一种儿童近视预防辅助装置的设计与实现

秦佳鑫，王红梅

(浙江水利水电学院机械与汽车工程学院，浙江 杭州 310018)

0 引言

近年来，我国儿童和青少年近视率居高不下，尤其在2020年新冠肺炎疫情防控期间，全国开展大规模线上教学，增加了学生在电子屏幕前的时间，导致半年期间中小学生的视力不良发生率大幅提高。2020 年10月，世界卫生组织发布了第一份《世界视力报告》，报告显示现在全球近视人数约为26亿，19岁以下近视者为3.12 亿，尤其是儿童和青少年的近视率还在不断上升，可见对于儿童和青少年的近视防治已经迫在眉睫。

用眼距离过近、用眼时间过长、照明光线过强或过弱、在行车上或走路时看书、躺着看书和营养不良均可引起近视。现有的预防近视设备主要有以下几大类：一种是可以安装在书桌或办公桌上的一个机械装置，限制用户的用眼距离，并可以辅助限制用户的坐姿；另一种是利用光强传感器或测距传感器，当光线不宜或用眼距离不当时，其报警提醒，让用户及时调整室内光线或用眼距离；还有一种是借助陀螺仪或压力传感器，协助用户及时的纠正坐姿。但是，近年来的研究成果表明，户外活动在降低近视发生率中发挥显著效力，每天保证两小时以上户外活动可能是预防近视的最有利措施。因此，儿童近视预防辅助装置不仅要能够实时检测用户的用眼距离、坐姿、室内光线，还要具备户外光照时间的记录等功能，方可真正有效地辅助预防儿童近视。

1 系统原理设计

本文设计的近视预防辅助装置，除了可以实时检测用户的坐姿、光照强度、信息显示和报警功能外，还具备户外光照时间统计和计步等功能。系统以单片机为核心，由按钮模块、坐姿检测模块、灯光检测模块、户外监测模块、显示模块和报警模块等组成，系统原理框架如图1所示。

图1 系统原理框架图

⑴按钮模块：用来选择使用模式，分为户外模式和室内模式。

⑵坐姿检测模块：用来检测使用者的坐姿是否标准。如果不符合要求，报警提醒使用者及时调整。

⑶灯光检测模块：用来检测使用环境的光强等级，遇到不利于用眼的光强等级时，报警提醒使用者调高或降低灯光亮度。

⑷户外监测模块：除了对使用者的运动步数进行计步，还可统计户外自然光照时间。

显示模块和报警模块主要配合上述模块以实现信息显示和报警提醒。

2 硬件设计

本系统选用STC89C52 单片机作为控制核心，分模块进行了原理图设计，包括按钮模块、坐姿检测模块、灯光监测模块、显示模块和报警模块等，系统硬件原理图如图2所示。

图2 系统硬件原理图

在本系统中，除了复位电路中的按键以外，还设置有三个按键：户外模式按钮、室内模式按钮、中间模式按钮（暂停），组成按键电路。

坐姿检测使用MPU6050陀螺仪传感器，该传感器可以检测X、Y、Z 三轴的加速度和角加速度，并且该传感器还集成有温度传感器。该传感器的内有16 位A/D转换器，可将测得的三轴数据通过IIC接口发送给单片机，做进一步的处理。在户外时，还可以用来对用户的运动步数进行计数。但是，在仿真软件Protues的元件库中，没有与之对应的元件，因此该模块在建模时，是根据陀螺仪传感器的工作特性，自行建模并封装的。

灯光监测模块中，使用了两个光敏电阻传感器。该传感器对光强的线性响应范围在0-1500勒克斯，方向性强，能够检测固定方向的光源，本系统中用来检测用户所处环境的光照强度是否符合健康用眼的标准。该模块将采集到的光照数据与健康用眼光照值的上下限进行比较，决定是否启动报警提示。另外，该模块还可以用来检测户外光照强度，并记录光照时间。

显示模块中，采用LCD1602 液晶屏，主要用于显示灯光调整提示、用户坐姿倾斜度、阳光照射时间、步数等信息，方便使用者及时查阅和作出相应的调整。

3 软件设计

如图3所示，为系统的主程序流程图。

图3 主程序流程图

系统工作时，先进行系统初始化，然后通过按键给单片机发送高低电平确定运行模式，再进行不同模式下的信息采集和处理。

MPU6050传感器一方面用来判断用户的坐姿，当超过设置的阈值，则报警，以提醒用户需要调整坐姿，当坐姿调整达到系统要求，报警信号消失。另一方面，在户外模式时用来计步，统计用户的运动量。使用时，需要实时读取MPU6050 传感器的数据，并做相应处理。该传感器的数据传输口为IIC 通讯口，所以需要对总线传输数据进行编译后，再供系统做进一步处理。数据采集与处理流程如图4所示。

图4 MPU6050传感器的IIC通讯流程图

另外，在户外模式，为了提高系统计步的准确性，在算法设计时参考了三轴加速度传感器的计步算法。首先，需要对接收到的陀螺仪数据进行均值滤波处理；然后对多次采样得到的陀螺仪三轴加速度的最大值和最小值取平均值，将其作为动态阈值，该值还能用于判断哪个轴最为活跃；接着设置动态精度，在读取陀螺仪三轴数据时，需要保留一个旧数据、一个新数据以及一个当前数据，如果新数据与当前数据的变化值大于动态精度设定值，那么用当前数据取代新数据；最后进行步伐判断与记录，即先找到最活跃的轴，再将该轴的旧数据和新数据与其动态阈值进行对比，若旧数据大于动态阈值、新数据小于动态阈值，则认为走了一步。

4 实物调试与结果分析

本系统软件采用C 语言编程，在Keil C51 集成开发环境下将编写的程序进行编译、调试，并生成目标文件，同时，利用EDA 工具软件Proteus 绘制出电路仿真原理图，导入Keil生成的.hex文件进行仿真调试，验证了设计结果的可行性。

仿真调试时，由于Proteus 库文件的限制，自己封装的坐姿检测模块难以精确地反应实物的工作情况，因此进一步进行了实物的制作和调试。本实物用到的主要硬件有：STC89C52 单片机、LCD1602 显示屏、MPU6050 陀螺仪传感器、有源蜂鸣器、光敏电阻传感器。实物如图5所示。

图5 实物图

⑴光线监测功能调试

接通电源，按下启动开关，系统开始运行，开机画面显示“Welcome to use!”。开机后，按下室内模式按钮，系统检测光照强度以及坐姿，屏幕显示坐姿数据。当环境光强低于健康用眼范围时，蜂鸣器报警，屏幕上出现“Raise”提示用户提高环境的光线强度；当环境的光照强度在健康用眼范围内时，蜂鸣器停止报警，屏幕的提示语消失；当环境光照强度高于健康用眼范围时，蜂鸣器报警，屏幕上出现“Reduce”，提示用户降低环境的光线强度。

⑵坐姿监测功能调试

当使用者坐姿倾斜超过设定阈值85，大约为25°时，蜂鸣器开始报警。

⑶户外光照时间统计和计步功能调试

当按下户外模式键时，系统开始记录用户的运动步数以及接受阳光照射时间并显示。

⑷暂停功能调试

当按下中间按钮，系统暂停。当用户短时间内不使用该装置时，可以使用该按钮让装置停止工作，此时屏幕显示“Please protect your eyes!”。

5 结束语

本文以STC89C52 单片机为控制核心，借助MPU6050 陀螺仪传感器、光敏电阻传感器、LCD1602液晶显示屏、按钮模块等硬件设计了儿童近视预防辅助装置，并进行了软件设计和实物调试。结果表明：该装置可以实现用户坐姿的检测与校准、室内外光线的检测与提示、户外自然光照时间统计和计步等功能，这可有效地辅助儿童改善不良的用眼习惯，可实现辅助儿童预防近视的目的。本装置成本低、实用性强、易操作。但该装置若要推广使用，需进一步优化结构和模块布局，以解决携带或穿戴不便等问题。