基于坐姿纠正和走神提醒的智能护眼仪*

2015-11-28姚俊红

山西电子技术 2015年2期

戚磊，姚俊红

(德州学院，山东德州 253000)

大部分中小学生上课时，由于坐姿不正确造成眼睛与书本、作业本距离太近而导致绝大部分学生都戴上了眼镜，并且度数不断增加，对学生健康非常不利;上课走神也是大部分学生都会遇到的情况，严重影响听课质量。基于此，本文设计了这款基于坐姿和走神提醒的智能护眼仪，来帮助学生改掉坐姿不正、上课走神的坏习惯。

1 智能护眼仪的组成

系统以STM32 单片机为核心控制模块，与红外发射、红外接收、信号集成放大器、震动电机来实现坐姿检测和提醒的功能，从而避免中小学生弯腰驼背，眼睛与书本距离过近;利用脉搏传感器和震动电机来实现走神判断和提醒的功能，使学生回到正常的学习状态中。

2 智能护眼仪功能介绍

2.1 坐姿纠正功能

智能护眼仪是通过红外测量其与书本的距离(即眼睛与书本的距离)来判断学生坐姿的，如果眼睛距离书本过近，说明坐姿不正确，震动电机会震动，提醒学生纠正坐姿。

2.2 走神提醒功能

智能护眼仪装有脉搏传感器以检测眨眼时间间隔，根据眨眼频率判断是否处于走神状态，当学生处于走神状态时，振动电机会震动，提醒学生使其回到正常状态。

3 智能护眼仪原理介绍

3.1 红外发射部分原理

红外测距发射部分由STM32 单片机定时器产生一个1 kHz 的方波，用一个三极管做开关驱动，将信号加载到红外发射管上。

3.2 红外接收部分原理

红外接收管接收到的信号只有100 mV 左右，而且还有很多干扰，需要先放大再带通滤波，单片机只能接受数字信号，所以还需要通过峰值检波输出一个直流电压。单片机通过ADC 采集接收到距离信号，判断眼睛与书本的距离，并通过一个NPN 型三极管控制震动电机的震动来实现提醒的功能。

3.2.1 关于放大电路设计

考虑到测量范围和接收到的信号大小，选取放大倍数为30 倍左右，倍数太大会出现波形失真，使测量的最短距离变小，倍数太小信号强度不够，则能测量的最远距离会变小，放大倍数B=R4/R3=30。

3.2.2 关于有源二阶带通滤波器的设计

令C=C3=C4，则req=R5//R6=(R5* R6)/(R5 +R6)品质因数Q 等于中心频率除以带宽，即Q=fc/BW=1/2*req/7R。由上边的公式，取中心频率f=1 kHz，增益A=5，品质因数Q=8，则令C=C3=C4=104，可以得到电阻值为R5=2.5 k，R6=100，R7=25 k。

以上放大电路以及有源二阶带通滤波器的设计采用一个四路的运算放大器LM324 芯片来实现。

3.2.3 关于峰值检波电路的设计

电容值越大检波效果越好，但是放电速度越慢，经过测试，选取了20 μF 的电容和100 k 的电阻以及1n4148 构成最简单的峰值检波电路。

图1 信号放大、滤波及检波电路

3.3 走神提醒的原理

智能护眼仪利用Pulsesensor 脉搏传感器精确检测眨眼带动的肌肉震动。据统计，人在正常情况下每分钟眨眼20 次左右，而走神时却只有4 次左右，眨眼信息被传到单片机处理器进行处理，单片机根据单位时间内脉搏传感器传来的脉冲个数判断使用者的状态，当检测到学生处于走神状态时，单片机处理器通过控制振动马达发出震动，提醒学生认真听课。

3.4 电源原理

电池为电压3.7 V，容量150 mAh 的可充电聚合锂电池，经过升压再稳压的设计给装置供电。采用BL8530-502RN，封装为SOT-23-5 的5 V 升压芯片，将电压升到5 V，之所以选择BL8530，是因为它所需的外部元器件非常少，符合护眼仪体积小的概念需要，只需要一个电感、一个输出电容和一个肖特基二极管就可以提供2.5 V～6.0 V 的稳定的低噪声输出电压。需要注意的是图中电感必须选择功率电感或者绕线电感，因为功率电感或绕线电感在升压模块的作用是为升压储能的，其他电感无法实现储能的作用。众所周知，稳压电路设计相对来说就比较简单了。采用AMS1117-3.3 V 稳压芯片稳压，然后给护眼仪供电。