学生专利展示

王思博

授权公告号： CN205302590U

摘要：本设计是一种学生防近视提醒仪，适用于中小学生。本设计包括超声波距离传感器、单片机，超声波距离传感器与单片机输入端连接，单片机输出端分别与显示模块和语音模块连接。超声波距离传感器感知身体与桌子间的距离，通过振动或音乐提醒学生调整坐姿，学生使身体与桌子保持正常距离后，振动或音乐即会自动停止，从科学用光的角度避免眼睛疲劳，预防近视、保护视力，并能有效预防驼背。

关键词：防近视；单片机；传感器；语音

1.研究背景

随着用眼时间的增加，青少年近视的发病率越来越高，中学生的近视发病率已达50%以上。由于近视可并发眼底出血、视网膜脱离，并最终导致低视力甚至失明，因此，近视治疗和预防己成为家长、学校及社会关注的大事。由于近视的发生、发展与多种因素有关，且受血眼屏障及毒副作用影响，近视药物治疗几乎无效，所以预防近视最为重要。目前市场上有很多用于纠正中小学生坐姿和预防学生近视的仪器，但都存在各自的不足，如背背佳是依靠硬质材料束缚学生的行为，使佩戴者上身长期保持一个直立的姿式，这样身体会产生疲劳感，很不舒服，故学生并不喜欢佩戴。

本设计的目的是提供一种学生在身体放松的状态下，能够自觉纠正不良坐姿，避免脊椎变形及眼睛近视的学生防近视提醒仪。

2.防近视提醒仪硬件电路设计

本设计包括超声波距离传感器、单片机，超声波距离传感器与单片机输入端连接，单片机输出端分别与显示模块和语音模块连接，如图1所示。单片机、显示模块和语音模块置于仪器结构内，仪器结构设有电池放置槽，上方设有显示灯、电源开关，单片机、显示灯及电源开关分别与电池连接。

本设计利用超声波距离传感器感知身体与桌子间的距离，通过振动或音乐的方式提醒学生迅速调整坐姿，使身体与桌子保持科学距离，调整后振动或音乐即会自动停止，从科学用光的角度避免眼睛疲劳，预防近视、保护视力，并能有效预防驼背。

2.1超声波距离传感器电路设计方案

以超声波作为检测手段，能够产生超声波和接收超声波，具有这种功能的装置就是超声波距离传感器，习惯上称之为超声换能器或超声探头。超声探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用，它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。超声探头的核心是其塑料外套或金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种，晶片的大小如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。

本设计的超声波距离传感器发射电路主要由40KHz脉冲信号产生模块和驱动电路模块两大模块组成。利用555定时器构成多谐振荡器，产生占空比为50%的40KHz的方波信号。当555定时器的4脚为高电平时，555定时器电路产生占空比为50%的方波信号；当4脚为低电平时，555定时器清零，没有输出。超声波接收器接收到物体反射回来的40KHz的超声波信号，将其转换为电信号，输入CX20106A的1脚，CX20106A经过放大、滤波、整形后，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，输出至单片机等控制处理器的外部中断口。

2.2语音模块电路设计方案

ISD2500是ISD系列单片语音录放集成电路的一种。这是一种永久记忆型语音录放电路，录音时间为60秒，可重复录放10万次。该芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，每个采样值可直接存储在片内单个EEPROM单元中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。该器件的采样频率为8KHz，同一系列的产品采样频率越低，录放时间越长，但通频带和音质会有所降低。此外，ISD2500还省去了A/D和D/A转换器。其集成度较高，内部包括前置放大器、内部时钟、定时器、采样时钟、滤波器、自动增益控制、逻辑控制、模拟收发器、解码器和480K字节的EEPROM。ISD2500内部EEPROM存储单元均匀分为600行，有600个地址单元，每个地址单元指向其中一行，每一个地址单元的地址分辨率为100MS。此外，ISD2500还具备微控制器所需的控制接口，通过操纵地址和控制线可完成不同的任务，以实现复杂的信息处理功能，如信息的组合、连接、设定固定的信息段和信息管理等。ISD2500可不分段，也可以最小段长为单位来任意组合分段。

ISD2500的按键单段录放电路非常简单，如图2所示。单段使用时全部地址线接地，录音时置P/R端（S3）为低，按住CE端的片选键（S1）不放开，即开始录音，松开时或芯片录满时自动停止。放音时置P/R端（S3）为高，按一下CE端的片选键（S1），即开始放音，按一下PD端的节电键（S2）或放音结束时自动停止。

本设计采用89S52单片机为主控芯片，初始设定胸口到桌面距离为90mm—120mm，頭部到桌面距离为180mm—240mm，连续静坐不超过2小时，利用超声波距离传感器感知人体与桌面的距离及静坐时间，使用语音芯片进行语音提醒。本设计通过超声波距离传感器采集胸口与桌面的距离或头部与桌面的距离，并对采集信息做数据转换传送给单片机，单片机将信号的距离与初始设定的距离进行比对，当小于设定的最小距离值时，单片机发送报警信号给语音模块，语音模块接收到报警信号，就会产生例如“请注意坐姿”的语音提示，提醒使用者纠正坐姿；当使用者工作或学习时间超过系统设定的静坐时间时，就会产生例如“请注意休息”的语音提示，提示使用者注意休息。同时，本设计还可通过显示模块实时显示自己与桌面之间的距离，方便使用者判断自己与桌面之间的距离是否适当。

本设计结构简单、成本较低、操作方便，适用于各类消费人群，尤其能够及时有效地矫正学生不良坐姿，预防近视，防止脊柱弯曲、含胸驼背。

3.结束语

通过本次学生防近视提醒仪的设计，我更加关注生活中的常见问题及解决方案，在设计过程中虽然遇到了一些困难，但经过一次又一次的思考、一遍又一遍的尝试，还是找出了解决问题的方法。此次设计还使我培养了学习兴趣，坚定了战胜困难的信心，在学习与探究的过程中我还体会到了越学越知道自己的不足的真谛，从而更加端正了我孜孜以求、精益求精的学习态度。总之，实践出真知，亲自动手制作，反复揣摩，是不断提升我们创新与实践能力的有效途径，而小科技、小创作是成就我们全方位成长的载体，我们广大青少年应一如既往地在科技创新这片天地勇于探索、大胆创新，为我们伟大祖国的繁荣昌盛尽绵薄之力，为我们中华民族的伟大复兴增光添彩。