创新训练项目申请书1.doc

北京林业大学
大学生创新创业训练计划
创新训练项目申请书

项目名称：
基于单片机的视力保护器的研究与设计
主 持 人：
李骁
专业年级
电子信息科学与技术12级
联系电话：

电子邮箱：
@
指导教师：
张黔
学 院
理学院
申请日期：
2014 年 4 月 12 日

北京林业大学
一、项目基本情况
项目简介
项目名称
基于单片机的视力保护器的研究与设计
项目类别
（ ）国家级 （ ）北京市级 （ √ ）校级
项目所属一级学科

电子与通信技术
申请经费
（元）
3000
起止年月
2014年5月至 2015 年3月
主持人
姓 名
性别
学号
专业年级
联系电话
电子邮箱
李骁
男

电子12级

@
项目组其他成员
姓名
性别
学号
专业年级
所在学院
项目分工
钟兴
男

电子12级
理学院
硬件设计
王彬媛
女

电子12级
理学院
硬件设计
王振中
男

电子13级
理学院
软件设计
刘炳言
男

电子13级
理学院
软件设计
指导教师
姓名
性别
年龄
职称
职务
所在学院
张黔
女
38
实验师
无
理学院
研究方向
电气工程
联系电话

电子邮箱
@
二、项目立项依据
（一）项目研究意义（限300字）
21世纪以来，青少年的学业压力越来越大。资料显示，我国小学生视力低下率为26.96%，初中生53.43%，高中生72.8%，大学生77.95%。学生近视在我国已成为一个日益严重的社会问题。在近视以后，如果不加以治疗，任其自由发展，那么孩子的一生都将与厚厚的镜片为伴，影响了正常的生活。目前还有激光切除手术，但是它破坏了人体的自然完整，也影响了眼部微生物环境，其实对于身心健康也有害处。因此，解决近视的最好方法就是从根本上预防近视眼的发生。综上所述，我们有必要设计一款视力保护器进行防范。从而纠正人们读写的不良姿势，习惯。避免给人们的身心带来伤害。尤其对学生群体而言，可帮助学生矫正坐姿，改善学习环境，培养学生良好的学习习惯，保护学生视力。
（二）国、内外研究现状和发展动态，并附主要参考文献（限1000字）
由于视力问题越来越普遍，目前国内外已经有了些关于视力保护器的产品。国内在视力保护器这方面的研究现状是：视力保护器主要是针对坐姿问题的，重点在于矫正人们的坐姿，能够有效地对人们不正确的坐姿进行语音提醒，促使人们改变自己的不良坐姿，从而达到视力保护的作用。相关的产品有广东向鼎公司生产的“金太子”牌视力保护器、网上热卖的四个一多功能视力保护器和“学生1.5视力保护器。这三种产品都是针对坐姿矫正的，并不是真正意义上的多功能视力保护器。也就是说，国内的视力保护器功能比较单一，缺乏人性化服务，外观单调，缺少个性，还是不能满足人们的需求，有待向多功能和个性化、人性化方向改进。
而国外在视力保护这方面的研究则主要是在近视的原因这方面，是从个人主观的角度研究的，重在提醒人们应该怎么做才能保护视力，而不是从客观上的实体辅助物件来帮助人们保护视力。他们认为更应该通过合理的饮食搭配和正确的学习方式来保护视力。
综上所述，市场上还不存在较为实用和人性化的多功能视力保护器。所以，面对日益严峻的视力问题，视力保护器这方面还有很大的研究空间，可以有很大的提升。
在视力保护器技术上，市场上的很多产品都是支撑型的，也就是用固定的支架来强制地改变人们的坐姿，用强硬的手段使人们保持正确的姿势来看书、写字。这种方面虽然有一定的作用，但是也会让人们觉得缺乏人性化，不够个性，太呆板了，很容易让人们对它产生厌倦。
目前还有一种用于视力保护器的技术是超声波技术及相应的硬件设计。实验室里主要用的是单片机[1][2]，它原理较为简单，又能够方便地实现视力保护器的基本功能。在硬件设计中，基于超声波技术的视力保护器，通过超声波接收端对超声波信号的接收处理，实现对距离的测定。通过实验，这种技术可行，但是也存在一些问题，比如说没有光线控制报警功能（不合理的光线强度也会对视力产生不利影响）[3][4]；报警的方式太单一，用的是蜂鸣器；没有记忆功能，不能够通过对使用者每一次使用时出现的不良的读书方式进行记录，并给出历史记录数据，以便使用者对自己的读书习惯进行改进。该设计的研究，能够为后期进一步改进视力保护器提供参考的依据。
参考文献：
【1】孙育才.MCS-51系列单片机微型计算机及其应用.南京：东南大学出版社，2004
【2】徐新民.单片机原理与应用[M].杭州：浙江大学出版社，2007.
【3】康华光.电子技术基础模拟部分.北京：高等教育出版社，2005
【4】王卫东.模拟电子电路基础.西安：西安大学出版社，2003
三、项目研究内容
（一）项目研究内容（限600字）
鉴于单片机芯片的智能处理功能，本设计采用理论计算和实验验证的方法相结合的以单片机芯片为核心的主体电路。首先是对各单位电路进行设计，并选择合适的元器件。在选择元器件时，要注意所选芯片的性价比，对于电阻、电容等常用元件要先进行参数计算后再选择。其次是设计整个电路，并在计算机上对各个单元电路进行相应功能的调试仿真。其中以单片机为核心，以测距传感器，时钟电路，LCD显示器偏心电动机，发光二极管，蓝牙模块组成外部电路。该设备将对眼距书本距离，光线强度以及读写时间这三个参数实施精确的数据采集、处理、分析功能。本设备将采用硬软件结合的方式，利用单片机的语言进行编程。本次设计的研究内容是设计一个多功能视力保护器并制作一个配套的app。它具有以下功能：
1.当使用者头部与书桌之间的距离过近时（小于40cm），电路将发出提示；
2.当读写环境光线照度不足时，电路将发出提示；
3.当使用时间达到50分钟时，电路自动发出提示，提醒使用者注意休息；
4.提示方式可转换，将有震动与铃声两种提示方式，可以在课堂上等不适宜铃声提示的地方使用振动模式；
5.将使用正确姿势进行读写的时间记录下来，通过蓝牙模块同步手机，通过app可以将数据发送到微信朋友圈，可以与其他使用者进行对比竞争。
能够真正帮助学生做到国家教委规定的：学生在读写时，应当在一定亮度下，眼离读物一尺，身离书桌一拳。
（二）项目研究拟解决的关键问题（限300字）
本实验需要解决的关键问题有两点。
一是使用超声波测距。超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。在实际的测量过程中，超声波测距测量的距离因人而异，需要在软件上加入身高等变量，在算法上进行一定的优化。
二是软件的设计。实验中软件需要达到两个目的。一个是对与坐姿有关的三个变量进行测量，然后判断出是否符合标准的坐姿要求，对使用者进行提醒。还有一个是要实现两种不同的提醒方式的自由切换，以及强度大小的调节，以适应不同的使用场合。

提醒部分
四、项目实施方案
（一）项目研究拟采取的研究方法、技术路线、实验方案（限1000字）
研究方法
首先进行系统框架设计，在此基础上进行硬软件设计。在实验室完成对眼距书本距离，光线强度以及读写时间这三个参数进行检测的电子线路设计、安装与调试，通过后放到实际中进行检验与调试。在本设备中，对于距离的测量会有一定的误差，所以在软件的设计以及算法的使用上进行弥补也是本项目的关键。
借助现有设备和已研发的科研成果，将传感器的筛选，硬件的设计、安装、调试，软件的设计调试并行开展，以提高速度，加快研究进度。
技术路线
一、总体结构
1.监测模块：实现对眼距书本距离，光线强度以及读写时间这三个参数的收集；
2.控制核心模块：对收集的监测值进行运算处理,并发送控制命令；
3.控制实现模块：执行控制命令的机构，包括偏心电动机，播放器等；
4.蓝牙模块：将检测数据同步到其他终端实现共享。
偏心电动机
MCU
驱动电路
二、硬件设计
超声波发射器

提醒部分
测距部分

发光二级管
超声波接收器

LCD显示

时钟电路
时钟定时

播放器
数据存储器

语音处理芯

蓝牙模块

按键控制

三、软件设计
整个软件系统采用汇编语言以及高级语言c进行开发，操作平台是windows 7.系统的软件部分主要实现的功能有（1）能对于眼距书本距离，光线强度以及读写时间进行分析，对于不良的读写习惯及时提醒（2）主屏幕上能显示距离，光线强度，学习时间等信息（3）当坐姿不良，光线不佳或学习时间过长时，能通过振动或铃声来提示（4）配套的app可以通过蓝牙接收数据并具备简单的排名功能 。
系统软件设计
主程序负责初始化、测量及其子程序的调用，各子程序负责数据的采集、控制计算、控制输出，状态显示等功能。主程序框图如下图所示。

开始

初始化

测量眼距书本距离

判断距离是否合适
N

提醒功能报警
Y
Y
N
测量光线强度
判断光线是否合适
测量看书时间
N
Y
判断时间是否过长

实验方案
实验目的：
通过模块化的设计，以及硬软件的结合，以单片机为核心制作一个多功能的视力保护器
实验仪器：
单片机，PC机，测距传感器，时钟电路，LCD显示器，偏心电动机，发光二极管，蓝牙模块以及电路元件等
实验步骤：
1.按以上内容进行，制作出一个基于单片机的视力保护器；
2.在将视力保护器在实际环境下进行测试，并对系统程序进行调试，使之更加符合实际使用情况；
3.对视力保护器的其他细节进行完善。

（二）项目实施年度计划

二
〇
一
四
5月——6月：查询有关资料，学习单片机，汇编语言等方面的知识，为研究课题作准备；
7月——8月：开始进行制作，软件进行编程，硬件开始组件电路；
9月——12月：将硬件与软件结合起来，能初步做出视力保护器的雏形。

二
〇
一
五
1月——3月：对机器进行各种测试，进一步的优化与设计，并撰写研究报告。
五、项目研究基础
（一）与本项目有关的研究积累和已取得的成绩（限300字）
在电子技术试验，我们成功将小信号放大，并制成简易喇叭。在工艺实习时，能成功焊接元器件。软件设计，我们可以成功的编写一些程序。
并且在过去的两年大学生活里，我们学习了电路原理以及模拟电路等课程，拥有一定的专业知识。并且对于软件编写也有了一定的知识。
（二）已具备的研究条件、设备条件等（限200字）
现有技术可行性分析：
玻璃水银导电开关，陶瓷电容器，电解电容器，晶体三极管，扬声器，电路板，电子电池等设备在市场上易于采购。语音集成模块及内置语言命令程序等可由队员进行自行设计制作。
研究工作准备情况：
电路知识，模拟电子知识和C语言编程等研究准备工作课题组有成员已掌握，有较大的技术可行性，并且学院实验室可以提供本项目研究所需的仪器设备。

（三）尚缺少的条件及解决方法（限200字）
由于我们这个队伍是大一和大二的组成，目前单片机之类的课程还没有接触，并且，我们现阶段缺少经验将课本知识应用于实际生活中；
解决办法：平时珍惜实验课时间，认真做实验，并踏实的学习课本知识，为实践打下良好的基础；除此之外努力创造动手机会并努力学习获取经验。并且自学这个项目所涉及的课程，每周经验交流，促进共同进步。

六、项目特色、创新点及预期成果
（一）项目的特色与创新点（限300字）
1. 使用软件算法来使测量值更加精确；
2. 在提醒模块加入了两种模式以及强度的调整，以适应不同的需求与使用环境；
3. 使用配套的app，可以将使用者每天的读写时间等数据通过蓝牙发送到微信朋友劝，同时也可以看到其他使用者的学习情况。可以起到促进学习的良性竞争情况。
（二）项目预期成果及成果提交方式（限300字）
1、项目预期成果
1）设计出一个完整的视力保护器，能在眼离书过近，光线过暗，读写时间过长的时候进行提醒；
2）设备记录的读写时长以及光线强度等数据能通过蓝牙传输到其他设备，以进行数据的对比及总结
2、成果提交方式
1）撰写一部项目研究报告；
2）制作一个视力保护器的样品；
3) 争取发表一篇论文。

附录：
项目经费预算
支出科目
预算金额
（元）
具体支出内容
预算编制依据
合计
3000

1.实验材料费
1500
购买实验所需的各种器件，包括单片机测距传感器，时钟电路，LCD显示器偏心电动机，发光二极管，蓝牙模块等
这些是制作视力保护器所需要使用的元器件
2.设备费
（购置的设备在项目结题后须交还学校）
/
/
/
3.图书资料购置费
（购置的图书资料在项目结题后须交还学校）
300
单片机的项目开发实例，各种程序语言的应用方面的书籍
这些是执行该项目所需要学习的内容，需要购买书籍来补充
4.项目办公费
（记录本、笔、复印纸、文件夹、档案袋、光盘、电池等物品购置费，邮费、打印费、复印费等）
100
记录本、笔、复印纸、文件夹、档案袋、光盘、电池等物品购置费，邮费、打印费、复印费等
方便小组成员办公
5.测试化验加工费
400
单片机电路板的加工费等
项目中需要用到的设备中有的需要单独加工
6.论文发表费
500
发表论文
/
7.知识产权事务费
（如申请专利、软件著作权等）
/
/
/
8.文献及信息检索费
/
/
/
9.专家咨询费
/
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10.京外调研费
/
/
/
11.市内调研交通费
/
/
/
12.参加项目相关学术交流会议会务费
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13.项目研究成果参赛费
/
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/
14.其他支出
/
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