CN104504869B - 防近视提醒器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及预防儿童近视的语音提醒装置，属于保护眼睛预防近视的技术领域，包括电源电路、单片机电路、超声波发射头、超声波接收头、一个双向滚珠开关、放大检测电路、语音电路和压电蜂鸣器以及必要的外壳和头戴支架，本发明安装在用户头部侧面，能够实现电源电压检测、电池充电、环境噪音强度的检测、用户眼睛至观察物之间距离的检测、头部与水平面之间的左右倾斜角度的检测和语音提示，简化电路结构，降低能耗，装置小巧质轻，经济实用，使用方便，能够很好地满足用户预防近视的需要。

Description

防近视提醒器

技术领域

本发明涉及预防儿童近视的语音提醒装置，属于保护眼睛预防近视的技术领域。

背景技术

为了预防儿童视力近视，保障用眼卫生，人们采用了各种各样的方法，采用提醒装置就是其中之一。

在排除环境光照等因素的影响，儿童近视主要是由于不正确的读写习惯造成的，这种不良习惯包括眼睛距离观察物过近和身体歪斜。

现有许多的预防儿童近视的提醒装置的产品和专利，经过对现有产品的考察和相关专利的检索发现，现有的产品功能单一，粗糙，档次低，实际使用受诸多因素制约而影响效果，相关专利也公布了各种各样的方案，但它们要么功能单一，要么方案复杂或脱离实际，缺乏实际可操作性。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明提供一种功能多样、体积小巧、使用方便、功耗低、经济实用的防近视提醒器，利用本发明能够满足用户预防近视的需要。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种防近视提醒器，包括电源电路、单片机电路、超声波发射头、超声波接收头、一个双向滚珠开关、放大检测电路、语音电路和压电蜂鸣器以及必要的外壳和头戴支架，所述的电源电路、单片机电路、超声波发射头、超声波接收头、双向滚珠开关、放大检测电路、语音电路和压电蜂鸣器安装在一块PCB板上，体积小巧，该PCB板安装在外壳内，其中的电源电路或电源电路中的可充电锂电池Bat也可不设置在该PCB板上，而是单独设置在其它位置的外壳内，用头戴支架把本发明安装在用户头部的左侧或右侧，且位于耳朵的前面靠近眼睛的位置，且超声波发射头、超声波接收头和两只眼睛为一条直线布置，用户使用方便，使装置能很好地发挥效能。

本发明优选贴片或微型电子元器件。

所述的电源电路包括锂电池充电电路、可充电锂电池、一个单刀双掷开关和一个熔断器，当切换单刀双掷开关关闭本装置时，则可充电锂电池连接到锂电池充电电路的充电输出端，此时若锂电池充电电路连接到外接的5V电源适配器供电，则可以自动完成对可充电锂电池的充电；当切换单刀双掷开关使本装置工作时，则可充电锂电池从锂电池充电电路的充电输出端断开，可充电锂电池经单刀双掷开关和速断熔断器向本装置各单元电路供电，其中设置发光二极管VD2、VD3分别用于指示正在充电和停止充电，所述速断熔断器用于保护此可充电锂电池。

所述锂电池充电电路包括一片锂电池充电管理芯片IC4，此锂电池充电管理芯片IC4的型号为TP4056,封装为SOP8。

可充电锂电池Bat采用纽扣式的，其标称电压为3.7V左右，充电限制电压为4.2V,性价比高，体积小，储能高，且有利于降低本发明的功耗。

本发明所述的单片机电路包括一片单片机IC1和两个电源退耦滤波电容C4、C5，单片机IC1的型号为STC15W201S，封装为SOP16,它采用内部高精度RC时钟，不安装外部时钟晶振，性价比高，非常有利于降低本发明的成本和缩小本发明的体积。

所述单片机IC1的引脚15作为P1.0口使用，且该端口工作于强推挽输出模式，单片机IC1的引脚2、4、16工作于准双向口模式，其引脚1作为其内部定时器/计数器T0的输入端，引脚11作为单片机IC1的中断INT0的中断源输入端，且中断INT0选择为高级中断，并采用下降沿或低电平触发中断，单片机IC1的内部定时器/计数器T0和定时器/计数器T2选择为低级中断，且定时器/计数器T0选择为计数器模式，定时器/计数器T2选择为定时器模式，低压检测中断LVD选择为高级中断。

所述放大检测电路的输入端接收来自超声波接收头的输出信号，把超声波接收头输出的微弱电信号经放大、带通滤波和转换，最终变换为脉冲信号，它包括一片运放IC2,所述运放IC2为通用集成四运放LM324,封装为SOP14,运放IC2-A、运放IC2-B和运放IC2-C是IC2中的三个运放，运放IC2的正电源端接电源Vdd,负电源端接地，电容C9与电容C10并联后连接至运放IC2的正电源端与负电源端之间，所述超声波接收头JZR的一端接地，另一端连接电阻R3，电阻R4的一端连接运放IC2-A的输出端，另一端连接电阻R3，运放IC2-A的反相输入端连接电阻R3与R4的公共连接点上，电容C2的一端连接运放IC2-A的输出端，另一端连接电阻R5，电阻R6的一端连接运放IC2-B的输出端，另一端连接电阻R5，运放IC2-B的反相输入端连接电阻R5与R6的公共连接点上，使用晶振JZD实现带通滤波的功能，晶振JZD的谐振频率与超声波接收头JZR的谐振中心频率相同，晶振JZD的一端连接运放IC2-B的输出端，另一端连接电阻R7，电阻R8的一端连接运放IC2-C的输出端，另一端连接电阻R7，运放IC2-C的反相输入端连接电阻R7与R8的公共连接点上，电阻R2与电容C1并联后一端接地，另一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接运放IC2的正电源端，电阻R1、电阻R2和电容C1三者相连的公共节点处连接至运放IC2-A、运放IC2-B和运放IC2-C的同相输入端，电容C3的一端连接运放IC2-C的输出端，另一端连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接三极管V的基极，二极管VD1的负极连接三极管V的基极，其正极连接三极管V的发射极，三极管V的发射极接地，三极管V的集电极连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端接电源Vdd，其中运放IC2-A、电阻R3和电阻R4组成第一级放大电路，运放IC2-B、电阻R5和电阻R6组成第二级放大电路，运放IC2-C、电阻R7和电阻R8组成第三级放大电路，电容C2、C3为耦合电容，使用40KHz晶振JZD实现带通滤波器的功能，当然40KHz晶振JZD也可用对应频率的声表面滤波器，简化了电路结构，三极管V、电阻R9、R10和二极管VD1组成脉冲转换电路，把放大后的有用电信号转换为对应频率的脉冲信号，三极管V的集电极连接至单片机IC2的引脚1，由三极管V的集电极向单片机IC2的引脚1输入脉冲信号。

所述超声波接收头JZR与放大检测电路相结合能够共同完成了超声波回波的接收和环境噪音强度检测两种功能，一物两用，且环境噪音强度的检测功能先于超声波测距功能执行，以提醒用户选择良好的学习环境，同时保证本发明超声波测距功能的正常发挥。

所述语音电路包括一只语音芯片IC3，其型号为SC8035,封装为SOP8，工作于串行工作模式，其引脚5接地，引脚4接电源Vdd，引脚4与引脚5之间连接电容C6，引脚1与引脚5之间连接电容C7,引脚6、7、8分别连接单片机IC1的引脚16、4、2，压电蜂鸣器YS串联电阻R12后连接在语音芯片IC3的引脚2与引脚3之间，所述压电蜂鸣器YS是贴片式的，发出的语音音量合适，功耗很低。

设置微型双向滚珠开关SK用于检测头部与水平面之间的左右倾斜角度，环保节能、体积小；在用户正常的读写过程中，所述双向滚珠开关SK的水平动作角度(以水平面为基准)随人体向前倾斜角度(以垂直于水平面为基准)的增大而降低，在用户使用正确的读写姿势时，双向角度开关的水平动作角度为20度～30度，所述双向角度开关SK的最大水平动作角度为35度(面部垂直于水平面时)，最小水平动作角度为零度(面部平行于水平面时)，若用户的头部上仰或下垂，则所述双向角度开关的水平动作角度为零度；所述双向滚珠开关SK内部包括两个对应左右倾斜动作的开关K1、K2，双向滚珠开关SK的两个开关K1、K2并联后，一端连接至单片机IC1的引脚11,，另一端接地。

所述单片机IC1超声波发射头JZT直接连接单片机IC1，由单片机IC1的一个I/O口直接驱动超声波发射头JZT向外发射超声波，简化了电路结构，所述超声波发射头JZT还串联一电阻R11，降低单片机IC1和超声波发射头JZT的功耗。

所述超声波发射头JZT和超声波接收头JZR的中心频率为40KHz，技术成熟，容易实现。

所述超声波发射头JZT和超声波接收头JZR的直径不超过10mm，以缩小体积。

本发明采用使单片机IC1周期性地进入掉电模式/停机模式的方式以节约电能。

本发明采用测量发射超声波与接收超声波回波之间的时间差的超声波测距原理，容易实施，测量用户眼睛至观察物之间的距离是否低于设定的限值，该限值设定为24cm～29cm，符合实际使用情况。

所述单片机IC1的基本工作过程为：首先启动单片机IC1的低压检测功能，当电源电压Vdd低于3V时，所述单片机IC1立即进入掉电模式/停机模式，当电源电压Vdd在3V～3.18V时，所述的单片机IC1立即控制语音电路由压电蜂鸣器YS发出“电量太低，请充电，系统将要关机”的语音提示音3次，然后单片机IC1进入掉电模式/停机模式，只有在下次开机时的电源电压Vdd高于3.18V时单片机IC1才离开掉电模式/停机模式，而进入正常的工作模式。

在正常的工作模式期间，单片机IC1周期性工作于掉电模式/停机模式和超声波测距模式两种模式；单片机IC1的超声波测距模式包括两个检测过程，即环境噪音强度的检测过程和用户眼睛至观察物之间距离的检测过程，其中环境噪音强度的检测过程先于用户眼睛至观察物之间距离的检测过程执行。

在单片机IC1进入超声波测距模式时，首先不发射超声波，而是延时10ms左右的时间，以检测其引脚1是否有环境噪音脉冲输入，若有，则单片机IC1控制语音电路由压电蜂鸣器YS发出“太吵了”的语音提示音，直到检测不到其引脚1存在环境噪音脉冲信号为止。

若检测不到单片机IC1的引脚1存在环境噪音脉冲信号，则单片机IC1通过引脚15输出若干个40KHz的电脉冲信号，由超声波发射头JZT发射超声波，由超声波接收头JZR接收该超声波的回波信号，并将相应的电信号输入放大检测电路，最后输入到单片机IC1，采用现有的测量发射超声波与接收超声回波之间的时间差的超声波测距原理检测用户的眼睛至观察物之间的距离是否低于限值，若低于限值,则单片机IC1控制语音电路由压电蜂鸣器YS发出“距离太近了，请挺直腰杆，抬起头”的语音提示音，并继续每隔2.5秒检测一次该距离，直到用户的眼睛至观察物之间的距离高于限值为止。

若用户的眼睛至观察物之间的距离高于限值，则单片机IC1退出超声波测距模式而进入掉电模式/停机模式，经过约16s的时间后单片机IC1自动唤醒而开始新一轮的超声波测距模式。

在正常的工作模式期间，单片机IC1无论处于掉电模式/停机模式还是超声波测距模式，如果因用户的头部左右倾斜过大或姿势不端正而使双向滚珠开关SK的开关K1、K2中的任何一个接通，则单片机IC1控制语音电路由压电蜂鸣器YS发出“请摆正姿势”的语音提示音，直到用户摆正姿势而使双向滚珠开关SK的开关K1、K2都断开为止，使用户养成使用正确的读写姿势的好习惯，也有利于超声波测距功能的正常发挥。

当用户摆正姿势而使双向滚珠开关SK的开关K1、K2都断开后，单片机IC1进入超声波测距模式。

在压电蜂鸣器YS发出语音提示音的过程中，单片机IC1忽略其引脚1是否有脉冲输入，以消除压电蜂鸣器YS发出语音提示音的过程中对放大检测电路的干扰。

在单片机IC1因双向滚珠开关SK的开关K1、K2中的任何一个接通而进入中断程序时，在该中断程序的开始位置暂时关闭该中断，在压电蜂鸣器YS发完语音提示音后再打开该中断，以消除双向滚珠开关SK的不稳定导通所带来的影响。

本发明所述的防近视提醒器所具有的有益效果为：本发明能够实现电源电压检测、电池充电、环境噪音强度的检测、用户眼睛至观察物之间距离的检测、头部与水平面之间的左右倾斜角度的检测和语音提示，功能多样易懂，贴合用户实际的防近视需要；取消了单片机的外部时钟和超声波发射头的驱动电路，采用一套电路实现环境噪音检测和超声波回波检测两种功能，大幅度简化了电路结构；合理设置双向滚珠开关，适时优化了用户头部左右倾斜姿势的约束；使用头戴支架把本发明安装在头部的左侧或右侧，能够切实检测用户的用眼情况，使用方便；优选贴片或微型电子元器件，整套装置小巧质轻，不会给用户带来不适感；选择可充电锂电池作为电源，并采用多项节能技术，使本发明的功耗很低，延长了电池使用时间，满足用户的使用需要。

本发明所述的防近视提醒器相对于现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，能够满足用户预防近视的需要，易于推广使用。

附图说明

图1所示为本发明的原理方框图；

图2所示为本发明的电源电路原理图；

图3所示为本发明除电源电路外的电路原理图；

图4所示为本发明安装在头部的示意图；

其中：IC1、单片机IC2、集成运放IC3、语音芯片IC4、锂电池充电管理芯片R1～R15、电阻C1～C10、电容FU、速断熔断器JZR、超声波接收头JZT、超声波发射头JZD、40KHz晶振SK、双向滚珠开关K、单刀双掷开关V、三极管VD1、二极管VD2、VD3、发光二极管YS、压电蜂鸣器Bat、可充电锂电池Vdd、电源电路的输出电源端或电源电压5V、外接的5V电源适配器正极端；

还有，IC2-A、IC2-B和IC2-C是集成运放IC2内的3个运放，双向滚珠开关SK内部包括两个对应左右倾斜动作的开关K1、K2，所述双向滚珠开关SK选择微型式的，超声波发射头JZT和超声波接收头JZR的中心频率为40KHz，单片机IC1的型号为STC15W201S,封装为SOP16，集成运放IC2为通用集成运放LM324,封装为SOP14，语音芯片IC3的型号为SC8035,封装为SOP8，锂电池充电管理芯片IC4的型号为TP4056,封装为SOP8，可充电锂电池Bat选择为纽扣式的，其标称电压为3.7V左右，充电限制电压为4.2V。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如附图1所示，本发明所述的防近视提醒器包括电源电路、单片机电路、超声波发射头JZT、超声波接收头JZR、双向滚珠开关SK、放大检测电路、语音电路和压电蜂鸣器YS以及必要的外壳和头戴支架，它们安装在一块PCB板上，该PCB板安装在外壳内，其中的电源电路或电源电路中的可充电锂电池Bat也可不设置在该PCB板上，而是单独设置在其它位置的外壳内，用头戴支架把本发明安装在用户的用户头部的左侧或右侧，且位于耳朵的前面靠近眼睛的位置，超声波发射头JZT、超声波接收头JZR和两只眼睛为一条直线布置，这样能够切实检测用户的用眼情况，并且使用方便，如附图4所示。

超声波发射头JZT受单片机IC1的控制发射超声波；超声波接收头JZR接收超声波发射头JZT发射的超声波回波信号和环境噪音信号，放大检测电路的输入端接收来自超声波接收头JZR的输出信号，把该信号放大、带通滤波并最终转化为脉冲信号输出到单片机IC1；设置双向滚珠开关SK用于检测头部的左右倾斜角度；语音电路驱动压电蜂鸣器YS发出提示语音；单片机IC1作为整个装置的控制核心，它根据输入的检测信号控制语音电路由压电蜂鸣器YS发出各种提示语音，让用户纠正姿势，防止近视。

为了缩小本发明的体积，降低成本，便于本发明的实施，本发明优选贴片或微型电子元器件。

电源电路是整个装置的能量来源，如附图2所示，所述的电源电路包括锂电池充电电路、可充电锂电池Bat、单刀双掷开关K和速断熔断器FU，所述锂电池充电电路包括一片锂电池充电管理芯片IC4，此锂电池充电管理芯片IC4的型号为TP4056,封装为SOP8，其引脚1和引脚3接地，引脚2与地之间接电阻R13，引脚4、引脚8、发光二极管VD2的正极和发光二极管VD3的正极连接在一起，引脚4与地之间接电容4后通过5V端连接到外部的5V电源适配器，由外部的5V电源适配器提供充电电源，引脚7与发光二极管VD2的负极之间连接电阻R14,引脚6与发光二极管VD3的负极之间连接电阻R15,引脚5连接单刀双掷开关K的分电极1处，单刀双掷开关K的公共电极0连接可充电锂电池Bat的正极，可充电锂电池Bat的负极接地，单刀双掷开关K的分电极2串联速断熔断器FU，所述的电源电路由电源端Vdd向各单元电路供电，其中发光二极管VD2、VD3分别用于指示正在充电和停止充电，设置速断熔断器FU用于保护可充电锂电池Bat。

当切换单刀双掷开关K关闭本装置时，则可充电锂电池Bat连接到锂电池充电电路的充电输出端，此时若锂电池充电电路连接到外接的5V电源适配器供电，则可以自动完成对可充电锂电池的充电；当切换单刀双掷开关K使本装置工作时，则可充电锂电池Bat从锂电池充电电路的充电输出端断开，可充电锂电池Bat经单刀双掷开关K和速断熔断器FU向本装置各单元电路供电，其中设置发光二极管VD2、VD3分别用于指示正在充电和停止充电，所述速断熔断器FU用于保护可充电锂电池Bat。

如附图3所示，所述放大检测电路包括一片运放IC2,所述运放IC2为通用集成四运放LM324,封装为SOP14,运放IC2-A、运放IC2-B和运放IC2-C是IC2中的三个运放，运放IC2的正电源端接电源Vdd,负电源端接地，电容C9与电容C10并联后连接至运放IC2的正电源端与负电源端之间，所述超声波接收头JZR的一端接地，另一端连接电阻R3，电阻R4的一端连接运放IC2-A的输出端，另一端连接电阻R3，运放IC2-A的反相输入端连接电阻R3与R4的公共连接点上，电容C2的一端连接运放IC2-A的输出端，另一端连接电阻R5，电阻R6的一端连接运放IC2-B的输出端，另一端连接电阻R5，运放IC2-B的反相输入端连接电阻R5与R6的公共连接点上，使用晶振JZD实现带通滤波的功能，晶振JZD的谐振频率与超声波接收头JZR的谐振中心频率相同，晶振JZD的一端连接运放IC2-B的输出端，另一端连接电阻R7，电阻R8的一端连接运放IC2-C的输出端，另一端连接电阻R7，运放IC2-C的反相输入端连接电阻R7与R8的公共连接点上，电阻R2与电容C1并联后一端接地，另一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接运放IC2的正电源端，电阻R1、电阻R2和电容C1三者相连的公共节点处连接至运放IC2-A、运放IC2-B和运放IC2-C的同相输入端，电容C3的一端连接运放IC2-C的输出端，另一端连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接三极管V的基极，二极管VD1的负极连接三极管V的基极，其正极连接三极管V的发射极，三极管V的发射极接地，三极管V的集电极连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端接电源Vdd，其中运放IC2-A、电阻R3和电阻R4组成第一级放大电路，运放IC2-B、电阻R5和电阻R6组成第二级放大电路，运放IC2-C、电阻R7和电阻R8组成第三级放大电路，电容C2、C3为耦合电容，使用40KHz晶振JZD实现带通滤波器的功能，当然40KHz晶振JZD也可用对应频率的声表面滤波器，简化了电路结构，三极管V、电阻R9、R10和二极管VD1组成脉冲转换电路，把放大后的有用电信号转换为对应频率的脉冲信号，三极管V的集电极连接至单片机IC2的引脚1，由三极管V的集电极向单片机IC2的引脚1输入脉冲信号。

尽管超声波接收头JZR对其中心频率40KHz的超声波有很好的接收效果，但当环境噪音达到一定的强度时，超声波接收头JZR也会输出一定幅度的电信号，把该信号加以利用就可以实现环境噪音强度的检测，而采用本发明所述的超声波接收头JZR结合放大检测电路可以实现超声波回波的接收和环境噪音强度检测两种功能，一物两用，且环境噪音强度的检测功能先于超声波测距功能执行，以提醒用户选择良好的学习环境，另外过强的环境噪音也会干扰放大检测电路的正常工作，所以此项设置也可保证本发明超声波测距功能的正常发挥。

所述超声波发射头JZT直接连接单片机IC1，由单片机IC1的一个I/O口引脚15直接驱动超声波发射头JZT向外发射超声波，简化了电路结构，所述超声波发射头JZT还串联一电阻R11，降低单片机IC1和超声波发射头JZT的功耗。

所述超声波发射头JZT和超声波接收头JZR的中心频率为40KHz。

所述超声波发射头JZT和超声波接收头JZR的直径不超过10mm。

单片机电路包括一片单片机IC1和两个电源退耦滤波电容C4、C5，单片机IC1的型号为STC15W201S，封装为SOP16,它采用内部高精度RC时钟，不安装外部时钟晶振，性价比高，非常有利于降低本发明的成本和缩小本发明的体积。

电容器C4和电容器C5并联后连接在单片机IC1的引脚6与引脚8之间，引脚6连接电源Vdd,引脚8接地，单片机IC1的引脚15作为P1.0口使用，且该端口工作于强推挽输出模式，单片机IC1的引脚2、4、16工作于准双向口模式，其引脚1作为其内部定时器/计数器T0的输入端，引脚11作为单片机IC1的中断INT0的中断源输入端，且中断INT0为高级中断，并采用下降沿或低电平触发中断，单片机IC1的内部定时器/计数器T0和定时器/计数器T2选择为低级中断，且定时器/计数器T0选择为计数器，定时器/计数器T2选择为定时器，低压检测中断LVD选择为高级中断。

所述语音电路包括一只语音芯片IC3，其型号为SC8035,封装为SOP8，工作于串行工作模式，其引脚5接地，引脚4接电源Vdd，引脚4与引脚5之间连接电容C6，引脚1与引脚5之间连接电容C7,引脚6、7、8分别连接单片机IC1的引脚16、4、2，压电蜂鸣器YS串联电阻R12后连接在语音芯片IC3的引脚2与引脚3之间，所述压电蜂鸣器YS选择贴片式的。

所述压电蜂鸣器YS串联电阻R12，一方面可以使压电蜂鸣器YS的发音合适，另一方面可以大幅降低发音时的功耗。

所述双向滚珠开关SK内部包括两个对应左右倾斜动作的开关K1、K2，双向滚珠开关SK的两个开关K1、K2并联后，一端连接至单片机IC1的引脚11,，另一端接地。

设置微型双向滚珠开关SK(而不使用水银开关)用于检测头部与水平面之间的左右倾斜角度，环保节能、体积小；在用户正常的读写过程中，头部稍微向前倾斜，面部会自然地左右转动以适应读写姿势的需要，并有利于缓解疲劳，但随着身体或头部向前倾斜角度的增大，面部会开始呈现左右倾斜的姿态，即侧脸看书或写字，这一点在低年级的小学生中最明显，并且身体或头部向前倾斜的角度越大，这种姿态越有害，所以要求所述双向滚珠开关SK的水平动作角度(以水平面为基准)随人体向前倾斜角度(以垂直于水平面为基准)的增大而降低；考虑到正常的读写需要和缓解身体的疲劳，在用户使用正确的读写姿势时，双向角度开关的水平动作角度为20度～30度，所以设定双向角度开关SK的最大水平动作角度为35度(面部垂直于水平面时)，最小水平动作角度为零度(面部平行于水平面时)，对于非正常的读写姿势，如用户的头部上仰或下垂，则所述双向角度开关的水平动作角度为零度。

本发明采用测量发射超声波与接收超声波回波之间的时间差的超声波测距原理，测量用户眼睛至观察物之间的距离是否低于设定的限值，考虑到用户使用过程中可能存在手掌或其它物品的影响，该限值设定为24cm～29cm；还有，虽然超声波的传播速度与空气的温度有关，但在用户的正常学习环境温度下，该误差不超过1cm,考虑到用户的身高差异，所以本发明的超声波测距不进行温度补偿。

当工作电压Vdd低于3V时，本发明的运放IC2有可能不能正常工作，实测表明，当工作电压Vdd高于4.5V时，本发明的语音芯片IC3的功耗明显增大，所以本发明所使用的电池选择为可充电锂电池Bat，其标称电压为3.7V左右,充电限制电压为4.2V，可充电锂电池Bat采用纽扣式的，它体积小，重量轻，储能高，尽管单价较其它种类电池高，但性价比高，此处选用它最合适，若选用其它种类的电池，则为了匹配电压而需要使用升压(或降压)电路，增加了功耗，也不利于本发明的小型轻量化。

在本发明中，单片机IC1的功耗最大，约为其它电路功耗总和的3倍多，所以本发明采用使单片机IC1周期性地进入掉电模式/停机模式的方式以节约电能。

所述单片机IC1的基本工作过程为：首先启动单片机IC1的低压检测功能，当电源电压Vdd低于3V时，意味着可充电电池Bat的电压已低于放电终止电压，所述单片机IC1立即进入掉电模式/停机模式，当电源电压Vdd在3V～3.18V时，意味着可充电电池Bat的电压已接近放电终止电压，所述的单片机IC1立即控制语音电路由压电蜂鸣器YS发出“电量太低，请充电，系统将要关机”的语音提示音3次，然后单片机IC1进入掉电模式/停机模式，只有在下次开机时的电源电压Vdd高于3.18V时单片机IC1才离开掉电模式/停机模式，而进入正常的工作模式。

在正常的工作模式期间，单片机IC1周期性工作于掉电模式/停机模式和超声波测距模式两种模式；单片机IC1的超声波测距模式包括两个检测过程，即环境噪音强度的检测过程和用户眼睛至观察物之间距离的检测过程，其中环境噪音强度的检测过程先于用户眼睛至观察物之间距离的检测过程执行。

在单片机IC1进入超声波测距模式时，首先不发射超声波，而是延时10ms左右的时间，以检测其引脚1是否有环境噪音脉冲输入，若有，则单片机IC1控制语音电路由压电蜂鸣器YS发出“太吵了”的语音提示音，直到检测不到其引脚1存在环境噪音脉冲信号为止。

若检测不到单片机IC1的引脚1存在环境噪音脉冲信号，则单片机IC1通过引脚15输出若干个40KHz的电脉冲信号，由超声波发射头JZT发射超声波，由超声波接收头JZR接收该超声波的回波信号，并将相应的电信号输入放大检测电路，最后输入到单片机IC1，采用现有的测量发射超声波与接收超声回波之间的时间差的超声波测距原理检测用户的眼睛至观察物之间的距离是否低于限值，若低于限值,则单片机IC1控制语音电路由压电蜂鸣器YS发出“距离太近了，请挺直腰杆，抬起头”的语音提示音，并继续每隔2.5秒检测一次该距离，直到用户的眼睛至观察物之间的距离高于限值为止。

若用户的眼睛至观察物之间的距离高于限值，则单片机IC1退出超声波测距模式而进入掉电模式/停机模式，经过约16s的时间后单片机IC1自动唤醒而开始新一轮的超声波测距模式。

在正常的工作模式期间，单片机IC1无论处于掉电模式/停机模式还是超声波测距模式，如果因用户的头部左右倾斜过大或姿势不端正而使双向滚珠开关SK的开关K1、K2中的任何一个接通，则单片机IC1控制语音电路由压电蜂鸣器YS发出“请摆正姿势”的语音提示音，直到用户摆正姿势而使双向滚珠开关SK的开关K1、K2都断开为止，使用户养成使用正确的读写姿势的好习惯，这也有利于超声波测距功能的正常发挥。

当用户摆正姿势而使双向滚珠开关SK的开关K1、K2都断开后，单片机IC1进入超声波测距模式。

由于本发明结构紧凑，在压电蜂鸣器YS发出语音提示音过程中，通过电源内阻的耦合、声耦合或电路板的机械振动而可能使放大检测电路输出一定的脉冲，这种脉冲不利于放大检测电路的正常工作，而在压电蜂鸣器YS不发出语音提示音时则不存在这样的脉冲信号，所以要在压电蜂鸣器YS发出“距离太近了，请挺直腰杆，抬起头”的语音提示音的过程中，单片机IC1忽略其引脚1是否有脉冲输入。

双向滚珠开关SK的开关K1、K2中的任何一个接通时，有可能会出现导通不稳定的情况，即周期性间断接通的现象，会使单片机IC1周期性地进入相应的中断程序而使压电蜂鸣器YS发音不准，无法辨别，所以在单片机IC1因双向滚珠开关SK的开关K1、K2中的任何一个接通而进入中断程序时，在该中断程序的开始位置暂时关闭该中断，在压电蜂鸣器YS发完“请摆正姿势”的语音提示音后再打开该中断。

当然，在不脱离本发明的框架的情况下，还可以有其它的选择和发展以及我们能够预想得到的等效装置。

Claims (10)

1.一种防近视提醒器，包括电源电路、单片机电路、超声波发射头JZT、超声波接收头JZR、双向滚珠开关SK、放大检测电路、语音电路和压电蜂鸣器YS以及必要的外壳和头戴支架，所述双向滚珠开关SK内部包括两个对应左右倾斜动作的开关K1、K2，所述的电源电路包括锂电池充电电路、可充电锂电池Bat、单刀双掷开关K和速断熔断器FU，放大检测电路的输入端接收来自超声波接收头JZR的输出信号，其输出端连接单片机IC1，单片机IC1还连接电源电路、超声波发射头JZT、双向滚珠开关SK和语音电路，采用测量发射超声波与接收超声波回波之间的时间差的超声波测距原理测量用户眼睛至观察物之间的距离是否低于设定的限值，所述语音电路驱动压电蜂鸣器YS发出提示语音，单片机IC1根据输入的检测信号控制语音电路由压电蜂鸣器YS发出提示语音，让用户纠正姿势，防止近视，所述的电源电路、单片机电路、超声波发射头JZT、超声波接收头JZR、双向滚珠开关SK、放大检测电路、语音电路和压电蜂鸣器YS安装在一块PCB板上，该PCB板安装在外壳内，其中的电源电路或电源电路中的可充电锂电池Bat也可不设置在该PCB板上，而是单独设置在其它位置的外壳内，用头戴支架把本发明安装在用户头部的左侧或右侧，且位于耳朵的前面靠近眼睛的位置，超声波发射头JZT、超声波接收头JZR和两只眼睛为一条直线布置，其特征在于：

超声波发射头JZT直接连接单片机IC1，由单片机IC1直接驱动超声波发射头JZT向外发射超声波，而不采用专门的驱动电路；

超声波接收头JZR与放大检测电路结合实现超声波回波的接收和环境噪音强度的检测两种功能；

所述双向滚珠开关SK用于检测头部与水平面之间的的左右倾斜角度，在用户正常的读写过程中，双向滚珠开关SK的水平动作角度随人体向前倾斜角度的增大而减小。

2.根据权利要求1所述的防近视提醒器，其特征在于：在用户正常的读写过程中，所述双向滚珠开关SK的最大水平动作角度为35度，最小水平动作角度为零度，若用户的头部上仰或下垂，则所述双向角度开关的水平动作角度为零度，在用户使用正确的读写姿势时，双向角度开关的水平动作角度为20度～30度。

3.根据权利要求1所述的防近视提醒器，其特征在于：所述锂电池充电电路包括一片锂电池充电管理芯片IC4，此锂电池充电管理芯片IC4的型号为TP4056,封装为SOP8，其引脚1和引脚3接地，引脚2与地之间接电阻R13，引脚4、引脚8、发光二极管VD2的正极和发光二极管VD3的正极连接在一起，引脚4与地之间接电容4后通过5V端连接到外部的5V电源适配器，由外部的5V电源适配器提供充电电源，引脚7与发光二极管VD2的负极之间连接电阻R14,引脚6与发光二极管VD3的负极之间连接电阻R15,引脚5连接单刀双掷开关K的分电极1处，单刀双掷开关K的公共电极0连接可充电锂电池Bat的正极，可充电锂电池Bat的负极接地，单刀双掷开关K的分电极2串联速断熔断器FU，所述的电源电路由电源端Vdd向各单元电路供电，其中发光二极管VD2、VD3分别用于指示正在充电和停止充电，设置速断熔断器FU用于保护可充电锂电池Bat；

所述放大检测电路实现对输入信号的放大、带通滤波和转换成脉冲信号的功能，它包括一片运放IC2,所述运放IC2为通用集成四运放LM324,封装为SOP14,运放IC2-A、运放IC2-B和运放IC2-C是IC2中的三个运放，运放IC2的正电源端接电源Vdd,负电源端接地，电容C9与电容C10并联后连接至运放IC2的正电源端与负电源端之间，所述超声波接收头JZR的一端接地，另一端连接电阻R3，电阻R4的一端连接运放IC2-A的输出端，另一端连接电阻R3，运放IC2-A的反相输入端连接电阻R3与R4的公共连接点上，电容C2的一端连接运放IC2-A的输出端，另一端连接电阻R5，电阻R6的一端连接运放IC2-B的输出端，另一端连接电阻R5，运放IC2-B的反相输入端连接电阻R5与R6的公共连接点上，使用晶振JZD实现带通滤波的功能，晶振JZD的谐振频率与超声波接收头JZR的谐振中心频率相同，晶振JZD的一端连接运放IC2-B的输出端，另一端连接电阻R7，电阻R8的一端连接运放IC2-C的输出端，另一端连接电阻R7，运放IC2-C的反相输入端连接电阻R7与R8的公共连接点上，电阻R2与电容C1并联后一端接地，另一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接运放IC2的正电源端，电阻R1、电阻R2和电容C1三者相连的公共节点处连接至运放IC2-A、运放IC2-B和运放IC2-C的同相输入端，电容C3的一端连接运放IC2-C的输出端，另一端连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接三极管V的基极，二极管VD1的负极连接三极管V的基极，其正极连接三极管V的发射极，三极管V的发射极接地，三极管V的集电极连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端接电源Vdd，其中运放IC2-A、电阻R3和电阻R4组成第一级放大电路，运放IC2-B、电阻R5和电阻R6组成第二级放大电路，运放IC2-C、电阻R7和电阻R8组成第三级放大电路，电容C2、C3为耦合电容，使用40KHz晶振JZD实现带通滤波器的功能，当然40KHz晶振JZD也可用对应频率的声表面滤波器，三极管V、电阻R9、R10和二极管VD1组成脉冲转换电路，把放大后的有用电信号转换为对应频率的脉冲信号，三极管V的集电极连接至单片机IC2的引脚1，由三极管V的集电极向单片机IC2的引脚1输入脉冲信号；所述双向滚珠开关SK的两个开关K1、K2并联后，一端连接至单片机IC1的引脚11，另一端接地；

超声波发射头JZT的一端连接单片机IC1的引脚15，其另一端经电阻R11接地；所述超声波发射头JZT和超声波接收头JZR的中心频率为40KHz；

所述语音电路包括一只语音芯片IC3，其型号为SC8035,封装为SOP8，工作于串行工作模式，其引脚5接地，引脚4接电源Vdd，引脚4与引脚5之间连接电容C6，引脚1与引脚5之间连接电容C7,引脚6、7、8分别连接单片机IC1的引脚16、4、2，压电蜂鸣器YS串联电阻R12后连接在语音芯片IC3的引脚2与引脚3之间，所述压电蜂鸣器YS是贴片式的。

4.根据权利要求1所述的防近视提醒器，其特征在于：本发明采用测量发射超声波与接收超声波回波之间的时间差的超声波测距原理，测量用户眼睛至观察物之间的距离是否低于设定的限值，该限值设定为24cm～29cm。

5.根据权利要求1所述的防近视提醒器，其特征在于：所述的单片机电路包括单片机IC1、电容器C4和电容器C5,所述单片机IC1的型号为STC15W201S，封装为SOP16，采用内部高精度RC时钟，不安装外部时钟晶振，电容器C4和电容器C5并联后连接在单片机IC1的引脚6与引脚8之间，引脚6连接电源Vdd,引脚8接地，单片机IC1的引脚15作为P1.0口使用，且设定该端口工作于强推挽输出模式，单片机IC1的引脚2、4、16工作于准双向口模式，其引脚1作为其内部定时器/计数器T0的输入端，引脚11作为单片机IC1的中断INT0的中断源输入端，且中断INT0为高级中断，并采用下降沿或低电平触发中断，单片机IC1的内部定时器/计数器T0和定时器/计数器T2选择为低级中断，且定时器/计数器T0选择为计数器，定时器/计数器T2选择为定时器，低压检测中断LVD选择为高级中断。

6.根据权利要求1所述的防近视提醒器，其特征在于：启动单片机IC1的低压检测功能，当电源电压Vdd低于3V时，所述单片机IC1立即进入掉电模式/停机模式，当电源电压Vdd在3V～3.18V时，所述的单片机IC1立即控制语音电路由压电蜂鸣器YS发出“电量太低，请充电，系统将要关机”的语音提示音3次，然后单片机IC1进入掉电模式/停机模式，只有在下次开机时的电源电压Vdd高于3.18V时单片机IC1才离开掉电模式/停机模式，而进入正常的工作模式；在正常的工作模式期间，本发明采用使单片机IC1进入掉电模式/停机模式的方式以节约电能，所以单片机IC1周期性工作于掉电模式/停机模式和超声波测距模式两种模式；单片机IC1的超声波测距模式包括两个检测过程，即环境噪音强度的检测过程和用户眼睛至观察物之间距离的检测过程，其中环境噪音强度的检测过程先于用户眼睛至观察物之间距离的检测过程执行；

在单片机IC1进入超声波测距模式时，首先不发射超声波，而是延时10ms左右的时间，以检测其引脚1是否有环境噪音脉冲输入，若有，则单片机IC1控制语音电路由压电蜂鸣器YS发出“太吵了”的语音提示音，直到检测不到其引脚1存在环境噪音脉冲信号为止；

若检测不到单片机IC1的引脚1存在环境噪音脉冲信号，则单片机IC1通过引脚15输出若干个40KHz的电脉冲信号，由超声波发射头JZT发射超声波，由超声波接收头JZR接收该超声波的回波信号，并将相应的电信号输入放大检测电路，最后输入到单片机IC1，采用现有的测量发射超声波与接收超声回波之间的时间差的超声波测距原理检测用户的眼睛至观察物之间的距离是否低于限值，若低于限值,则单片机IC1控制语音电路由压电蜂鸣器YS发出“距离太近了，请挺直腰杆，抬起头”的语音提示音，并继续每隔2.5秒检测一次该距离，直到用户的眼睛至观察物之间的距离高于限值为止；

若用户的眼睛至观察物之间的距离高于限值，则单片机IC1退出超声波测距模式而进入掉电模式/停机模式，经过约16s的时间后单片机IC1自动唤醒而开始新一轮的超声波测距模式；

在正常的工作模式期间，单片机IC1无论处于掉电模式/停机模式还是超声波测距模式，如果因用户的头部左右倾斜过大或姿势不端正而使双向滚珠开关SK的开关K1、K2中的任何一个接通，则单片机IC1进入相应的中断程序而控制语音电路由压电蜂鸣器YS发出“请摆正姿势”的语音提示音，直到用户摆正姿势而使双向滚珠开关SK的开关K1、K2都断开为止；

当用户摆正姿势而使双向滚珠开关SK的开关K1、K2都断开后，单片机IC1进入超声波测距模式。

7.根据权利要求6所述的防近视提醒器，其特征在于：在单片机IC1因双向滚珠开关SK的开关K1、K2中的任何一个接通而进入中断程序时，在该中断程序的开始位置暂时关闭该中断，在压电蜂鸣器YS发完“请摆正姿势”的语音提示音后再打开该中断。

8.根据权利要求6所述的防近视提醒器，其特征在于：在压电蜂鸣器YS发出“距离太近了，请挺直腰杆，抬起头”的语音提示音的过程中，单片机IC1忽略其引脚1是否有脉冲输入。

9.根据权利要求1、3之任一项所述的防近视提醒器，其特征在于：可充电锂电池Bat采用纽扣式的，其标称电压为3.7V左右,充电限制电压为4.2V。

10.根据权利要求1所述的防近视提醒器，其特征在于：所述超声波发射头JZT和超声波接收头JZR的直径不超过10mm。