基于STC12的智能近视防护仪的设计

吴博 郑俣昊 隋宏亮

摘要：近视已经成为困扰当前很多人的一大难题，当今社会中小学生的繁重的学习任务是引起近视的一大重要因素，因此从小养成一种良好的坐姿和阅读写作习惯能有效地避免近视。本系统以STC12C5A60S2单片机为核心控制单元，通过超声波测距技术和红外检测技术检测与使用者之间的距离，光线强度检测技术检测使用者的周围环境光线，以此来判断使用者此时的坐姿和光线环境是否标准规范，报警系统提醒使用者纠正不当的坐姿和寻找合适的学习环境，从自身和外界两个方面纠正青少年不良的学习习惯，从根本上解决近视问题。

关键词：近视；单片机；传感器；PWM

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）12-0203-03

1 引言

世界卫生组织最新研究报告称，目前中国近视患者人数多达6亿，几乎是中国总人口数量的一半。我国高中生和大学生的近视率均已超过七成，并逐年增加，青少年近视率高居世界第一，小学生的近视率也接近40%，青少年近视率排世界第一。近视在我国已成为一个严重的，亟待解决的社会问题。大部分中小学生，由于缺乏自觉意识和自我防护意识，家长和老师不能每时每刻守在身边加以提醒，所以容易养成不良的阅读写字习惯，这种坏习惯一旦养成就很难改掉，日复一日地恶性循环使许多学生过早的戴上眼镜，不仅在生活上很不方便，而且对青少年的身体和心理也有很大伤害。

通过网络对现在市场相关产品的调查，发现大多数产品是通过外力的作用，将身姿强行纠正。例如，支架式坐姿矫正器、背背佳、矫正坐姿椅等等。因此这些产品自身存在着很大的局限性，对身体有很大的负担，会造成呼吸不畅，身体因长时间紧绷得不到放松而僵硬酸痛等等。而且这种被动的身姿矫正还会让人产生厌倦和抵触的心理，一旦停止使用，读书学习的姿势又会变成原来那样，不能让人养成一个良好的阅读写作习惯。

本系统主要是针对长时间阅读学习的中小学学生，以人为本为核心理念，将电子学、物理学、人体工程学相结合的智能电子设备。能够及时提醒读写者，端正坐姿，挺直腰背，主动培养自觉意识，养成良好的读写习惯，提高学习效率，有效防止驼背、脊椎弯曲以及近视等生理疾病，即使在停止使用后，仍然自觉的保持良好的阅读自而坐习惯，从而有效的保护学生的身心健康。

2 系统的硬件设计

系统采用STC12C5A60S2单片机作为核心控制器件，结合超声测距、光线检测、蜂鸣器报警、液晶显示、LED控制等外围电路，可实现使用者坐姿检测、学习光线环境检测、报警、人机交互、环境光线补充等多项功能。供电系统分为两部分，一部分给单片机供电，由开发板自身的micro USB接入；第二部分给LED补光灯供电，使用9V电源，经LM2940降压后接入LED补光灯模块。另外还有两个独立按键分别控制LED灯的开关和超声波报警的距离阈值。系统的总体框架如图1所示。

2.1 超声波距离检测模块的设计

超声波测距模块主要实现对使用者与本装置距离的测量，通过数据比较，再由单片机程序判断使用者的坐姿是否正确，若不正确，则由报警系统报警提醒使用者纠正坐姿。

采用IO口TRIG触发测距，单片机的P1.5给TRIG至少10us的高电平信号，模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回，有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平给单片机的P3.2，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平时间*声速（340m/s））/2。本模块使用方法简单，一个控制口发一个10us以上的高电平，就可以在接收口等待高电平输出。一有输出就可以开定时器计时，当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此时就为此次测距的时间，方可算出距离。超声波测距模块电路图如图2所示。

2.2 光线检测模块的设计

光线是学习环境中一个最重要的影响因素，在光线不足的环境中学习很容易导致近视。光线检测模块主要实现对环境光线强度进行实时监测，判断周围环境是否过暗。

GY-30是一个数字环境光传感器集成电路，光电二极管PD检测到光线强度，产生电流，到达运算放大器AMP将电流转换成电压，再通过模数转换将模拟信号转换成16位数字信号，送入逻辑运算器中计算出光照强度，通过标准的NXP IIC通信接口將数据传入单片机，OSC为内部振荡器，其时钟频率值为320KHZ，内部逻辑时钟。

GY-30光强度传感器直接数字输出，省略了复杂的计算；不区分环境光源种类，有很强的适应性；其分光特性接近于视觉灵敏度，能计算出更适合人眼的光线强度；光照度范围大，可测量0-65535lx范围内的光强。

光线检测模块框图如图3所示。

2.3 LCD显示模块的设计

LCD液晶显示电路，主要由LCD1602液晶显示器组成，能够较好地显示，达到目的要求。主要用于显示每次开机之后提醒警报被触发的次数，可以借此明确知道使用者自身触发警报的次数，根据记录的数据可以知道近段时间自身的状况，能够促使学生有意识的主动改正不良的坐姿习惯。

2.4 报警检测模块

考虑到学生学习环境的多样性，而且是以在学校学习为主。报警系统是由两部分构成，一部分是有声警报：由一个NPN三极管，一个1k电阻和一个蜂鸣器组成，当使用者在家学习时，可以设置为响铃模式，能够有效的提醒使用者。另一部分是振动警报：由一个NPN三极管，一个1k电阻和一个1027振动马达组成，当使用者在学校学习，可以将本装置设置成振动模式，这样既不会影响到其他人学习，同时也可以起到提醒自己的作用。这两种提醒模式适用于各种场合，大大增加了产品的实用性。

2.5 LED补光灯模块的设计

LED补光灯模块由4颗功率1W的LED灯珠并联组成。当光线检测模块检测到用户周围环境过暗时用户可以选择打开LED补光灯，其发光强度是单片机根据当前光线环境计算出的基本最适合的光强。人眼的主观亮度与主光源和外界光强的对比度有关。主管亮度感觉S与光源亮度B的对数成比例，其公式如下：

3 系统的软件设计

近视防护仪系统的设计以Keil u Vison4为编程软件，采用比汇编语言简洁且更加方便移植的C语言作为编程语言。C语言是国际上广泛流行的计算机高级语言，功能强大，使用灵活的过程性编程语言，既可用于编写应用软件，又能用于编写系统软件。它的语言簡洁紧凑，使用方便灵活，具有丰富的运算符、数据结构和结构化的控制语句，能够实现在其他高级语言中难以实现的运算。本产品主要程序都是利用C语言编写，主要有：超声波模块驱动程序、光线检测程序、LCD1602液晶屏驱动程序、报警检测程序、LED控制程序，按键控制程序、延时程序等。

3.1主程序系统流程

先对系统上电，之后运行各个模块的初始化程序，等系统初始化工作完成并能进行稳定工作后，光线传感器模块及超声波测距模块开始测量数据，并且将测量的数据经过A/D转换、放大等操作后再送入单片机中进行分析。在程序中设置了一个5ms定时中断，主要用来进行光线强度检测和超声波距离检测。主程序流程图如图4所示。

软件设计中最重要的部分是中断部分的超声波测距和光线检测，其程序流程图如图5所示。

部分程序清单：

void main（）

{

int m=0；

int temp=0；

int q=0；

//a=0；

TMOD = 0x01；//使用定时器T0进行5ms定时

TH0 = 0x0EC；

TL0 = 0x78；

EA = 1；

ET0 = 1；

TR0 = 1；

delay_nms（200）； //延时200ms

InitLcd（）； //初始化LCD

Init_BH1750（）； //初始化BH1750

while（1） //循环

{

if（m==1）

{

temp++；

}

DisplayOneChar（0，0，'t'）；

DisplayOneChar（1，0，'i'）；

DisplayOneChar（2，0，'m'）；

DisplayOneChar（3，0，'e'）；

DisplayOneChar（4，0，'：'）；

// DisplayOneChar（4，4，k）；

d=z/10； //十位

e=z%10； //个位

xianshi（d，e）；

//BUF[8]=0； // rst1=1；

// delay_nms（1）； /* */

}

}

4 结语

针对当今社会人们普遍关注的青少年近视问题，提出了一种基于STC12C5A60S2单片机的智能近视防护仪设计。结合超声波距离检测，实时测量使用者与装置的距离，判断其坐姿是否正确，同时通过光线检测，判断当前环境是否适合学习。与市场上的各种身姿矫正仪不同，本设计从自身和外界环境两个方面同时着手，既防止由于青少年自身主观原因导致的近视，也防止了由于外界光线等客观因素导致的近视。由试验结果表明，本设计具有集成化和较高的自动化优点，并且实用性强，开发空间大，使用灵活，拥有很大的发展前景。

同时感谢张伟老师和岳耀亮老师的悉心指导，在他们的高标准严要求之下，我得到了很大的收获，他们不仅仅是我的学业导师，更是我的人生导师。

参考文献：

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