基于MSP430智能防近視眼鏡的設計

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

　　引言

　　目前青少年近視的本質(zhì)原因是長(cháng)時(shí)間看近處的東西，眼睛長(cháng)期得不到休息，長(cháng)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)監控用戶(hù)的用眼情況，防止用眼疲勞，從而防治近視;同時(shí)還專(zhuān)門(mén)為中小學(xué)生設計了一個(gè)閱讀/寫(xiě)字姿勢校正功能，通過(guò)內置的距離傳感器和六軸傳感器感知用戶(hù)的閱讀/寫(xiě)字姿勢，在姿勢不正確時(shí)發(fā)出提醒以督促用戶(hù)保持正確的閱讀/寫(xiě)字姿勢，防治近視。提醒的方式是通過(guò)系統內置的貼片LED呼吸燈閃爍以及微型振子震動(dòng)提醒;系統內置的存儲芯片可以存儲用戶(hù)佩戴十小時(shí)的用眼數據，這些數據可以通過(guò)藍牙導入至為此設計開(kāi)發(fā)的安卓手機客戶(hù)端，繪制用眼曲線(xiàn)，以方便家長(cháng)進(jìn)行監控。

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

　　1 系統總體結構設計

　　為了實(shí)現防治近視的功能，必須要獲取到用戶(hù)眼睛的疲勞情況，然而直接測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)的各種數據，如距離、光強、姿態(tài)等，然后利用單片機內置的智能算法模擬出人眼的疲勞情況。當檢測到用戶(hù)的眼睛疲勞值較高時(shí)，系統通過(guò)內置的貼片LED呼吸燈閃爍以及微型振子震動(dòng)提醒用戶(hù)望遠休息。系統內置的存儲芯片可以存儲用戶(hù)佩戴十小時(shí)的用眼數據，這些數據可以通過(guò)藍牙導入至為此設計開(kāi)發(fā)的安卓手機客戶(hù)端，繪制用眼曲線(xiàn)，以方便家長(cháng)進(jìn)行監控。目前所做的系統原型如圖1和圖2。

　　具體的實(shí)現方案：如圖3，距離傳感器GP2Y0E03、光強傳感芯片BH1750和六軸傳感芯片MPU6050將采集到的距離、光強、加速度和角速度這些非電學(xué)信息轉化為模擬信號并進(jìn)一步轉化為數字信號，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(xiàn)上，單片機定時(shí)激活相應傳感器并通過(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;單片機獲取到相關(guān)信息后，通過(guò)內置的智能算法模擬人眼的疲勞值變化曲線(xiàn);微型振子和貼片LED燈通過(guò)相應的驅動(dòng)電路和單片機相連，當軟件模擬的人眼疲勞值達到一定程度時(shí)單片機激活振子發(fā)出震動(dòng)并呼吸閃爍LED燈，提醒用戶(hù)望遠休息;電容感應式觸控傳感器同樣與單片機的I/O引腳相連接，用戶(hù)頭部相當于一個(gè)大面積的導體，當用戶(hù)佩戴本文所設計的智能眼鏡時(shí)，頭部和電容感應式觸控傳感器構成分布電容，頭部與系統地之間也構成分布電容，總的效果是增加了上述傳感器對系統地之間的電容量，單片機通過(guò)測量電容量的變化來(lái)判斷用戶(hù)是否佩戴，當用戶(hù)佩戴上述智能眼鏡時(shí)，單片機從睡眠模式激活，并開(kāi)始按時(shí)喚醒傳感器和通知模塊;以MPU605芯片為核心設計的六軸傳感器采集到的加速度和角速度數據不僅用于判斷和矯正用戶(hù)的閱讀/寫(xiě)字姿態(tài)，還用于識別用戶(hù)的使用場(chǎng)景，根據用戶(hù)頭部六軸幅度的不同，單片機通過(guò)內置智能算法智能分配傳感器喚醒的間隔時(shí)間，達到降低系統功耗的目的;藍牙模塊掛載在單片機的串口總線(xiàn)上，當用戶(hù)需要同步用眼數據時(shí)，單片機通過(guò)藍牙模塊將相關(guān)數據傳輸至安卓手機客戶(hù)端并通過(guò)可視化方式呈現;單片機引腳上還設計了一個(gè)按鍵用于切換視力跟蹤功能和坐姿矯正功能。