智能防近视支架

作者：李开朗上海市向明初级中学

一、绪论

1.1研究背景与意义

随着义务教育的普及和家长对于孩子学习的重视，如今青少年的学习所用的时间越来越多，这使得青少年的用眼时间越来越长，随着电子产品的普及以及资料的电子化，人们使用电子产品的时间也越来越多，这使得青少年的近视率越来越高。根据国家卫生健康委员会的统计，2021年中国青少年及儿童的近视率高达53.6%，除了过度用眼外，用眼不当也是导致近视率高的原因之一。

用眼不当包括这几个方面：一是用眼姿势不合理，主要指眼镜离桌面太近；二是用眼环境不合理，主要指光照强度，在过亮或者过暗的环境中用眼都会对眼镜有损伤；三是连续用眼时间过长，在长时间用眼的过程中没有休息，眼睛没有得到放松。虽然在学习上的用眼时间长短已经很难改变，但是可以从用眼习惯的角度入手，改变用眼习惯。随着电子技术及互联网的发展，越来越多的智能化产品出现在我们的生活中并方便我们的日常生活，因此从视力保护的角度，可以设计一款智能化的设备用于保护眼睛。

1.2研究现状

视力保护仪发展的最初阶段并不是电子视力保护仪，而是基于物理结构的视力保护仪，这又被称为防近视坐姿矫正器，通常是一个可以固定在桌上的架子，当人坐在桌前阅读或写作业时，该装置会强制让人的头部与桌面保持一定的距离，由此起到保护视力的作用。该装置也有一定的缺点，有些人在使用时会把下巴倚靠在装置上，若装置的机械结构不稳定会导致装置脱离桌面，这个现象可能会导致使用者受伤，长时间不正确地使用该仪器也会使使用者的颈椎受伤。随着智能化时代的到来，目前国内已经开始研制电子防近视仪，但在国内市场中，机械性质的仪器市场仍起主导作用，智能近视防治仪仍在发展中。

在20世纪八九十年代，日本及欧美等发达国家的经济、科技均处于领先地位，当时这些国家的青少年近视率仍比较高，因此国外发达国家对近视防治的研究领先于中国十至二十年，而且以智能化近视防治仪为主。国外市场目前以电子平衡式视力保护仪以及测距式视力保护仪为主，部分高端仪器可以根据使用者的体型体貌以及近视、散光度数为使用者自动生成推荐阅读时长以及阅读高度，并进行监督提醒。

综上所述，近视防治仪的国内研究落后于国外，且国内市场中的产品存在的缺陷与不足较多，因此有必要设计一款多功能视力保护仪。

二、设计概要

本设计的设计方法与设计结构与传统的嵌入式设计相同，需要根据需求选择合适的主控模块及传感器和其他器件，主控模块是整个系统的核心，传感器数据的读取、相关器件的控制以及相关算法的执行都是通过主控模块完成的。此设计通过电池供电，红外距离传感器检测人的头部与支架的距离，支架的移动通过电机推杆完成，同时该系统具有语音提示功能，该功能通过喇叭实现。系统框架图如下所示：

图1系统框图

三、工作原理

3.1硬件原理

该设计以主控模块为核心，结合相关传感器以及外围电路实现相应的功能。下面对相关的器件选型以及工作原理作介绍。

常用的嵌入式主控模块的位数有8位和32位，32位单片机的性能与资源要比8位单片机强得多，但是它的功耗与开发难度都比32位单片机大，因此要选择合适的单片机。本设计所用的传感器数量不多，且涉及的算法并不复杂，对控制器的算力要求并不高，所以选择8位的主控模块。

常用的8位主控模块有Arduino与STC89C51，STC89C51编程软件为keil，编程语言为C语言，虽然它是三十多年前的产物，但它功耗低、稳定性强，至今在电子产品市场仍占有一席之地，许多小型的电子产品用的是STC89C51。

Arduino是一个开源电子平台，它包括硬件设备与软件平台(Arduino IDE)，硬件设备需在官网购买，软件平台免费开放。 Arduino的价格比ATC89C51稍贵，但是Arduino IDE的界面比STC89C51编程用的keil软件更人性化，虽然Arduino IDE使用的C++比C语言更高级，但它可以直接调用相关的已经封装好的库函数实现相关资源的配置与初始化，STC89C51编程时需要用户自己对其内部的寄存器修改来实现初始化及相关配置。

总的来说，Arduino的开发难度更低，且Arduino官方与非官方都提供丰富的API资源，可以大大提高开发效率。因此本设计选择Arduino nano作为主控模块，该模块如下所示：

图2 Auduino nano模块

本设计通过超声测距模块检测支架离人的头部的距离，目前最常用的超声测距模块为US-016，它的测距范围为2cm-40cm，测量精度可以达到3mm，可以满足日常使用的测距需求，精度及量程也十分适合本设计。

该模块由超声发射器、超声接收器及控制电路组成，通过单片机Range发送触发信号，触发信号为10us以上的高电平，然后该模块的超声发射端发出8个40kHz的方波信号，然后超声接收部分便会自动开始检测是否有超声信号返回，若接收到了超声信号，则通过OUT引脚输出高电平，高电平所持续的时间便是超声波发射并返回所用的时间，单片机可以测出高电平所持续的时间，并结合声速计算出传感器与目标物体的距离。在编写测距程序时，并不需要按照上述的流程自己写程序，可以调用官方提供的库以及库函数直接得出距离值。超声距离传感器如下所示：

图3 超声传感器模块

该设计还有自动控制支架移动的功能，这个功能是通过推杆电机实现的。推杆电机又被称为点推杆，电机推杆的主要驱动装置是电机，通过相应的机械结构将电机的旋转运动转化为推杆的直线运动，电机推杆选用的电机的扭矩比较大，通过相应的传动装置，电机推杆的升降杆会有非常强大的推力输出。

驱动电机推杆主要就是驱动电机推杆内的电机，而主控模块的电源输出部分的带负载能力比较小，没办法给电推杆提供足够的功率，因此仅仅通过单片机的IO口无法驱动电机推杆，因此还需要电机驱动模块。电机驱动模块需要单独的电源额外供电，驱动模块的输入部分与单片机的控制引脚连接，驱动模块的输出引脚与电机推杆连接，驱动模块的输出受主控模块的控制引脚控制，但由于驱动模块外接了电源，它的输出功率足以驱动电机推杆正常工作。电机推杆及电机驱动模块如下所示：

图4 电机推杆

图5 电机驱动模块

此外，该设备是通过电池供电，电池同时给电机驱动模块及主控模块供电，主控模块有5V和3.3V的电源输出，可以给超声距离传感器供电。因为Arduino nano驱动板的额定输入电压为5V，因此还需要电压转换模块将电池的12V的电压转换为5V的电压，另外还需要一个开关，使用者可以通过开关控制装置启动。

另外，该设计还有语音提示功能，因此需要有语音模块及喇叭。语音模块在生活中应用很广泛，例如洗衣机、电冰箱、电子玩具、倒车雷达、超市迎宾器等都会用到语音模块。语音模块的作用就是驱动喇叭发出特定的声音。本设计选择的语音模块的型号是ISD1820，它的工作电压为5-8V，可直接使用主控模块的电压输出，它可以存储10秒的录音，然后通过喇叭将其放出来。具有录音循环播放及单遍播放的功能，可以通过单片机对其进行控制。该模块如下图所示：

图6 语音模块

3.2软件原理

该设计使用的编程软件为Arduino IDE，使用的编程语言为C++，但是与传统的C++程序的结构不同，Arduino IDE中所用的C++的主程序分为setup函数与loop函数，在程序开始运行时，setup函数里的内容只运行一遍，loop函数中的内容循环执行，与传统C++程序中while(1)循环的功能相同。

一般来说，程序初始化的内容只执行一遍，程序初始化包括主控模块相关引脚的配置以及相关传感器的初始化，这通常在setup函数中执行，loop函数中实现要循环执行的功能，在此设计中，超声距离传感器需要进行测距，并且根据距离进行相关的判断与控制，这几个功能是一直需要循环执行的，因此在loop函数中实现。此设计的软件流程图如下图所示：

图7 软件流程图

四、组装与调试

当所有的准备工作都完成之后，我们要对设备进行组装与调试。首先是电源部分的连接，然后是对这些传感器与主控模块进行连接，在连接电源部分时要注意正负极。在连接好后要对它进行测试，在通电后对装置进行观察，若发现有发热、冒烟等不正常现象，需要立即断开电源并进行检查，在确保供电部分没有任何问题之后，要对程序进行检查以及功能验证。我们需要将主控模块与电脑连接，通过上位机查看接收到的相关数据是否正常，在确保无误后要对功能进行测试，若功能没有问题，进行下一步的组装。在组装好后还要进行一次功能测试，以验证机械结构的稳定性。

组装顺序及相关图示如下：

1.将平板支架、垫片和超声波传感器支架安装在底板上；