一种智能护目机器人的制作方法

本实用新型属于护目设备技术领域，特别是涉及到一种智能护目机器人。

背景技术：

目前，我国青少年儿童近视发病率已居世界第二位，从2010年世卫组织发布的数据中，中国有至少31％的人口患有近视，在校学生近视率日渐上升,其中大学生达70％、中学生达30％～40％、小学生已达20％。由于我国人口众多，近视人数远多于其他国家，并呈现出“总体人数越来越多，初始患者年龄越来越小”的发展趋势。约70％的近视新发病例都出现在青春发育阶段。因此，近视问题必须引起家庭和社会的重视。鉴于近视属于不可康复的健康缺陷，为有效制止国民视力状况持续恶化，我们必须认识到保护视力的重要性。

而当前，由于中、小学生的课业压力大，夜间学习几乎已经是家常便饭，甚至有的学生需要每天学习到深夜。而伴随着夜间学习不可缺少的就是照明台灯。现在市场上销售的台灯种类众多，但多为手动式调光台灯，即手动转动调光旋钮来改变台灯亮度。很多时候学生对于灯光亮度调整不及时如傍晚到晚上这段时间，导致环境光线不足，在这种情况下长时间学习造成眼睛疲劳，影响视力。即便是光线良好的条件，在长时间、近距离的学习状态下，内外眼肌僵化，也会引发近视症。所以我们需要对于照明光线和学习时间进行有效控制。

引发青少年近视的另一个重要原因就是坐姿不当。长时间的工作和学习自然会导致身体乏累，由于学业或工作的压力，大部分人不是选择去休息，而是找寻一个比较舒服的姿势继续学习或者工作，比如趴桌子上或者跷二郎腿。这恰恰是最错误的方式。坐姿不当不仅仅会引发近视，还会导致脊椎畸形、腰痛、失眠和颈椎疾病等。对于青少年来说，纠正和保持正确的坐姿是非常重要的。

综上所述，因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种智能护目机器人，可根据光线自动调节护目灯的光照强度，具有基于视频图像的青少年坐姿检测，并提醒用户纠正坐姿，具有可实时监测室内环境的温度、湿度、二氧化碳浓度，学习时间定时功能，眼保健操音频播放功能和设备延时自动关闭功能。

为实现上述技术目的，本实用新型采用如下的技术方案：

一种智能护目机器人，其特征是：包括单片机、光线传感器、温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、摄像头模块、用户输入键盘、显示器、报警蜂鸣器、眼保健操音频播放装置及护目灯装置，所述单片机分别与光线传感器、温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、摄像头模块、用户输入键盘、显示器、报警蜂鸣器、眼保健操音频播放装置及护目灯装置通信连接；所述报警蜂鸣器的响应端与单片机通信连接，报警蜂鸣器包括蜂鸣器及驱动电路，其中蜂鸣器与驱动电路连接；所述眼保健操音频播放装置一端与单片机通信连接，另一端与外接扬声器连接；所述护目灯装置包括护目灯、继电器、配置电路及驱动电路，其中继电器的执行端通过配置电路与护目灯连接，控制端通过驱动电路与单片机连接。

进一步，所述温湿度传感器为数字式温湿度传感器。

进一步，所述用户输入键盘上设置有0～9之间十个整数数字键、一个眼保健操音频播放开关键、一个护目灯开关键、一个定时学习按键、一个坐姿检测与调整按键。

进一步，所述显示器为TFT屏幕显示器。

通过上述设计方案，本实用新型可以带来如下有益效果：本实用新型提供一种智能护目机器人，单片机读取光线传感器、温湿度传感器和二氧化碳浓度传感器的值后，对这些参数进行处理，从而实现在外部光照变化时，可根据光线自动调节护目灯光照强度，并将温湿度、二氧化碳浓度参数显示在显示器屏幕上，报警蜂鸣器具有报警和提醒功能，摄像头模块用于图像采集，可以通过图像检测到用户当前的坐姿，并显示在显示器的屏幕上，当用户坐姿有问题的时候，报警蜂鸣器会报警提醒用户，同时显示器屏幕上也会有图像提醒；眼保健操音频播放装置与外接扬声器连接，用于播放眼保健操音乐，用户伴随音乐做眼保健操，缓解眼睛疲劳，达到保护眼睛的目的，整个装置稳定可靠，并且电路原理简单，智能化高，应用领域广，具有很强的应用和推广价值。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明：

图1是本实用新型一种智能护目机器人的结构框图。

图2是图1中单片机电路原理图。

图3是图1中光线传感器电路原理图。

图4是图1中温湿度传感器电路原理图。

图5是图1中二氧化碳浓度传感器电路原理图。

图6是图1中摄像头模块电路原理图。

图7是图1中用户输入键盘电路原理图。

图8是图1中显示器电路原理图。

图9是图1中报警蜂鸣器电路原理图。

图10是图1中眼保健操音频播放装置电路原理图。

图11是图1中护目灯装置电路原理图。

图12是本实用新型一种智能护目机器人的工作流程图。

图中：1-单片机、2-光线传感器、3-温湿度传感器、4-二氧化碳浓度传感器、5-摄像头模块、6-用户输入键盘、7-显示器、8-报警蜂鸣器、9-眼保健操音频播放装置、10-护目灯装置、1001-护目灯、1002-继电器。

具体实施方式

如图1所示，一种智能护目机器人，其特征是：包括单片机1、光线传感器2、温湿度传感器3、二氧化碳浓度传感器4、摄像头模块5、用户输入键盘6、显示器7、报警蜂鸣器8、眼保健操音频播放装置9及护目灯装置10，所述单片机1分别与光线传感器2、温湿度传感器3、二氧化碳浓度传感器4、摄像头模块5、用户输入键盘6、显示器7、报警蜂鸣器8、眼保健操音频播放装置9及护目灯装置10通信连接；所述报警蜂鸣器8的响应端与单片机1通信连接，报警蜂鸣器8包括蜂鸣器及驱动电路，其中蜂鸣器与驱动电路连接；所述眼保健操音频播放装置9一端与单片机1通信连接，另一端与外接扬声器连接；所述护目灯装置10包括护目灯1001、继电器1002、配置电路及驱动电路，其中继电器1002的执行端通过配置电路与护目灯1001连接，控制端通过驱动电路与单片机1连接。

下面结合图2～图12对本实用新型的一种智能护目机器人的工作原理及性能做进一步说明：

单片机1采用恩智浦公司的MK60DN512ZVLQ10(简写为K60)单片机芯片，该芯片接口丰富，运算速度快，价格相对便宜。在实施过程中，单片机1作为整个系统的核心部分，一定要保证其供电的稳定性，实际中K60单片机1采用3.3V电源供电，在图2中，单片机1的P0中，标号为8、40、48、61、75、89的VDD引脚作为P0供电的电源输入端，标号为9、41、49、60、74、88的VSS引脚为P0电路的公共接地端，按钮加阻容电路设计的复位电路接入P0中的RESET引脚；单片机1的晶振电路连接到P0的EXTAL引脚、XTAL引脚上；程序下载端口JTAG，其中1端口与P0VDD相连，2、3端口接P0的VSS，4端口空，5端口接38引脚PTA4，6端口接27引脚，7接34引脚，8端口接36引脚，9端口接35引脚，10端口接到P0的RESET引脚；单片机1模块内含有有大量的电容、电感，旨在为P0提供稳定的A/D基准电压VDDA、VSSA和VREFH、VREFL。P0中其他所有的I/O口单独引出，供外部设备连接使用。

光线传感器2、温湿度传感器3、二氧化碳浓度传感器4及摄像头模块5，依次采集环境中的光线、温度、湿度、二氧化碳浓度和图像信息，并将采集到的信息发送到单片机1中，供单片机1进行处理，

光线传感器2：采用光敏电阻元件，外部电源VCC为5V标准电压，滑动变阻器可以调整电路中光敏电阻的基准电压。在外部光照变化时，光敏电阻阻值会发生变化，这时光敏电阻两端的电压值也随之发生变化，将这个电压值送入单片机1中，通过A/D读取处理就可以得知当前环境光照情况。图3中，K接口1、3端口连接外部电源VCC和GND，2端口接单片机1中的A/D接口PTA7口。

温湿度传感器3：温湿度传感器模块DHT11，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，采用单线接口方式，一条连接线实现双向数字通讯，数据可直接使用，无需处理。测量范围为湿度20％～90％RH，温度0～50℃。供电电压为5V标准电压。图4中DHT11模块的1、3引脚连接电源的GND和VCC，2引脚接单片机1中的PTC0口。

二氧化碳浓度传感器4：MH-Z19二氧化碳浓度传感器4是一个通用型、小巧型传感器，利用非色散红外(NDIR)原理对空气中存在的CO2进行探测，具有很好的选择性，无氧气依赖性，工作寿命长。内置温度补偿；同时具有数字输出与波形输出。实际使用时，我们通过UART串口协议读取气体浓度值，即单片机1的RXD端口接传感器的TXD口，单片机1的TXD端口接传感器的RXD口。所以在图5中，二氧化碳浓度传感器4的1、2引脚分别接单片机1中的PTB11和PTB10口，3、4引脚接电源的GND和VCC。供电电压为5V标准电压。

摄像头模块5：采用OV7620摄像头模块用于图像采集，摄像头模块5的1、2引脚分别接电源的GND和VCC端，为整个摄像头模块5提供电源，供电电压为5V标准电压；3引脚SDA是摄像头模块5的IIC数据口，4引脚SCL是摄像头模块5的IIC时钟口，分别接单片机1的PTC7口和PTC6口；5引脚HREF是行图像同步输出，经过1K欧姆的电阻后连接单片机1的PTC17口；6引脚PCLK是像素图像同步输出，经过1K欧姆的电阻后连接单片机1的PTC18口；7引脚VSYN是场图像(整幅图像)同步输出，这里不使用它；8引脚FOOD是奇偶场图像的同步输出引脚，这里同样经过1K欧姆的电阻后连接单片机1的PTC16口；9引脚接GND；10引脚VTO是用来进行数字视频输出的，在本实用新型中不需要该口；标号11至18的Y0～Y7引脚是图像数据输出口，分别接单片机1的PTC8～PTC15口进行单片机1数据采集。

用户输入键盘6是本实用新型的智能护目机器人与用户进行交互的方式，用户可以通过键盘输入对智能护目机器人进行控制，操作简单易学。用户输入键盘6采用4*4薄膜键盘，此键盘成本低，单片机1接口占用教少，可以实现开关、数字等多种功能输入。实际工作时，用户输入键盘6上设置有功能键和数字键，数字键用于输入0～9的数字；功能键为单片机1功能响应，具体功能有眼保健操音乐播放、护目灯开关、坐姿调整、定时学习等。内部电路原理图如图7所示，1～8端口分别连接单片机1中PTD0～PTD7口。

显示器7为人机交互的界面，可以显示出环境参数和用户坐姿图像的信息，TFT屏幕显示器7：TFT(ThinFilmTransistor)是指薄膜晶体管，意即每个液晶像素点都是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动，从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息，是目前最好的LCD彩色显示设备之一。该屏幕清晰度可调，适应性好，且成本相对较低。显示器7的内部模块引脚较多，如图8所示，其中1、3引脚分别接外部电源GND和VCC，5V标准电压，用于给显示器7供电；2、4、6、8、10、12、14、16引脚分别接单片机1的PTB0～PTB7，5、7、9引脚接单片机1的PTE2口、PTE3口和PTE4口，11、13、15、17、19、21、23、25、27引脚接单片机1的PTB16～PTB23，29引脚接单片机1的PTE1口，33引脚接单片机1的PTE0口，30、32、34、36引脚分别接单片机1的PTA17、PTA15、PTA16、PTA14口，37引脚接滑动变阻器R13，用于调节屏幕亮度。

报警蜂鸣器8，由于蜂鸣器实际工作时电流较大，单片机1不能直接驱动，所以采用三极管放大电路作为蜂鸣器的驱动电路。图9中Q1为8050型三极管，LS1为蜂鸣器，报警蜂鸣器8的响应端口接单片机1的PTC4口。实际工作中可以起报警、提示等功能。

眼保健操音频播放装置9采用WT588D-16P芯片，该芯片简单、可靠，输出稳定，可以存储多种类型的MP3格式的音乐。实际使用中，器内部存储有已下载的眼保健操音乐。电路图如图10所示，眼保健操音频播放装置9模块1引脚通过按键开关与GND相连，起复位作用；3、4引脚外接扬声器，用于播放音乐；8引脚接电源GND端；14、16引脚接外部电源VCC端，供电电压为5V标准电压；13引脚接单片机1的PTA9口，用于控制播放启/停，15引脚通过一个发光二极管和电阻与VCC相连，可指示是否处于播放状态。

护目灯装置10，护目灯1001与电阻和电源串联相接，改变电路中的电阻就可以达到调节护目灯1001灯光亮度的目的。整个护目灯装置10模块有3个继电器1002单元K1、K2、K3和4组电阻(1个基准电阻和3个配置电阻)，每个继电器1002单元的执行端是单刀单掷开关，控制一组配置电阻，4组电阻和护目灯1001依次串联起来。继电器1002执行端分别与电路中的配置电阻相并联，继电器1002控制端通过1N4007二极管、2N3904三极管以及电阻构成的驱动电路与单片机1相连。图11中的T接口3引脚接单片机1的PTC1口，2引脚接单片机1的PTC2口，1引脚接单片机1的PTC3口，使单片机1分别控制K1、K2、K3三个继电器。

整体工作流程：

设备启动时，首先系统进行初始化，与此同时护目灯1001以最低亮度打开照明。随后，各个传感器开始工作，单片机1读取光线传感器2、温湿度传感器3和二氧化碳浓度传感器4的值后，对这些参数进行处理，根据外部环境情况单片机1自动调节护目灯1001灯光，并将温湿度、二氧化碳浓度显示在设备TFT屏幕中，同时单片机1要一直检测用户输入键盘6的功能键是否有按下。整体流程图如图12所示。

用户输入键盘6上的功能键有四个，分别是眼保健操音频播放开关键、护目灯开关键、定时学习按键及坐姿检测与调整按键。当用户选择眼保健操音乐播放与停止该功能时，播放眼保健操的音乐，同时辅助以柔和的灯光，让用户进行眼保健操；在眼保健操进行时，显示器7的屏幕上有二极管显示，这时再按下该功能键，眼保健操可以暂停；在一段时间里连续按下两次该功能键，眼保健操结束。当用户选择护目灯关闭时，可以临时关闭护目灯1001，在按下该键，护目灯1001则重新打开。用户选择坐姿检测与调整功能时，摄像头开始工作，摄像头处于用户的正前方，可以通过图像检测到用户当前的坐姿，并显示在显示器7的屏幕上，当用户坐姿有问题的时候，报警蜂鸣器8会报警提醒用户，同时显示器7的屏幕上也会有图像提醒。定时学习的功能是方便用户学习或者工作一段时间后的休息，以减少眼睛和身体疲劳，当用户按下该键时，示器7的屏幕上显示用户输入定时时间，通过用户输入键盘6上的数字键输入完毕并且确认之后，智能护目机器人开始计时，到达设定时间后，报警蜂鸣器8报警提醒用户该休息了。

整个智能护目机器人装置稳定可靠，并且电路原理简单，应用领域也可以拓展到其他相关的装置设备上。