浅谈针对坐姿感应的视力保护台灯设计

摘要：本文采取文献法、综合分析法等方法，首先从产品设计的理念着手，探索了本文研究的理论基础，进而通过分析学生视力下降的主要诱因——坐姿不当，来设计一款针对坐姿感应的视力保护台灯，并提出了主要的设计方案，仅供参考。

关键词：产品设计;坐姿感应;视力保护;台灯

中国近视患者很多，其中学生近视的尤其多，视力下降给学生日常生活以及学习都带来了极大的不便。台灯是学生桌前比较重要的一个照明工具，长时间在台灯下学习，必然会导致视力下降，同时如果学生在台灯下睡着了，若灯一直开着也是对能源的浪费，因此研究设计一种能够保护视力的台灯具有实际意义。

1 理论基础

产品设计必须要根据需求分析来确定用户的使用需求，基于需求来明确产品的功能和特性，创造出概念性的设计方案后，需要人机交互专家或者实际用户来对方案进行评估，提出有效的反馈，方便改进设计，这种产品设计方法即交互设计。交互设计是设计人造系统行为的一个设计领域，它定义多个互动的个体之间交流的内容与结构，使互动个体可以相互配合并达成某种目的。这样操作的核心原则在于“了解你的用户”，用户是产品最终要面对的人群，用户对产品的使用体验好不好直接关系到产品是否能够留住用户。这里涉及用户体验设计的理念。用户体验是用戶在使用产品过程中所感受到的以及所获得的全部内容的体验综合，它并不表现为产品是如何工作的，而是表现为产品如何与外界的用户发生联系并产生作用。

台灯这种产品作为学生必备的一件照明工具，如果具备保护视力的功能那显然会使学生的使用体验更好。国内外实际上对预防近视的多功能台灯都进行了研究，比如一种利用人的移动信号和光信号来代替开关的智能台灯，这种台灯电路相对简单，灵敏度比较低，对预防近视的效果不好。还有一些主打预防近视的台灯，比如利用直流驱动的led灯，这种灯没有频闪，加上疲劳调节电路与定时点灯电路，解决了频闪和电磁辐射，这是利用调整用眼环境的方式来保护视力，但是还达不到理想状态。实际上学生视力下降，大部分时候都是因为学生坐姿不对而引起的，错误的坐姿会导致眼部光线不足，长时间近距离看书会造成用眼过度而引发视力下降。因此基于交互设计和用户体验设计，考虑设计一种基于坐姿感应的视力保护台灯。

2 一种针对坐姿感应的视力保护台灯设计

2.1 设计思路

考虑坐姿不当引起视力下降，因此在台灯设计中考虑在LED灯的基础上，结合当前智能控制技术，设计一种针对坐姿感应的视力保护台灯。LED光源稳定，基本没有频闪，这方面解决频闪带给人眼的光线刺激，利用感应装置有针对性的感应用户的坐姿，如果坐姿错误则发出报警以及提示。考虑设计一个以单片机为主控单元的智能台灯，单片机配合红外热释电处理芯片组成红外传感控制电路，原理是利用人体的红外辐射作为传感信号，人体处在台灯照明范围内且环境光比较弱的情况下，主控单元发出指令，台灯自动开灯，并根据人体与台灯之间的距离调整灯光亮度。当然人体过分靠近桌面也就意味着坐姿不当，台灯中内置的声光报警器发出警报，并发出正确坐姿提示（当然该功能可不设置），当人体未远离桌面，灯光变暗，若一定时间内未远离则认为人趴在桌子上睡着了，台灯自动关灯。

2.2 硬件方案

根据上述思路，将台灯设计划分为两个部分，其中一部分为控制部分，另一部分为信号检测部分。其中信号检测部分以感应模块，坐姿矫正模块，按键电路，温度检测电路为主。控制模块为单片机、显示电路、报警电路以及继电器电路。

参照设计思路，本设计是一个光电一体的综合设计方案，设计中主要依靠检测技术、自动控制技术以及电子技术，由此来构建硬件体系，方案硬件选择包括传感器部分和控制部分。传感器部分，主要以人体辐射红外信号检测、光强信号检测、温度检测装置为主。智能控制部分，要结合传感器，将传感器变化输出的信号进行逻辑判断，单片机作为主控，控制继电器、显示屏、报警器。

主控选用单片机，考虑经济性，选择AT89C51芯片，该芯片是带4K字节flash存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，它为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。当然如果考虑高性能可以选择STM32微控制器，STM32是属于ARM内核的一个版本，是32位闪存微控制器相比51系列单片机要高级一些可外接usb，接口更简单，且自身带有很多功能，处理速度快，具备较强的音频性能，集成度很高。仅就考虑坐姿矫正来说，AT89C51的性能足够使用了。

核心的坐姿感应及矫正模块，利用热释电红外传感器、信号处理电路、BISS0001芯片、延时电路以及灵敏度调节电路来实现。热释电红外传感器的主要功能是感应判断人体与桌面之间的距离，进而实现对坐姿的感应。因为热释电红外传感器所能够采集到的信号比较微弱，感应范围也小，因为要保证自动控制，对该传感器的性能要求较高，因此考虑在其正面加一个菲涅尔透镜，增强其信号采集范围以及信号强度。BISS0001芯片是一款性能较好的被动式热释电红外传感信号处理器，很多人体感应电路中都用到了该芯片。实际上一个人体感应电路模块是很好配置的，难度在于如何增强传感器的信号和范围，当然淘宝上就有传感器+菲涅尔透镜+BISS0001的人体感应模块出售。该模块的工作原理是，当人在使用台灯过程中，如果坐姿不当，传感器检测到信号后，芯片对信号进行放大，并通过一反相器传送给单片机端口，由单片机通过报警电路控制报警器报警。报警的作用就是提示台灯使用人坐姿不正确。

光检测电路以光敏电阻和可调节电阻构成，其中光敏电阻是核心元件，这种电阻通常用来测量光强以及光的控制和光电转换。自适应调节灯光模块的主要电路就是光检测电路。当光敏电阻受到光的照射，光敏层内激发电子空穴对，参与导电。光敏电阻主要用来感知光亮程度，如果光线强则电阻降低，分得的电流小无法触发BISS0001芯片，无信号输出，当光线弱的时候，阻值大，分得电压大进而触发芯片发出信号。

信号处理电路是无源滤波电路，其主要作用是放大传感器信号，然后由BISS0001芯片处理。

以热释电红外传感器+BISS0001芯片构成的人体感应体系，检测的精度与温度有很大的关系，因此，设置一个温度检测电路，选用DS18B20芯片，该芯片可测试零下55℃至125℃范围内的温度，主要作用是测试室内温度，并将测试结果转发给单片机处理后，转化为液晶屏的显示数据。

2.3 软件方案

软件方面主要是单片机的程序设计，单片机要发挥作用，必须要调用相关的程序来实现各种控制功能，AT89C51是一款入门级别的单片机，在单片机程序设计当中是必学的一个。程序设计上一般可采用C语言进行设计，此处不做详细讨论，只给出一个程序流程做参考，程序开始后，先对系统进行初始化，传感器启动进行检测，若检测到有人那么运行开灯，若无人则关灯或不开启灯，进一步读取室内温度值，在显示屏上显示，并且联网显示时间，检查是否存在人工定时，若检测到存在人工定时，运行定时子程序，若定时时间到，发出报警，延时最后关灯，如果在定时期间存在坐姿不正确则报警，若无定时，但坐姿不正确则报警，提供延时，坐姿还是不对，则关灯。

3 结语

综上所述，本文中给出了一款坐姿感应的视力保护台灯的设计方案，主要突出的是硬件方面的设计。该台灯以学生的不良坐姿为引子，考虑人体感应来实现调整人体坐姿来实现视力保护。单片机的运用实现自动化的控制，可根据传感器检测到的人体坐姿情况实时调光以及发出提示，LED稳定的光源加上坐姿感应有效地提供了一个合理的光照环境，视力保护的效果较为理想。

参考文献：

[1] 张兆然，范煜，苏伟.预防近视的图像传感器的研究[J].环渤海经济瞭望，2019（04）.

[2] 袁博.基于STM32的语音控制与坐姿检测智能台灯原型系统[J].实验室研究与探索，2019（03）.

作者简介：汪霖波（1997—），男，江西上饶人，本科，研究方向：产品设计。（单位：南昌工程学院）