿提示（當(dāng)然該功能可不設(shè)置），當(dāng)人體未遠(yuǎn)離桌面，燈光變暗，若一定時(shí)間內(nèi)未遠(yuǎn)離則認(rèn)為人趴在桌子上睡著了，臺(tái)燈自動(dòng)關(guān)燈。

2.2 硬件方案

根據(jù)上述思路，將臺(tái)燈設(shè)計(jì)劃分為兩個(gè)部分，其中一部分為控制部分，另一部分為信號(hào)檢測(cè)部分。其中信號(hào)檢測(cè)部分以感應(yīng)模塊，坐姿矯正模塊，按鍵電路，溫度檢測(cè)電路為主。控制模塊為單片機(jī)、顯示電路、報(bào)警電路以及繼電器電路。

參照設(shè)計(jì)思路，本設(shè)計(jì)是一個(gè)光電一體的綜合設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)中主要依靠檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及電子技術(shù)，由此來(lái)構(gòu)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(hào)檢測(cè)、光強(qiáng)信號(hào)檢測(cè)、溫度檢測(cè)裝置為主。智能控制部分，要結(jié)合傳感器，將傳感器變化輸出的信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，單片機(jī)作為主控，控制繼電器、顯示屏、報(bào)警器。

主控選用單片機(jī)，考慮經(jīng)濟(jì)性，選擇AT89C51芯片，該芯片是帶4K字節(jié)flash存儲(chǔ)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(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。當(dāng)然如果考慮高性能可以選擇STM32微控制器，STM32是屬于ARM內(nèi)核的一個(gè)版本，是32位閃存微控制器相比51系列單片機(jī)要高級(jí)一些可外接usb，接口更簡(jiǎn)單，且自身帶有很多功能，處理速度快，具備較強(qiáng)的音頻性能，集成度很高。僅就考慮坐姿矯正來(lái)說(shuō)，AT89C51的性能足夠使用了。

核心的坐姿感應(yīng)及矯正模塊，利用熱釋電紅外傳感器、信號(hào)處理電路、BISS0001芯片、延時(shí)電路以及靈敏度調(diào)節(jié)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。熱釋電紅外傳感器的主要功能是感應(yīng)判斷人體與桌面之間的距離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)坐姿的感應(yīng)。因?yàn)闊後岆娂t外傳感器所能夠采集到的信號(hào)比較微弱，感應(yīng)范圍也小，因?yàn)橐ＷC自動(dòng)控制，對(duì)該傳感器的性能要求較高，因此考慮在其正面加一個(gè)菲涅爾透鏡，增強(qiáng)其信號(hào)采集范圍以及信號(hào)強(qiáng)度。BISS0001芯片是一款性能較好的被動(dòng)式熱釋電紅外傳感信號(hào)處理器，很多人體感應(yīng)電路中都用到了該芯片。實(shí)際上一個(gè)人體感應(yīng)電路模塊是很好配置的，難度在于如何增強(qiáng)傳感器的信號(hào)和范圍，當(dāng)然淘寶上就有傳感器+菲涅爾透鏡+BISS0001的人體感應(yīng)模塊出售。該模塊的工作原理是，當(dāng)人在使用臺(tái)燈過(guò)程中，如果坐姿不當(dāng)，傳感器檢測(cè)到信號(hào)后，芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，并通過(guò)一反相器傳送給單片機(jī)端口，由單片機(jī)通過(guò)報(bào)警電路控制報(bào)警器報(bào)警。報(bào)警的作用就是提示臺(tái)燈使用人坐姿不正確。

光檢測(cè)電路以光敏電阻和可調(diào)節(jié)電阻構(gòu)成，其中光敏電阻是核心元件，這種電阻通常用來(lái)測(cè)量光強(qiáng)以及光的控制和光電轉(zhuǎn)換。自適應(yīng)調(diào)節(jié)燈光模塊的主要電路就是光檢測(cè)電路。當(dāng)光敏電阻受到光的照射，光敏層內(nèi)激發(fā)電子空穴對(duì)，參與導(dǎo)電。光敏電阻主要用來(lái)感知光亮程度，如果光線強(qiáng)則電阻降低，分得的電流小無(wú)法觸發(fā)BISS0001芯片，無(wú)信號(hào)輸出，當(dāng)光線弱的時(shí)候，阻值大，分得電壓大進(jìn)而觸發(fā)芯片發(fā)出信號(hào)。

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

以熱釋電紅外傳感器+BISS0001芯片構(gòu)成的人體感應(yīng)體系，檢測(cè)的精度與溫度有很大的關(guān)系，因此，設(shè)置一個(gè)溫度檢測(cè)電路，選用DS18B20芯片，該芯片可測(cè)試零下55℃至125℃范圍內(nèi)的溫度，主要作用是測(cè)試室內(nèi)溫度，并將測(cè)試結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給單片機(jī)處理后，轉(zhuǎn)化為液晶屏的顯示數(shù)據(jù)。

2.3 軟件方案

軟件方面主要是單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)，單片機(jī)要發(fā)揮作用，必須要調(diào)用相關(guān)的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)各種控制功能，AT89C51是一款入門級(jí)別的單片機(jī)，在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)當(dāng)中是必學(xué)的一個(gè)。程序設(shè)計(jì)上一般可采用C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，此處不做詳細(xì)討論，只給出一個(gè)程序流程做參考，程序開始后，先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，傳感器啟動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，若檢測(cè)到有人那么運(yùn)行開燈，若無(wú)人則關(guān)燈或不開啟燈，進(jìn)一步讀取室內(nèi)溫度值，在顯示屏上顯示，并且聯(lián)網(wǎng)顯示時(shí)間，檢查是否存在人工定時(shí)，若檢測(cè)到存在人工定時(shí)，運(yùn)行定時(shí)子程序，若定時(shí)時(shí)間到，發(fā)出報(bào)警，延時(shí)最后關(guān)燈，如果在定時(shí)期間存在坐姿不正確則報(bào)警，若無(wú)定時(shí)，但坐姿不正確則報(bào)警，提供延時(shí)，坐姿還是不對(duì)，則關(guān)燈。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文中給出了一款坐姿感應(yīng)的視力保護(hù)臺(tái)燈的設(shè)計(jì)方案，主要突出的是硬件方面的設(shè)計(jì)。該臺(tái)燈以學(xué)生的不良坐姿為引子，考慮人體感應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整人體坐姿來(lái)實(shí)現(xiàn)視力保護(hù)。單片機(jī)的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的控制，可根據(jù)傳感器檢測(cè)到的人體坐姿情況實(shí)時(shí)調(diào)光以及發(fā)出提示，LED穩(wěn)定的光源加上坐姿感應(yīng)有效地提供了一個(gè)合理的光照環(huán)境，視力保護(hù)的效果較為理想。

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作者簡(jiǎn)介：汪霖波（1997—），男，江西上饒人，本科，研究方向：產(chǎn)品設(shè)計(jì)。（單位：南昌工程學(xué)院）