基于超声波的防近视书夹的设计与研究

胡耀丹

（西南大学 园艺园林学院，重庆　400715）

基于超声波的防近视书夹的设计与研究

胡耀丹

（西南大学 园艺园林学院，重庆400715）

论文设计一种基于超声波传感器的智能防近视书壳。该智能防近视书夹包括：超声波传感器、控制器、指示灯、蜂鸣器、电池、书夹、mp3播放器、显示屏。使用时，将该防近视书夹夹在笔记本或台式电脑的显示器等其它物体上，通过超声波传感器检测看书时人眼睛与书的距离，给予相应的警报与提示，若检测到用户在使用书壳时，书夹到读者头部与书本的距离小于40cm时，给出警报提示；若读者看书时间超过一小时则给读者休息提示等。该书夹结构简单，操作方便，使用的超声波传感器成本低，安全，在解决防近视的问题上简单有效。

超声波；传感器；预防近视

近年来，我国青少年的患近视的情况越来越普遍，很大程度上是没有科学作息造成的。一方面，市场虽然比较多的防近视仪器与设备［1］，然而终究没有像MP3播放器那样普遍流行，普通书夹由于功能单一，很多人也都常常忽视使用；另一方面，部分青少年由于没有及时矫正读写时的错误坐姿，养成了不好的坐姿习惯，而且学习生活时，常由于繁忙的学习任务忽视了科学的作息。

1　设计特点

根据此实际情况，本文所介绍的防近视书夹具有以下特点：

1.1将超声波传感器［2］嵌入控制器［3］，用于检测人们在阅读时头部与书本或电脑屏幕的距离，通过警报提醒用户与书本或电脑屏幕的距离保持40cm以上［4］；同时还可以检测到用户连续办公时间过长时，提醒用户休息。

1.2书壳的书夹装置拆卸方便，在使用电脑时，夹在电脑摄像头的位置，也可以给用户警报与提示。

1.3该电子书夹的微型系统中嵌入了mp3播放功能，使得书夹具有一定的适用性和娱乐功能，可以在用户休息时播放音乐或英语听力。

1.4书夹还加入电子表的功能，通过显示屏显示时间。

1.5书夹液晶屏不仅可以为用户提供方便的操作，还可以用于阅读相应格式的电子书。

2　控制模块设计

该书夹包括控制单元和壳体结构。如图1所示，所述控制单元包括与控制芯片相接的显示屏、超声波传感器、MP3播放器、Flash闪存芯片、按钮、电源、USB接口。

图1　系统结构图

2.1按钮

电源按钮，实现该电子书夹的开关机的功能。功能按钮，主要作用是让用户设置时间，以及在播放音乐时选择播放文件、停止播放，上翻、下翻、左翻、右翻等功能。

2.2电源

选用可充电的3.3V锂电池，置于壳体内。不仅可以提供3.3V稳压，而且可充电，不用更换电池，使用方便。

2.3超声波传感器

选用HC-SR04超声波传感器，该传感器价格低廉、测量效果良好，盲区小，使用时方便，完全适用于本论文所述的书夹测量物距。感应角度为不大于15度，探测距离为2cm-450cm，精度可达0.2cm。

2.4控制芯片

选用NXP1114/304微控制器，该芯片是基于Cortex-M0内核的芯片，速度快，功耗低，内部资源丰富，价格上又比较低廉。

2.5时间芯片

选用DS1302，该芯片是一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，且具有闰年补偿功能，实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于31天时可以自动调整。

2.6MP3播放模块

通过控制器读取flash芯片读取mp3等音乐文件，发送给VS1003B语音解码芯片解码后通过耳机插孔输出。其中VS1003是一个多功能的从MP3和WMA解码芯片，其性能稳定，内含高性能片上立体声数模转换器，两声道间无相位差，输出的音质高。

3　系统硬件设计

图2　硬件结构图

如图2是智能书夹的硬件结构图，包括上超声波传感器、下超声波传感器、指示灯、带驱动蜂鸣器、上半夹体、下半夹体、夹子弹簧、控制模块、电源模块、固定底座、电池模块、开关按钮、USB充电接口。

4　系统软件设计

本系统软件主要是包括测定距离与测定时间环节，进行相应反映环节。本设计主要操作过程如图3流程图所示：

图3　系统软件流程图

每隔1分钟，控制器将控制超声波传感器进行距离测量，每次测量将持续10秒。当传感器探头发出的超声波后，检测到该距离若小于40cm且长时间（时间长于45s）处于该状态，则控制器控制蜂鸣器发出警报提示，若检测到距离大于10cm小于60cm时说明有人在使用书夹，指示灯保存常亮，若使用时长超过一小时，则通过蜂鸣器发出休息提示，当蜂鸣器发出声音是，指示灯做出相应的闪亮。若检测到的距离低于10cm，或者大于60cm，且保持此种状态长达5分钟，书夹将进入低功耗休眠状态。当再次使用时需按动电源按钮将其唤醒。该书夹还可以作为一个mp3使用，当用户使用仅MP3时，可以选择系统相关功能按钮将测距防近视的功能关闭，液晶显示屏可可以显示播放歌曲的歌词，以及相应格式的电子书籍；若使用MP3作为英语学习工具时，可以打开测距防近视功能。

该电子书夹的连接方式和市场的连接方式相同，上板面和下板面插销贯穿固定钢丝弹簧，使得上下两板能沿插销自由转动，这样并构成了书夹。不同的是，该书夹的上板面嵌入了控制芯片、传感器、mp3播放器等，实现了书夹的电子化。

5　结语

近年来，我国青少年的患近视的情况越来越普遍，主要原因是没有科学作息，市场也始终没有普遍流行防近视仪器与设备，而普通的书夹由于功能单一，被很多人忽视，使用的也较少。特别是对于青少年们，若未能及时的矫正看书时的错误坐姿，养成不良的读写习惯，加上大量电子产品的使用，常常使人忽视眼睛的疲劳，是预防近视更加艰难。本设计相对普通书夹有以下特点：首先，通过超声波传感器检测看书时人眼睛距离书的距离，判断出坐姿的正确与否，给出警报与提示，有效的解决了预防近视问题；同时检测用户是否办公来计算办公时间，给出休息提示，以及实现智能待机节电，更加智能化，人性化。其次，书壳的书夹装置拆卸方便，还适用于电脑办公，使用范围比较广。最后，在书夹上嵌入mp3的播放功能，可以为一些读者提供音乐播放或英语学习等服务，使功能更加丰富，更加人性化。

［1］张恒，王新怀，梁博，杜威望，郑永平，基于MSP430智能防近视眼镜的设计［J］《电子产品世界》，2015年第4期.

［2］罗曦，张钦宇，焦健，高波，耿晓琪，基于超声波传感器多目标定位系统［J］，《传感器世界》，2007年第9期.

［3］张春光，基于单片机的超声波测距系统的设计［J］《机床与液压》，2008年第B07期.

［4］吴芳，孙志浩，李永峰，刘小彦，韩叶茂，肖灵通，黄雪梅，吴爱玲，红外测距在防近视中的应用［J］《科技信息：科学·教研》，2008年第15期.

胡耀丹（1996.06—）女，西南大学城乡规划专业在读，研究方向：风景园林。

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1003-5168（2015）-12-0136-2