智能传感器下的防近视眼镜设计

车梦强 袁伟辰 陈昆利 张佳慧

摘要：在日常生活中，导致人们近视最主要的原因为错误用眼和长期近距离用眼等行为。这些错误的用眼方式在生活中很常见。文章设计的这款基于传感器的智能防近视眼镜能有效缓解因不良用眼习惯而导致的近视度数的增加，预防近视。该装置以使用者佩戴的普通眼镜为载体，眼镜框中内置智能传感器、微型振子、LED发光二极管、电路检测模块等相关元器件。当与学习设备距离过近或处于较暗环境下时，设备会发出报警以提醒使用者。

关键词：防近视；传感器；单片机；智能控制

中图分类号：TP212.6  文献标志码：A

0 引言

现今，眼睛近视的人很多，大部分原因是在生活和学习中没有保持良好的用眼习惯，如做作业低头没有保持适当的距离、在黑夜里玩手机等。许多人认为孩子近视与长时间看电子屏有很大的关系，如电视、电脑、手机、iPad等，尤其是在疫情期间学生们普遍进行线上上课，使用电子产品的时间和次数增加，加上缺乏户外运动、学习压力大等因素，导致视力不良等现象多发。本文设计的智能防近视眼镜产品可以有效预防近视度数的增加。

1 设计思路

本设计是在近视眼镜框中内置智能传感器等器件。智能传感器分为距离传感器和光度传感器，距离传感器可以有效感知在使用者面前有限距离内出现的物体，再做出反应使微型振子和LED灯进行动作。本设计首先经过电路中的传感器部件感知使用者的用眼姿势。在使用者读书姿势或者写字姿势不正确（<25 cm）时，将传感器采集到的模拟量转化为电信信号后，再通过单片机进行控制提醒元器件发出闪光灯和振动，这样可以提醒使用者保持正确的学习用眼姿势，防止近视进一步加深，提高预防效果。其次，光度传感器不仅可以感知使用者在使用状态时面前光亮度的变化以及时长，还可以检测用户是否长时间使用手机或者处于黑暗中看手机，这种情况设备也会发出相应报警。

在国家节能环保发展的理念下，本产品能有效控制防近视眼镜系统的使用功耗，使用电容触控传感器来进行系统的开关，更方便用户的使用以及系统功耗的降低，是符合当代社会节能环保发展理念的一款产品。

2 系统结构功能设计

传感器下的智能防近视眼镜主要是通过搭建基本电路以及在电路上安装各种传感器来进行数据采集。本系统通过51单片机控制设备来实现各项功能，通过装置在眼镜框上的各种传感器来采集使用者在工作、学习生活中环境、姿势情况，如距离的远近、光度的亮暗等，以及在这种环境下持续的时间长短。这款基于传感器的智能防近视眼镜能有效缓解不良用眼习惯，起到预防近视的作用。该装置主要以使用者佩戴的普通眼镜为载体，在眼镜框内部安装电路元件，眼镜框中内置有智能传感器（距离传感器、光度传感器、电容传感器）、微型振子、LED发光二极管、电路检测模块等相关元器件。智能传感器下的防近视眼镜，如图1所示。

2.1 机械设计

2.1.1 距离传感器

本设计主要是在近视眼镜框中内置智能传感器，这种距离传感器可以有效感知在有限距离内出现的物体并发出信号，通过传感器感知用户的阅读写字姿势。本设计距离传感器主要使用SHARP GP2Y0A41SKOF红外测距传感器，通过传感器向外发出的短光脉冲，通过测量脉冲发出到碰到阻挡物并反射回来所需要的时间进行测距。距离传感器有信号发射器与信号接收器两个部件。信号发射管发射出设定的固定频率的红外信号；信号接收管用来接收红外信号。当发射出的红外光遇到阻挡物时，信号反射回来被接收管接收。经过基本电路处理后，可得知距离是否小于设定值。在使用者学习用眼姿势不正确（<25 cm）时，发出闪光灯和振动以提醒使用者要保持正确的阅读写字姿势［1］。

2.1.2 光度传感器

光度传感器是一种通过光线对物体进行检测的传感器，拥有反应速度快、可靠性高、体积小、重量轻的优良特点。对电路检测模块进行控制时，光度传感器会将外界的光亮强弱变化通过传感器变成电信号。光度传感器主要由发送、接收、检测3部分组成。传感器内部有发光部分及受光部分。在使用者长时间处于黑暗状态时，受光器件接收光亮较少，光电速度降低从而发出信号。在传感器外界光度较暗时，光度传感器内部的电阻值会变大，光度传感器和可调电阻器的分压较高，此时控制电路会发出震动和灯闪报警，如图2所示。本设计主要采用数字式环境光传感器BH1750，具备以下特征：（1）传感器元件功耗低，可以两个I2C地址同时工作，经过ADDR引脚进行选择。（2）对外界环境变化测量精确度高，传感器能不受外界错误的光亮变化影响。（3）传感器具有I2C数字性的接口，数据传输最大速率能够达到400 Kbps。

2.1.3 电容触控传感器

本产品对整个系统的功耗进行了有效的控制，利用电容触控传感器来进行系统的开关设计。本设计主要使用FDC1004DGSR电容触控传感器，触控传感器相当于一个张弛振荡器，内部一直在充电和放电的工作流程。在使用中，使用者通过手指进行开关的触碰，就会增加电容器内部的介电常数，这样充电和放电的频率会进行相应的减少，工作周期就比正常情况下长。传感器基于电容性耦合可以检测出是导电的物质进行触控，在系统设计中把人手当作电荷导体，以便用户的使用以及系统功耗的利用。本设计是符合当代社会节能环保发展理念的一款新产品。

2.1.4 微型振子与LED灯模块

（1）微型振子。本设计使用的微型振子在结构上与应用在手机或手表上的直流有刷电机结构一样。当单片机程序发出指令后，电机开始转动。在电机马达转动的同时，由于安装马达上的偏心轮不在中心点上，导致马达不能平稳转动并开始晃动。因此，马达会发出振动以提醒使用者目前姿勢或行为是错误的，需要立即改正。同时，微型振子具有尺寸小、低功耗、重量轻、可靠性强等特点，被广泛应用。

（2）LED灯。在电路外部安装LED闪烁灯通过灯的闪烁来提醒使用者。LED灯实际是一种发光二极管，它能够将电能转化为光能。在LED灯闪烁时，发出的光源里没有红外线，可减少对人体的伤害。LED灯的使用寿命较长，因为其优越的特性可以减少对电能的使用，提高功耗利用率，符合本设计节能环保、降低功耗的设计要求。通过单片机程序对LED灯的闪烁进行控制，以及时提醒使用者。

2.2 電路检测模块

本设计电路检测模块流程如图3所示，模块主要采用STC89C51单片机，由中央处理器、存储器、I/O接口3部分组成，其中单片机CPU包括控制器和运算器两部分。该单片机有8位处理芯片、通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，具有低功耗、功能性高、速度快的特点。通过单片机的内部程序能对电路元件和电路进行整体控制［2］。

系统特点：（1）单片机在3.8～5.5 V的电压下工作。（2）单片机时钟在0～35 MHz的频率下工作。（3）本系统集成了丰富的外设，拥有512个字节的RAM通用异步串行口。

3 软件设计开发

本文设计的智能传感器防近视眼镜有较多复杂的装置模块。系统内部装置主要包含有红外测距类型的距离传感器、光度传感器和控制开关的电容传感器；外部提醒模块有LED灯和微型振子。每一个元器件都有不同的使用方法，在单片机内烧录编写的程序，根据相应传感器采集的信号转化成的电信号的不同来对电路中的LED灯闪烁以及微型振子的振动进行相应的控制。传感器下的智能防近视眼镜设计主要是通过电路控制来分析使用者的外界环境，从而使单片机控制单元做出反应。

4 产品发展趋势及延伸

传感器下的智能防近视眼镜应用前景非常广泛。目前，我国近视人数逐年增加，尤其是在青少年群体中，2020年我国儿童青少年总体近视率为52.7%，学生视力问题日益严峻。越来越多的人开始日益关注近视带来的危害，在现代社会中智能眼镜行业有着较为广阔的应用前景［3］。

本设计产品的智能传感器理念同样可推广至智能交通红绿灯、车辆停放、智能开关门等方面。智能交通红绿灯可根据路口排队的车辆多少，利用后台云计算实时适当调整红绿灯秒数，提高道路的通行效率。智能车辆停放是在停车场中每一个车位下安装传感器。当有车辆停在上面时，发出信号使系统显示已占用，车辆可直接开往没有触发信号即没有占用的车位停车。智能开关门则是在门口的上方或侧方安装感应传感器。当有人或物体出现在门口时，感应器感应到存在后触发设备电路进行工作，此时大门将自动打开，待无人后，通过时间设定，在设定时间过后大门自动关闭。

5 结语

智能传感器下的防近视眼镜主要通过单片机电路模块对外置的距离传感器、光度传感器转化的电信号进行分析，再依靠单片机内部设定程序对LED灯以及外部微型振子进行控制。当用户在学习生活中用眼不当时，眼镜会对用户发出相应的信号，培养人们正确使用眼镜的行为习惯，从而有效控制用户的眼睛度数。智能传感器下的防近视眼镜不仅能帮助使用者纠正错误的姿势与行为，还会在未来的社会生活中得到广阔的运用。智能传感器下的防近视眼镜技术在未来大有可为，相信未来会有更多优秀的科技产品用来改变人们的生活方式。

参考文献

［1］姚殿梅，周彬.红外线在道路测试中的应用［J］.交通科技与经济，2013（3）：45-48.

［2］王锋.基于STC89C51RC单片机的电子秤设计［J］.电子世界，2016（6）：70.

［3］刘雨佳，瞿小妹.人工智能在近视防控中的初步应用［J］.中国眼耳鼻喉科杂志，2022（5）：525-528.

（编辑 姚 鑫）

Anti-myopia glasses design under intelligent sensor

Che  Mengqiang， Yuan  Weichen， Chen  Kunli， Zhang  Jiahui

（Anhui Sanlian University， Hefei 230000， China）

Abstract： In daily life， the most important reasons for myopia are the wrong use of eyes， long-term close use of eyes， and excessive use of electronic products. This sensor-based intelligent anti-myopia eyes designed is based on this， which can effectively alleviate the increase of myopia caused by bad eye habits， and prevent myopia. The device is made of ordinary glasses worn by the user as the carrier. The glasses frame is equipped with intelligent sensor， micro oscillator， LED light-emitting diode， circuit detection module and other related components. When the student is too close to the learning device or in a dark environment， the device sends an alarm to alert the user.

Key words： anti-myopia; sensor; single-chip computer; intelligent control