一種兒童近視預(yù)防輔助裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

秦佳鑫，王紅梅

(浙江水利水電學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引言

近年來，我國(guó)兒童和青少年近視率居高不下，尤其在2020年新冠肺炎疫情防控期間，全國(guó)開展大規(guī)模線上教學(xué)，增加了學(xué)生在電子屏幕前的時(shí)間，導(dǎo)致半年期間中小學(xué)生的視力不良發(fā)生率大幅提高。2020 年10月，世界衛(wèi)生組織發(fā)布了第一份《世界視力報(bào)告》，報(bào)告顯示現(xiàn)在全球近視人數(shù)約為26億，19歲以下近視者為3.12 億，尤其是兒童和青少年的近視率還在不斷上升，可見對(duì)于兒童和青少年的近視防治已經(jīng)迫在眉睫。

用眼距離過近、用眼時(shí)間過長(zhǎng)、照明光線過強(qiáng)或過弱、在行車上或走路時(shí)看書、躺著看書和營(yíng)養(yǎng)不良均可引起近視?，F(xiàn)有的預(yù)防近視設(shè)備主要有以下幾大類：一種是可以安裝在書桌或辦公桌上的一個(gè)機(jī)械裝置，限制用戶的用眼距離，并可以輔助限制用戶的坐姿；另一種是利用光強(qiáng)傳感器或測(cè)距傳感器，當(dāng)光線不宜或用眼距離不當(dāng)時(shí)，其報(bào)警提醒，讓用戶及時(shí)調(diào)整室內(nèi)光線或用眼距離；還有一種是借助陀螺儀或壓力傳感器，協(xié)助用戶及時(shí)的糾正坐姿。但是，近年來的研究成果表明，戶外活動(dòng)在降低近視發(fā)生率中發(fā)揮顯著效力，每天保證兩小時(shí)以上戶外活動(dòng)可能是預(yù)防近視的最有利措施。因此，兒童近視預(yù)防輔助裝置不僅要能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)用戶的用眼距離、坐姿、室內(nèi)光線，還要具備戶外光照時(shí)間的記錄等功能，方可真正有效地輔助預(yù)防兒童近視。

1 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的近視預(yù)防輔助裝置，除了可以實(shí)時(shí)檢測(cè)用戶的坐姿、光照強(qiáng)度、信息顯示和報(bào)警功能外，還具備戶外光照時(shí)間統(tǒng)計(jì)和計(jì)步等功能。系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，由按鈕模塊、坐姿檢測(cè)模塊、燈光檢測(cè)模塊、戶外監(jiān)測(cè)模塊、顯示模塊和報(bào)警模塊等組成，系統(tǒng)原理框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框架圖

⑴按鈕模塊：用來選擇使用模式，分為戶外模式和室內(nèi)模式。

⑵坐姿檢測(cè)模塊：用來檢測(cè)使用者的坐姿是否標(biāo)準(zhǔn)。如果不符合要求，報(bào)警提醒使用者及時(shí)調(diào)整。

⑶燈光檢測(cè)模塊：用來檢測(cè)使用環(huán)境的光強(qiáng)等級(jí)，遇到不利于用眼的光強(qiáng)等級(jí)時(shí)，報(bào)警提醒使用者調(diào)高或降低燈光亮度。

⑷戶外監(jiān)測(cè)模塊：除了對(duì)使用者的運(yùn)動(dòng)步數(shù)進(jìn)行計(jì)步，還可統(tǒng)計(jì)戶外自然光照時(shí)間。

顯示模塊和報(bào)警模塊主要配合上述模塊以實(shí)現(xiàn)信息顯示和報(bào)警提醒。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用STC89C52 單片機(jī)作為控制核心，分模塊進(jìn)行了原理圖設(shè)計(jì)，包括按鈕模塊、坐姿檢測(cè)模塊、燈光監(jiān)測(cè)模塊、顯示模塊和報(bào)警模塊等，系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

在本系統(tǒng)中，除了復(fù)位電路中的按鍵以外，還設(shè)置有三個(gè)按鍵：戶外模式按鈕、室內(nèi)模式按鈕、中間模式按鈕（暫停），組成按鍵電路。

坐姿檢測(cè)使用MPU6050陀螺儀傳感器，該傳感器可以檢測(cè)X、Y、Z 三軸的加速度和角加速度，并且該傳感器還集成有溫度傳感器。該傳感器的內(nèi)有16 位A/D轉(zhuǎn)換器，可將測(cè)得的三軸數(shù)據(jù)通過IIC接口發(fā)送給單片機(jī)，做進(jìn)一步的處理。在戶外時(shí)，還可以用來對(duì)用戶的運(yùn)動(dòng)步數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。但是，在仿真軟件Protues的元件庫(kù)中，沒有與之對(duì)應(yīng)的元件，因此該模塊在建模時(shí)，是根據(jù)陀螺儀傳感器的工作特性，自行建模并封裝的。

燈光監(jiān)測(cè)模塊中，使用了兩個(gè)光敏電阻傳感器。該傳感器對(duì)光強(qiáng)的線性響應(yīng)范圍在0-1500勒克斯，方向性強(qiáng)，能夠檢測(cè)固定方向的光源，本系統(tǒng)中用來檢測(cè)用戶所處環(huán)境的光照強(qiáng)度是否符合健康用眼的標(biāo)準(zhǔn)。該模塊將采集到的光照數(shù)據(jù)與健康用眼光照值的上下限進(jìn)行比較，決定是否啟動(dòng)報(bào)警提示。另外，該模塊還可以用來檢測(cè)戶外光照強(qiáng)度，并記錄光照時(shí)間。

顯示模塊中，采用LCD1602 液晶屏，主要用于顯示燈光調(diào)整提示、用戶坐姿傾斜度、陽(yáng)光照射時(shí)間、步數(shù)等信息，方便使用者及時(shí)查閱和作出相應(yīng)的調(diào)整。

3 軟件設(shè)計(jì)

如圖3所示，為系統(tǒng)的主程序流程圖。

圖3 主程序流程圖

系統(tǒng)工作時(shí)，先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后通過按鍵給單片機(jī)發(fā)送高低電平確定運(yùn)行模式，再進(jìn)行不同模式下的信息采集和處理。

MPU6050傳感器一方面用來判斷用戶的坐姿，當(dāng)超過設(shè)置的閾值，則報(bào)警，以提醒用戶需要調(diào)整坐姿，當(dāng)坐姿調(diào)整達(dá)到系統(tǒng)要求，報(bào)警信號(hào)消失。另一方面，在戶外模式時(shí)用來計(jì)步，統(tǒng)計(jì)用戶的運(yùn)動(dòng)量。使用時(shí)，需要實(shí)時(shí)讀取MPU6050 傳感器的數(shù)據(jù)，并做相應(yīng)處理。該傳感器的數(shù)據(jù)傳輸口為IIC 通訊口，所以需要對(duì)總線傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行編譯后，再供系統(tǒng)做進(jìn)一步處理。數(shù)據(jù)采集與處理流程如圖4所示。

圖4 MPU6050傳感器的IIC通訊流程圖

另外，在戶外模式，為了提高系統(tǒng)計(jì)步的準(zhǔn)確性，在算法設(shè)計(jì)時(shí)參考了三軸加速度傳感器的計(jì)步算法。首先，需要對(duì)接收到的陀螺儀數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波處理；然后對(duì)多次采樣得到的陀螺儀三軸加速度的最大值和最小值取平均值，將其作為動(dòng)態(tài)閾值，該值還能用于判斷哪個(gè)軸最為活躍；接著設(shè)置動(dòng)態(tài)精度，在讀取陀螺儀三軸數(shù)據(jù)時(shí)，需要保留一個(gè)舊數(shù)據(jù)、一個(gè)新數(shù)據(jù)以及一個(gè)當(dāng)前數(shù)據(jù)，如果新數(shù)據(jù)與當(dāng)前數(shù)據(jù)的變化值大于動(dòng)態(tài)精度設(shè)定值，那么用當(dāng)前數(shù)據(jù)取代新數(shù)據(jù)；最后進(jìn)行步伐判斷與記錄，即先找到最活躍的軸，再將該軸的舊數(shù)據(jù)和新數(shù)據(jù)與其動(dòng)態(tài)閾值進(jìn)行對(duì)比，若舊數(shù)據(jù)大于動(dòng)態(tài)閾值、新數(shù)據(jù)小于動(dòng)態(tài)閾值，則認(rèn)為走了一步。

4 實(shí)物調(diào)試與結(jié)果分析

本系統(tǒng)軟件采用C 語(yǔ)言編程，在Keil C51 集成開發(fā)環(huán)境下將編寫的程序進(jìn)行編譯、調(diào)試，并生成目標(biāo)文件，同時(shí)，利用EDA 工具軟件Proteus 繪制出電路仿真原理圖，導(dǎo)入Keil生成的.hex文件進(jìn)行仿真調(diào)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)果的可行性。

仿真調(diào)試時(shí)，由于Proteus 庫(kù)文件的限制，自己封裝的坐姿檢測(cè)模塊難以精確地反應(yīng)實(shí)物的工作情況，因此進(jìn)一步進(jìn)行了實(shí)物的制作和調(diào)試。本實(shí)物用到的主要硬件有：STC89C52 單片機(jī)、LCD1602 顯示屏、MPU6050 陀螺儀傳感器、有源蜂鳴器、光敏電阻傳感器。實(shí)物如圖5所示。

圖5 實(shí)物圖

⑴光線監(jiān)測(cè)功能調(diào)試

接通電源，按下啟動(dòng)開關(guān)，系統(tǒng)開始運(yùn)行，開機(jī)畫面顯示“Welcome to use!”。開機(jī)后，按下室內(nèi)模式按鈕，系統(tǒng)檢測(cè)光照強(qiáng)度以及坐姿，屏幕顯示坐姿數(shù)據(jù)。當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)低于健康用眼范圍時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，屏幕上出現(xiàn)“Raise”提示用戶提高環(huán)境的光線強(qiáng)度；當(dāng)環(huán)境的光照強(qiáng)度在健康用眼范圍內(nèi)時(shí)，蜂鳴器停止報(bào)警，屏幕的提示語(yǔ)消失；當(dāng)環(huán)境光照強(qiáng)度高于健康用眼范圍時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，屏幕上出現(xiàn)“Reduce”，提示用戶降低環(huán)境的光線強(qiáng)度。

⑵坐姿監(jiān)測(cè)功能調(diào)試

當(dāng)使用者坐姿傾斜超過設(shè)定閾值85，大約為25°時(shí)，蜂鳴器開始報(bào)警。

⑶戶外光照時(shí)間統(tǒng)計(jì)和計(jì)步功能調(diào)試

當(dāng)按下戶外模式鍵時(shí)，系統(tǒng)開始記錄用戶的運(yùn)動(dòng)步數(shù)以及接受陽(yáng)光照射時(shí)間并顯示。

⑷暫停功能調(diào)試

當(dāng)按下中間按鈕，系統(tǒng)暫停。當(dāng)用戶短時(shí)間內(nèi)不使用該裝置時(shí)，可以使用該按鈕讓裝置停止工作，此時(shí)屏幕顯示“Please protect your eyes!”。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以STC89C52 單片機(jī)為控制核心，借助MPU6050 陀螺儀傳感器、光敏電阻傳感器、LCD1602液晶顯示屏、按鈕模塊等硬件設(shè)計(jì)了兒童近視預(yù)防輔助裝置，并進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)和實(shí)物調(diào)試。結(jié)果表明：該裝置可以實(shí)現(xiàn)用戶坐姿的檢測(cè)與校準(zhǔn)、室內(nèi)外光線的檢測(cè)與提示、戶外自然光照時(shí)間統(tǒng)計(jì)和計(jì)步等功能，這可有效地輔助兒童改善不良的用眼習(xí)慣，可實(shí)現(xiàn)輔助兒童預(yù)防近視的目的。本裝置成本低、實(shí)用性強(qiáng)、易操作。但該裝置若要推廣使用，需進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)和模塊布局，以解決攜帶或穿戴不便等問題。