《基于单片机的坐姿护眼系统设计》-工学论文，科技论文-论文范文参考-科学狗论文网

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基于单片机的坐姿护眼系统设计

范文

杨静谷翠梅苏晨旭杨益张薇

摘要：通过了解近视现状，本文设计了一种正姿护眼一体化产品。本设计通过超声波传感器检测人与桌面之间的距离，并结合Arduino单片机对灯光等相关学习环境的反馈，将信号传输至装有芯片的座椅上，报警器发出嗡鸣，提示使用者调整坐姿和用眼距离，保证用眼健康，以预防并减少近视和脊柱病发生。该产品将护眼正姿系统和桌椅结合，与类似护眼产品相比，价格适中，功能较多，性价比高，可以实现多元化应用。

关键词：中小学生;学习姿势;预防近视;正姿护眼一体化

中图分类号：TP368.1;TS956.2 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2020）04-0063-03

Abstract： By understanding the current situation of myopia， this paper had designed an integrated product of ortho and eye protection. This design uses an ultrasonic sensor to detect the distance between the person and the desktop， and combines the Arduino microcontroller's feedback on related learning environments such as lights to transmit the signal to the seat equipped with the chip. The alarm buzzes， prompting the user to adjust the sitting position and distance to ensure eye health， to prevent and reduce the occurrence of myopia and spinal disease. This product combines an eye protection system and a table and chair， compared with similar eye protection products， it has a moderate price， more functions， and a high cost performance， which can realize diversified applications.

Keywords： elementary and middle school students;learning postures;prevention of myopia;positive posture and eye protection integration

2016年1月1日，我國开始全面实施二胎政策，呵护新生儿健康成长的相关行业蓬勃发展。当前，企业要合理利用互联网优势，提高产品质量和生产效率。我国青少年近视人群不断扩大，据不完全统计，其占青少年总人数的90%。近视具有遗传性、可塑性、不可逆转性等，人们要高度关注视力和所有可能影响孩子视力的问题。企业要将互联网功能和护眼相结合，深入开展课题研究，研发正姿护眼一体化产品。

1 正姿护眼一体化产品研发的初衷

当前，学生学习会消耗很长时间，其间会存在驼背、低头、坐姿不正、眼睛距离桌子和纸张越来越近等问题，眼睛使用频率高，容易造成眼疲劳。长此以往，学生会出现驼背、脊柱不正、颈椎病等疾病。现在，家长和社会对青少年视力保护的关注仍较少。学习时间长和家长监督不到位是青少年出现近视的重要原因。基于此，本文结合互联网的优势，设计出一种正姿护眼一体化产品——一体化学习桌椅。本设计利用护眼灯光技术，能够实现网络控制，自动识别坐姿是否正确，并对学生加以提醒和强制更正，以免正处于成长期的青少年出现骨骼压迫、脊椎侧弯、腰椎劳损等严重疾病[1-3]。

2 对比分析

普通桌椅价格便宜，但是无法调整高度，不适宜长久学习，如果长久使用，学生会养成不良的学习姿势，影响身体发展。市场上，虽然部分学习桌椅能够满足学习条件，但是价格昂贵，只适用于富裕家庭，并且较为脆弱，性价比低，桌面为斜面，不适合放易碎易滑物品。本文研发的正姿护眼一体化学习桌椅，价格适中，功能多，性价比高，可以实现多元化应用。

3 产品设计

3.1 原理及流程图

本产品采用蓝牙与手机连接，坐姿护眼系统正常工作时，如果有使用者坐到桌面前，超声波传感器会发射一组高频声波（一般为40～45 kHz），检测人与桌面之间的距离。当声波遇到物体后，就会被反弹，之后，超声波传感器将生成的距离信息发送至Arduino单片机。Arduino单片机通过用于传送位置数据的无线通信模块的UART_TXD信号发送端将信息发送到座椅上的控制芯片，通过电位的变化，控制芯片上电子的运动，影响半导体的导电性，并利用此过程的控制芯片控制驱动放大模块，对LED灯进行PWM调制，以保护眼睛，并由报警装置主动发出提醒，提示用户坐姿不规范，需要调整距离。专用配套笔上的数字三轴陀螺仪同时测定6个方向的位置、移动轨迹和加速度，使用加速度传感器稳定陀螺仪旋转时的加速度和角度，二者结合后，系统会根据使用者的坐姿生成相应信息并将此信息传给Arduino单片机，Arduino单片机会通过桌面上的液晶显示屏为使用者提供全面的坐姿信息，帮助使用者调整坐姿[4-6]。

简单来说，当使用者使用一体化学习桌椅进行学习时，系统会根据使用者的基本信息，设定健康距离，如果书写姿势不标准或用眼距离不合理，系统会发出嗡鸣，提醒使用者调整坐姿。

这种桌椅靠蓝牙连接，系统控制快速、准确，最后将信息传送给手机，可以清晰地统计分析近期学习时长、学习姿势不规范次数、对身体和视力的影响，并给出解决措施[7-8]。详细操作规程和原理如图1至图4所示。

3.2 设备信息

3.2.1 Arduino单片机。Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他装置来反馈、影响环境。

3.2.2 超声波传感器。超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器，本产品用于超声波测距和传递数据。

3.2.3 无线通信模块和无线数据收发模块。二者均包括UART_TXD信号发送端和UART_RXD信号接收端。

3.2.4 三轴陀螺仪。它可以同时测定6个方向的位置、移动轨迹和加速度。单轴陀螺仪只能测量两个方向的量，即一个系统需要三个陀螺仪，而1个三轴陀螺仪就能替代3个单轴陀螺仪。3轴陀螺仪具有体积小、重量轻、结构简单、可靠性好等优势，是激光陀螺的发展趋势。

3.2.5 加速度传感器。它是一种能够测量加速度的传感器，通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等组成。在加速过程中，传感器通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值，本产品通过测量用户头部角速度来确定用户坐姿。

3.3 设备部署

本设计是一种坐姿矫正与护眼一体化装置，包括桌子、座椅和专用配套笔。桌子上安装有液晶显示屏、Arduino单片机、LED灯、超声波传感器和无线通信模块。所述液晶显示屏安装在桌子上表面，Arduino单片机安装在桌腿上，无线通信模块和超声波传感器分别安装于桌子前侧边。

超声波传感器、LED灯和液晶显示屏的信号端分别与Arduino单片机的信号端相连，Arduino单片机的信号端还与无线通信模块的信号端相连。座椅上安装有电源、控制芯片、无线数据收发模块和报警装置，无线数据收发模块的信号端与控制芯片的信号端相连，控制芯片还与报警装置相连。专用配套笔上安装有用于检测坐姿的数字三轴陀螺仪和加速度传感器，数字三轴陀螺仪和加速度传感器通过无线网络分别与控制芯片相连。报警装置采用蜂鸣器。

4 结论

本產品将坐姿矫正与护眼系统安装于桌椅及配套专用笔上，提高功能性，性价比高。该产品利用互联网技术，安装有传感器、芯片、蓝牙、报警器等，智能控制学习姿势和用眼距离，减少不必要的人工提醒时间，保证姿势正确和脊柱健康，科学用眼。本设计简单易行，实用性强。

参考文献：

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[2]梁计锋，刘瑞妮，尤国强.智能护眼台灯电路的设计[J].电子设计工程，2015（20）：155-157.

[3]任林.带蓝牙4.0智能坐姿提醒护眼灯的设计[C]//《IT时代周刊》论文专版（第315期）.2015.

[4]陈雪璐，徐俊杰，周佩，等.智能开关护眼台灯的设计[J].时代农机，2017（4）：85.

[5]薛兆瑞.基于单片机的智能护眼灯的设计[J].电子世界，2014（24）：207-208.

[6]杨立生，殷浩，陈曦.基于MSP430单片机的智能护眼灯设计[J].科技与创新，2014（1）：19-20.

[7]华栋栋，别梦雨，贾贝迪，等.泰安市1 500名初中学生近视及影响因素调查[J].中国校医，2018（12）：907-908.

[8]张峻菲.运城市中学生近视现状调查、影响因素及应对策略分析[J].健康之路，2018（11）：346-347.

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