智能傳感器下的防近視眼鏡設計

車夢強 袁偉辰 陳昆利 張佳慧

摘要：在日常生活中，導致人們近視最主要的原因為錯誤用眼和長期近距離用眼等行為。這些錯誤的用眼方式在生活中很常見。文章設計的這款基于傳感器的智能防近視眼鏡能有效緩解因不良用眼習慣而導致的近視度數(shù)的增加，預防近視。該裝置以使用者佩戴的普通眼鏡為載體，眼鏡框中內置智能傳感器、微型振子、LED發(fā)光二極管、電路檢測模塊等相關元器件。當與學習設備距離過近或處于較暗環(huán)境下時，設備會發(fā)出報警以提醒使用者。

關鍵詞：防近視；傳感器；單片機；智能控制

中圖分類號：TP212.6 ?文獻標志碼：A

0 引言

現(xiàn)今，眼睛近視的人很多，大部分原因是在生活和學習中沒有保持良好的用眼習慣，如做作業(yè)低頭沒有保持適當?shù)木嚯x、在黑夜里玩手機等。許多人認為孩子近視與長時間看電子屏有很大的關系，如電視、電腦、手機、iPad等，尤其是在疫情期間學生們普遍進行線上上課，使用電子產品的時間和次數(shù)增加，加上缺乏戶外運動、學習壓力大等因素，導致視力不良等現(xiàn)象多發(fā)。本文設計的智能防近視眼鏡產品可以有效預防近視度數(shù)的增加。

1 設計思路

本設計是在近視眼鏡框中內置智能傳感器等器件。智能傳感器分為距離傳感器和光度傳感器，距離傳感器可以有效感知在使用者面前有限距離內出現(xiàn)的物體，再做出反應使微型振子和LED燈進行動作。本設計首先經過電路中的傳感器部件感知使用者的用眼姿勢。在使用者讀書姿勢或者寫字姿勢不正確（<25 cm）時，將傳感器采集到的模擬量轉化為電信信號后，再通過單片機進行控制提醒元器件發(fā)出閃光燈和振動，這樣可以提醒使用者保持正確的學習用眼姿勢，防止近視進一步加深，提高預防效果。其次，光度傳感器不僅可以感知使用者在使用狀態(tài)時面前光亮度的變化以及時長，還可以檢測用戶是否長時間使用手機或者處于黑暗中看手機，這種情況設備也會發(fā)出相應報警。

在國家節(jié)能環(huán)保發(fā)展的理念下，本產品能有效控制防近視眼鏡系統(tǒng)的使用功耗，使用電容觸控傳感器來進行系統(tǒng)的開關，更方便用戶的使用以及系統(tǒng)功耗的降低，是符合當代社會節(jié)能環(huán)保發(fā)展理念的一款產品。

2 系統(tǒng)結構功能設計

傳感器下的智能防近視眼鏡主要是通過搭建基本電路以及在電路上安裝各種傳感器來進行數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)通過51單片機控制設備來實現(xiàn)各項功能，通過裝置在眼鏡框上的各種傳感器來采集使用者在工作、學習生活中環(huán)境、姿勢情況，如距離的遠近、光度的亮暗等，以及在這種環(huán)境下持續(xù)的時間長短。這款基于傳感器的智能防近視眼鏡能有效緩解不良用眼習慣，起到預防近視的作用。該裝置主要以使用者佩戴的普通眼鏡為載體，在眼鏡框內部安裝電路元件，眼鏡框中內置有智能傳感器（距離傳感器、光度傳感器、電容傳感器）、微型振子、LED發(fā)光二極管、電路檢測模塊等相關元器件。智能傳感器下的防近視眼鏡，如圖1所示。

2.1 機械設計

2.1.1 距離傳感器

本設計主要是在近視眼鏡框中內置智能傳感器，這種距離傳感器可以有效感知在有限距離內出現(xiàn)的物體并發(fā)出信號，通過傳感器感知用戶的閱讀寫字姿勢。本設計距離傳感器主要使用SHARP GP2Y0A41SKOF紅外測距傳感器，通過傳感器向外發(fā)出的短光脈沖，通過測量脈沖發(fā)出到碰到阻擋物并反射回來所需要的時間進行測距。距離傳感器有信號發(fā)射器與信號接收器兩個部件。信號發(fā)射管發(fā)射出設定的固定頻率的紅外信號；信號接收管用來接收紅外信號。當發(fā)射出的紅外光遇到阻擋物時，信號反射回來被接收管接收。經過基本電路處理后，可得知距離是否小于設定值。在使用者學習用眼姿勢不正確（<25 cm）時，發(fā)出閃光燈和振動以提醒使用者要保持正確的閱讀寫字姿勢［1］。

2.1.2 光度傳感器

光度傳感器是一種通過光線對物體進行檢測的傳感器，擁有反應速度快、可靠性高、體積小、重量輕的優(yōu)良特點。對電路檢測模塊進行控制時，光度傳感器會將外界的光亮強弱變化通過傳感器變成電信號。光度傳感器主要由發(fā)送、接收、檢測3部分組成。傳感器內部有發(fā)光部分及受光部分。在使用者長時間處于黑暗狀態(tài)時，受光器件接收光亮較少，光電速度降低從而發(fā)出信號。在傳感器外界光度較暗時，光度傳感器內部的電阻值會變大，光度傳感器和可調電阻器的分壓較高，此時控制電路會發(fā)出震動和燈閃報警，如圖2所示。本設計主要采用數(shù)字式環(huán)境光傳感器BH1750，具備以下特征：（1）傳感器元件功耗低，可以兩個I2C地址同時工作，經過ADDR引腳進行選擇。（2）對外界環(huán)境變化測量精確度高，傳感器能不受外界錯誤的光亮變化影響。（3）傳感器具有I2C數(shù)字性的接口，數(shù)據(jù)傳輸最大速率能夠達到400 Kbps。

2.1.3 電容觸控傳感器

本產品對整個系統(tǒng)的功耗進行了有效的控制，利用電容觸控傳感器來進行系統(tǒng)的開關設計。本設計主要使用FDC1004DGSR電容觸控傳感器，觸控傳感器相當于一個張弛振蕩器，內部一直在充電和放電的工作流程。在使用中，使用者通過手指進行開關的觸碰，就會增加電容器內部的介電常數(shù)，這樣充電和放電的頻率會進行相應的減少，工作周期就比正常情況下長。傳感器基于電容性耦合可以檢測出是導電的物質進行觸控，在系統(tǒng)設計中把人手當作電荷導體，以便用戶的使用以及系統(tǒng)功耗的利用。本設計是符合當代社會節(jié)能環(huán)保發(fā)展理念的一款新產品。

2.1.4 微型振子與LED燈模塊

（1）微型振子。本設計使用的微型振子在結構上與應用在手機或手表上的直流有刷電機結構一樣。當單片機程序發(fā)出指令后，電機開始轉動。在電機馬達轉動的同時，由于安裝馬達上的偏心輪不在中心點上，導致馬達不能平穩(wěn)轉動并開始晃動。因此，馬達會發(fā)出振動以提醒使用者目前姿勢或行為是錯誤的，需要立即改正。同時，微型振子具有尺寸小、低功耗、重量輕、可靠性強等特點，被廣泛應用。

（2）LED燈。在電路外部安裝LED閃爍燈通過燈的閃爍來提醒使用者。LED燈實際是一種發(fā)光二極管，它能夠將電能轉化為光能。在LED燈閃爍時，發(fā)出的光源里沒有紅外線，可減少對人體的傷害。LED燈的使用壽命較長，因為其優(yōu)越的特性可以減少對電能的使用，提高功耗利用率，符合本設計節(jié)能環(huán)保、降低功耗的設計要求。通過單片機程序對LED燈的閃爍進行控制，以及時提醒使用者。

2.2 電路檢測模塊

本設計電路檢測模塊流程如圖3所示，模塊主要采用STC89C51單片機，由中央處理器、存儲器、I/O接口3部分組成，其中單片機CPU包括控制器和運算器兩部分。該單片機有8位處理芯片、通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，具有低功耗、功能性高、速度快的特點。通過單片機的內部程序能對電路元件和電路進行整體控制［2］。

系統(tǒng)特點：（1）單片機在3.8～5.5 V的電壓下工作。（2）單片機時鐘在0～35 MHz的頻率下工作。（3）本系統(tǒng)集成了豐富的外設，擁有512個字節(jié)的RAM通用異步串行口。

3 軟件設計開發(fā)

本文設計的智能傳感器防近視眼鏡有較多復雜的裝置模塊。系統(tǒng)內部裝置主要包含有紅外測距類型的距離傳感器、光度傳感器和控制開關的電容傳感器；外部提醒模塊有LED燈和微型振子。每一個元器件都有不同的使用方法，在單片機內燒錄編寫的程序，根據(jù)相應傳感器采集的信號轉化成的電信號的不同來對電路中的LED燈閃爍以及微型振子的振動進行相應的控制。傳感器下的智能防近視眼鏡設計主要是通過電路控制來分析使用者的外界環(huán)境，從而使單片機控制單元做出反應。

4 產品發(fā)展趨勢及延伸

傳感器下的智能防近視眼鏡應用前景非常廣泛。目前，我國近視人數(shù)逐年增加，尤其是在青少年群體中，2020年我國兒童青少年總體近視率為52.7%，學生視力問題日益嚴峻。越來越多的人開始日益關注近視帶來的危害，在現(xiàn)代社會中智能眼鏡行業(yè)有著較為廣闊的應用前景［3］。

本設計產品的智能傳感器理念同樣可推廣至智能交通紅綠燈、車輛停放、智能開關門等方面。智能交通紅綠燈可根據(jù)路口排隊的車輛多少，利用后臺云計算實時適當調整紅綠燈秒數(shù)，提高道路的通行效率。智能車輛停放是在停車場中每一個車位下安裝傳感器。當有車輛停在上面時，發(fā)出信號使系統(tǒng)顯示已占用，車輛可直接開往沒有觸發(fā)信號即沒有占用的車位停車。智能開關門則是在門口的上方或側方安裝感應傳感器。當有人或物體出現(xiàn)在門口時，感應器感應到存在后觸發(fā)設備電路進行工作，此時大門將自動打開，待無人后，通過時間設定，在設定時間過后大門自動關閉。

5 結語

智能傳感器下的防近視眼鏡主要通過單片機電路模塊對外置的距離傳感器、光度傳感器轉化的電信號進行分析，再依靠單片機內部設定程序對LED燈以及外部微型振子進行控制。當用戶在學習生活中用眼不當時，眼鏡會對用戶發(fā)出相應的信號，培養(yǎng)人們正確使用眼鏡的行為習慣，從而有效控制用戶的眼睛度數(shù)。智能傳感器下的防近視眼鏡不僅能幫助使用者糾正錯誤的姿勢與行為，還會在未來的社會生活中得到廣闊的運用。智能傳感器下的防近視眼鏡技術在未來大有可為，相信未來會有更多優(yōu)秀的科技產品用來改變人們的生活方式。

參考文獻

［1］姚殿梅，周彬.紅外線在道路測試中的應用［J］.交通科技與經濟，2013（3）：45-48.

［2］王鋒.基于STC89C51RC單片機的電子秤設計［J］.電子世界，2016（6）：70.

［3］劉雨佳，瞿小妹.人工智能在近視防控中的初步應用［J］.中國眼耳鼻喉科雜志，2022（5）：525-528.

（編輯 姚 鑫）

Anti-myopia glasses design under intelligent sensor

Che? Mengqiang， Yuan? Weichen， Chen? Kunli， Zhang? Jiahui

（Anhui Sanlian University， Hefei 230000， China）

Abstract： In daily life， the most important reasons for myopia are the wrong use of eyes， long-term close use of eyes， and excessive use of electronic products. This sensor-based intelligent anti-myopia eyes designed is based on this， which can effectively alleviate the increase of myopia caused by bad eye habits， and prevent myopia. The device is made of ordinary glasses worn by the user as the carrier. The glasses frame is equipped with intelligent sensor， micro oscillator， LED light-emitting diode， circuit detection module and other related components. When the student is too close to the learning device or in a dark environment， the device sends an alarm to alert the user.

Key words： anti-myopia; sensor; single-chip computer; intelligent control