基于超声波的智能护眼灯设计

王鹏涵，周丽红

(江苏电子信息职业学院，江苏 淮安 223003)

0 引言

近年来，中国青少年视力不良问题突出，近视率一直呈上升趋势，据教育部基础教育质量监测中心调查发现，有很多学生小学四年级就开始出现近视问题。由于学业的加重、电子产品的普及发展以及其他因素造成了我国青少年视力的整体情况不容乐观。为此，笔者专门研发了一款防止学生坐姿不正、改善学习环境光线不足、学习时间过长及纠正坐姿的护眼灯控制器，可对防止学生出现视力问题提供有益帮助。

1 智能护眼灯控制器方案设计

本项目以单片机为控制核心，由环境光检测电路采集光线信号，通过人体热释电传感器检测是否有人走近。如果有人走近且光线不足则自动开启护眼灯，无人时自动关闭护眼灯；当坐在灯前学习时，利用超声波测距模块检测人脸与桌面距离，距离低于设定参数时，发出语音或报警声提醒；通过单片机内部的定时器计时，当使用时长达到设定参数时，自动发出语音提示，并可以通过停止键停止学习，也可以按继续学习键继续。本项目设计主要包括单片机控制器、超声波测距、热释电传感器检测、环境光线检测、学习时间定时报警及LCD液晶显示等，系统设计总体方案如图1所示。

图1 系统总体方案

2 硬件电路设计

硬件系统主要由单片机控制电路、人体红外传感器模块、超声波传感器检测模块、自动报警电路及控制电路等组成，以下分别介绍各组成模块电路及原理。

2.1 单片机控制模块

本项目采用南通国芯微电子科技有限公司研发的STC8单片机作为核心控制器，这是一款高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰的8051单片机，工作电压范围为3.3 V～5.5 V，包含2 M字节片内RAM数据存储器，1个时钟/机器周期，增强型8051内核。

2.2 人体热释电传感器模块电路

本项目采用的人体热释红外传感器为大透镜BISS0001红外人体传感模块，是基于红外专用芯片BISS0001芯片设计的，最大的优点是性能稳定可靠，反应灵敏。本模块电路主要用于检测是否有人在护眼灯附近，有人且外界光线较弱时，护眼灯自动点亮；人离开且忘记关灯，护眼灯自动关闭。人体感应模块与电源连接如图2所示。

图2 人体感应模块与电源连接

2.3 超声波传感器模块电路

该模块电路要与人体感应模块共同作用，纠正坐姿，提醒学习者保持视距，注意用眼健康。由于超声波测距模块对环境要求比较低，结合市场情况，本项目选择的是HC-SR04模块。超声波测距模块与控制核心芯片连接如图3所示，超声波测距模块主要有接地、信号输出端、输入端和电源端4个管脚，信号输入和输出分别接单片机的端口，供电电源为直流5 V。

图3 超声波测距模块与单片机连接

2.4 自动报警电路

当超声波传感器检测到使用者坐姿不正确时(身体低于检测设定值)，将检测反馈信号传给单片机，单片机控制器控制报警电路发声提示，使用者纠正坐姿后，电路停止提示，以此达到预防近视的效果。自动报警电路如图4所示。

图4 自动报警电路

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括护眼灯亮度调节、自动检测坐姿流程。

3.1 自动调节护眼灯亮度

利用环境光检测电路，单片机可以检测当前的光线亮度情况，从而调整护眼灯灯光的亮度，处理流程如图5所示。

图5 护眼灯灯光亮度处理流程

3.2 检测坐姿流程

单片机检测及报警流程如图6所示。

图6 护眼灯检测流程

4 结语

护眼灯是一般家庭的生活必需品，目前国内市场护眼灯的设计大多采用简单的调光电路。本项目的护眼灯能自动调整灯亮度，自动检测是否有人使用护眼灯，无人时自动关闭护眼灯，并能及时提醒用户纠正坐姿，防止近视，具有较大的应用推广价值。