基于MSP430智能防近視眼鏡的設(shè)計(jì)

　　摘要：本文針對(duì)中小學(xué)生近視率不斷上升的問(wèn)題，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種以MSP430單片機(jī)為控制核心的智能防近視眼鏡。該設(shè)備利用夏普GP2Y0E03紅外測(cè)距傳感器、以BH1750芯片為核心設(shè)計(jì)的光強(qiáng)傳感器以及以MPU6050芯片為核心設(shè)計(jì)的六軸傳感器采集用戶的用眼情況，利用MSP430單片機(jī)，模擬出人眼的疲勞情況，在人眼過(guò)度疲勞時(shí)提醒用戶休息，防治近視。

　　引言

　　目前青少年近視的本質(zhì)原因是長(zhǎng)時(shí)間看近處的東西，眼睛長(zhǎng)期得不到休息，長(zhǎng)期產(chǎn)生視覺(jué)疲勞，最終病變成近視。本文開(kāi)發(fā)了一種智能防近視眼鏡，可以隨時(shí)監(jiān)控用戶的用眼情況，防止用眼疲勞，從而防治近視;同時(shí)還專門(mén)為中小學(xué)生設(shè)計(jì)了一個(gè)閱讀/寫(xiě)字姿勢(shì)校正功能，通過(guò)內(nèi)置的距離傳感器和六軸傳感器感知用戶的閱讀/寫(xiě)字姿勢(shì)，在姿勢(shì)不正確時(shí)發(fā)出提醒以督促用戶保持正確的閱讀/寫(xiě)字姿勢(shì)，防治近視。提醒的方式是通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)置的貼片LED呼吸燈閃爍以及微型振子震動(dòng)提醒;系統(tǒng)內(nèi)置的存儲(chǔ)芯片可以存儲(chǔ)用戶佩戴十小時(shí)的用眼數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)藍(lán)牙導(dǎo)入至為此設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的安卓手機(jī)客戶端，繪制用眼曲線，以方便家長(zhǎng)進(jìn)行監(jiān)控。

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另外一個(gè)亮點(diǎn)在于對(duì)于系統(tǒng)功耗的有效控制。一方面，本文設(shè)計(jì)的智能防近視眼鏡設(shè)計(jì)了基于MSP430的I/O接口設(shè)計(jì)了電容觸控傳感器，放置在眼鏡鏡腿的位置，當(dāng)用戶佩戴眼鏡時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)喚醒，摘下眼鏡后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，傳感器和無(wú)線模塊不再工作，這種方式省去了電源開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)，提高了使用的便利性，還在一定程度降低了系統(tǒng)的功耗，增加系統(tǒng)待機(jī)和使用時(shí)間。另一方面，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的六軸傳感器除了在矯正坐姿功能中檢測(cè)用戶閱讀/寫(xiě)字姿態(tài)外，系統(tǒng)還在單片機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì)了一套智能算法識(shí)別智能防近視眼鏡的使用場(chǎng)景，在用戶運(yùn)動(dòng)、飲食、與人交談時(shí)依照算法降低距離與光強(qiáng)傳感器測(cè)量的頻率，比如一分鐘采集一次;運(yùn)動(dòng)傳感器檢測(cè)到用戶在靜坐或者專心做某事時(shí)適當(dāng)增加上述傳感器測(cè)量的頻率，比如每隔5秒采集一次，以保證在這段時(shí)間內(nèi)采集到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，這樣的設(shè)計(jì)可以動(dòng)態(tài)分配系統(tǒng)的功耗，在不降低測(cè)量精度的前提下降低功耗。

　　1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)防治近視的功能，必須要獲取到用戶眼睛的疲勞情況，然而直接測(cè)量人眼的疲勞值十分困難，所以本文采用了另一種技術(shù)方案：通過(guò)眼鏡上的多種傳感器采集人眼工作時(shí)的各種數(shù)據(jù)，如距離、光強(qiáng)、姿態(tài)等，然后利用單片機(jī)內(nèi)置的智能算法模擬出人眼的疲勞情況。當(dāng)檢測(cè)到用戶的眼睛疲勞值較高時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)置的貼片LED呼吸燈閃爍以及微型振子震動(dòng)提醒用戶望遠(yuǎn)休息。系統(tǒng)內(nèi)置的存儲(chǔ)芯片可以存儲(chǔ)用戶佩戴十小時(shí)的用眼數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)藍(lán)牙導(dǎo)入至為此設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的安卓手機(jī)客戶端，繪制用眼曲線，以方便家長(zhǎng)進(jìn)行監(jiān)控。目前所做的系統(tǒng)原型如圖1和圖2。

　　具體的實(shí)現(xiàn)方案：如圖3，距離傳感器GP2Y0E03、光強(qiáng)傳感芯片BH1750和六軸傳感芯片MPU6050將采集到的距離、光強(qiáng)、加速度和角速度這些非電學(xué)信息轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)IIC通訊方式輸出;這些傳感器掛載在主控芯片MSP430G2553的IIC總線上，單片機(jī)定時(shí)激活相應(yīng)傳感器并通過(guò)IIC通訊方式獲取相關(guān)信息，此后關(guān)閉傳感器等待下一次的喚醒;單片機(jī)獲取到相關(guān)信息后，通過(guò)內(nèi)置的智能算法模擬人眼的疲勞值變化曲線;微型振子和貼片LED燈通過(guò)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)相連，當(dāng)軟件模擬的人眼疲勞值達(dá)到一定程度時(shí)單片機(jī)激活振子發(fā)出震動(dòng)并呼吸閃爍LED燈，提醒用戶望遠(yuǎn)休息;電容感應(yīng)式觸控傳感器同樣與單片機(jī)的I/O引腳相連接，用戶頭部相當(dāng)于一個(gè)大面積的導(dǎo)體，當(dāng)用戶佩戴本文所設(shè)計(jì)的智能眼鏡時(shí)，頭部和電容感應(yīng)式觸控傳感器構(gòu)成分布電容，頭部與系統(tǒng)地之間也構(gòu)成分布電容，總的效果是增加了上述傳感器對(duì)系統(tǒng)地之間的電容量，單片機(jī)通過(guò)測(cè)量電容量的變化來(lái)判斷用戶是否佩戴，當(dāng)用戶佩戴上述智能眼鏡時(shí)，單片機(jī)從睡眠模式激活，并開(kāi)始按時(shí)喚醒傳感器和通知模塊;以MPU605芯片為核心設(shè)計(jì)的六軸傳感器采集到的加速度和角速度數(shù)據(jù)不僅用于判斷和矯正用戶的閱讀/寫(xiě)字姿態(tài)，還用于識(shí)別用戶的使用場(chǎng)景，根據(jù)用戶頭部六軸幅度的不同，單片機(jī)通過(guò)內(nèi)置智能算法智能分配傳感器喚醒的間隔時(shí)間，達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的目的;藍(lán)牙模塊掛載在單片機(jī)的串口總線上，當(dāng)用戶需要同步用眼數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)通過(guò)藍(lán)牙模塊將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至安卓手機(jī)客戶端并通過(guò)可視化方式呈現(xiàn);單片機(jī)引腳上還設(shè)計(jì)了一個(gè)按鍵用于切換視力跟蹤功能和坐姿矯正功能。