商 瑩

(陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712046)

視力保護(hù)儀的研究與設(shè)計(jì)

商 瑩

(陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712046)

青少年人群視力問(wèn)題不容樂(lè)觀，已經(jīng)引起了社會(huì)各界的關(guān)注。調(diào)查結(jié)果顯示，小學(xué)生、初中生、高中生和大學(xué)生的視力低下率分別為27.96%、54.43%、73.8%和76.95%。面對(duì)這樣的結(jié)果，迫切需要研究一種幫助青少年保護(hù)視力的儀器。研究了具有多功能的視力保護(hù)儀，該保護(hù)儀能夠?qū)Νh(huán)境溫度、坐姿及用眼時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)并報(bào)警。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠很好地保護(hù)青少年的視力。

視力保護(hù)儀；監(jiān)測(cè)；超聲波

我國(guó)青少年人群視力問(wèn)題不容樂(lè)觀，調(diào)查結(jié)果顯示，小學(xué)生、初中生、高中生和大學(xué)生的視力低下率分別為27.96%、54.43%、73.8%和76.95%。面對(duì)這樣的結(jié)果，迫切需要研究一種幫助青少年保護(hù)視力的儀器。目前，國(guó)內(nèi)外有很多企業(yè)在研究并已投入生產(chǎn)視力保護(hù)儀，但大部分產(chǎn)品均功能比較單一，不能從多個(gè)角度保護(hù)青少年的視力。本文研究的視力保護(hù)儀能夠從坐姿、環(huán)境光線和用眼時(shí)間等多個(gè)角度保護(hù)青少年的視力。

1 結(jié)構(gòu)

該視力保護(hù)儀由核心控制模塊、報(bào)警模塊、超聲波模塊、檢測(cè)模塊和電源模塊5個(gè)部分組成(見圖1)。利用光敏電阻采集光信號(hào)，通過(guò)AD采集光線信號(hào)的強(qiáng)弱，把光線強(qiáng)度等級(jí)化，并設(shè)定報(bào)警等級(jí)，當(dāng)光照不足時(shí)報(bào)警。利用超聲波測(cè)距傳感器測(cè)出人臉部與桌面的距離，當(dāng)小于所設(shè)定的距離時(shí)報(bào)警提醒。通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)使用達(dá)到所設(shè)定的時(shí)間時(shí)，電路自動(dòng)發(fā)出聲音提示，提醒使用者注意休息。

圖1 視力保護(hù)儀總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制單元

本視力保護(hù)儀采用STC89C52單片機(jī)作為核心控制單元。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52在使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核的基礎(chǔ)上做了很多的改進(jìn)，使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的控制、報(bào)警和對(duì)信號(hào)的處理功能，電路如圖2所示。

圖2 主控單元電路圖

2.2 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊中采用蜂鳴器報(bào)警，蜂鳴器具有使用方便簡(jiǎn)單和價(jià)格實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)。蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)和定時(shí)器等電子產(chǎn)品中。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器2種類型。蜂鳴器主要采用三極管驅(qū)動(dòng)。當(dāng)主控單元中產(chǎn)生1個(gè)振蕩脈沖方波，輸出高電平，三極管導(dǎo)通，發(fā)光二極管亮，集電極電流通過(guò)蜂鳴器，蜂鳴器響；當(dāng)輸出為低電平時(shí)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，發(fā)光二極管滅，蜂鳴器無(wú)電流通過(guò)，蜂鳴器不工作。

2.3 光強(qiáng)檢測(cè)模塊

光強(qiáng)的檢測(cè)通過(guò)光敏電阻元件實(shí)現(xiàn)。光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器。光敏電阻器一般用于光的測(cè)量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換。常用的光敏電阻器——硫化鎘光敏電阻器是由半導(dǎo)體材料制成的。由于光敏電阻器對(duì)光的敏感性(即光譜特性)與人眼對(duì)可見光波長(zhǎng)為0.4～0.76 μm的響應(yīng)很接近，所以只要人眼可感受的光，都會(huì)引起它的阻值變化。

檢測(cè)模塊的主要原理為當(dāng)光線發(fā)生變化時(shí)，光敏電阻的阻值發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)的電壓值不同。經(jīng)過(guò)AD采集后就可以得到各種光照強(qiáng)度下的電壓值，從而設(shè)定出理想的光線強(qiáng)度報(bào)警值。電路如圖3所示。

圖3 光強(qiáng)采集電路

2.4 超生波測(cè)距模塊

超聲波通常指頻率>20 kHz的聲波。超聲波與能聽到的聲音本質(zhì)是一樣的，都是機(jī)械波，以縱波的形式在彈性介質(zhì)中傳播，也是能量的傳播。超聲波的頻率高、波長(zhǎng)短，在一定的距離內(nèi)有良好的方向性和束射性。由于波動(dòng)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向不同，可將波動(dòng)分為多種波型，在超聲波檢測(cè)中主要應(yīng)用的波型有縱波、橫波，表面波用的是超聲縱波。超聲場(chǎng)是被超聲波所傳播中所充滿的空間，想要使超聲波自由地向外擴(kuò)散需要較大的超聲場(chǎng)；若超聲波不能自由向外擴(kuò)散，說(shuō)明與其相鄰的被測(cè)物距離小[1]。

超聲波傳感器可以轉(zhuǎn)換其他形式的能量或者把超聲波轉(zhuǎn)換成其他形式的器件。使用的超聲波傳感器主要有2大類：電聲類和流體動(dòng)力類[2]。超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)有收發(fā)一體或收發(fā)分體式探頭、直探頭和斜探頭等多種形式。超聲波已經(jīng)滲透到我們生活中的許多領(lǐng)域，例如B超、遙控、防盜和無(wú)損探傷等。本系統(tǒng)中采用超聲波傳感器來(lái)測(cè)量人眼與桌面的實(shí)際距離，通過(guò)精確的計(jì)算來(lái)達(dá)到保護(hù)青少年視力的目的，此模塊由發(fā)送模塊和接收模塊2個(gè)部分組成。

超聲波測(cè)距的方法有渡越時(shí)間法、幅值檢測(cè)法和相位檢測(cè)法。幅值檢測(cè)法的缺點(diǎn)是精度和抗干擾性最差，因此使用較少，優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)。其原理是超聲波傳感器以一定的角度發(fā)射超聲波，超聲波發(fā)射的距離越遠(yuǎn)，信號(hào)的損失越大，信號(hào)就越弱，因此可以通過(guò)收到的超聲波的幅度大小來(lái)推算距離的大小。相位檢測(cè)法又稱相位法，其原理是用低頻的正弦信號(hào)調(diào)制超聲波，通過(guò)測(cè)量發(fā)送端和接收端正弦信號(hào)的相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)所測(cè)量的目標(biāo)和發(fā)射機(jī)之間的距離，此方法優(yōu)點(diǎn)是精度高，但測(cè)得距離短。實(shí)際的工程應(yīng)用中，通常采用渡越時(shí)間法的超聲波測(cè)距，其原理是通過(guò)測(cè)量超聲波發(fā)射和接收間的時(shí)間差，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到障礙物的距離，渡越時(shí)間法所測(cè)得的最大有效距離與超聲波發(fā)射器的發(fā)射功率和接收器的接收靈敏度有很大的關(guān)系[3-5]。

本設(shè)計(jì)使用收發(fā)一體式探頭，即系統(tǒng)中使用HC-RS04超聲波模塊，此模塊的測(cè)量精度可達(dá)到3 mm，測(cè)量距離可達(dá)到2～400 cm。超聲波測(cè)距模塊包括超聲波接收器、控制電路和超聲波發(fā)射器。該模塊的原理是超聲波模塊采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給IO口TRIG至少10 us的高電平信號(hào)；超聲波模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；若接收到信號(hào)返回，通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

3 軟件設(shè)計(jì)

視力保護(hù)儀系統(tǒng)的主程序主要分為坐姿檢測(cè)、學(xué)習(xí)時(shí)間倒計(jì)時(shí)和光線強(qiáng)度檢測(cè)3個(gè)部分。當(dāng)檢測(cè)到坐姿不正確時(shí)、光線較強(qiáng)或較弱時(shí)、學(xué)習(xí)時(shí)間倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)蜂鳴器會(huì)報(bào)警提示，問(wèn)題矯正后蜂鳴器自動(dòng)停止報(bào)警。

圖4 系統(tǒng)坐姿檢測(cè)超聲波測(cè)距子程序流程圖

系統(tǒng)坐姿檢測(cè)超聲波測(cè)距子程序流程圖如圖4所示。系統(tǒng)開始初始化，由超聲波發(fā)生器發(fā)送超聲波，超聲波遇到物體后反射回來(lái)，然后接收超聲波，通過(guò)計(jì)算超聲波從發(fā)出到返回的時(shí)間計(jì)算出所測(cè)量的距離，最后顯示出結(jié)果。然后再次循環(huán)整個(gè)過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)TC89C52的視力保護(hù)儀，經(jīng)過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)基本滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以完成對(duì)環(huán)境光照、人的坐姿及用眼時(shí)間的監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)的使用能夠幫助青少年保護(hù)視力，具有很好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

[1] 沈燕，高曉蓉，孫增友，等. 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2012(7):126-129.

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責(zé)任編輯鄭練

ResearchandDesignofEyeProtectionDevice

SHANG Ying

(Shaanxi Institute of International Trade, Xianyang 212046, China)

There are some problems of the vision of young people, and it has attractecl much attention from the society. The survey results show that primary school, junior high school, high school and college students' poor eyesight rate is 27.96%, 54.43%, 73.8%, and 76.95%. To such results, we have the urgent need to study a kind of instrument to help teenagers to protect eyesight. This paper studies the eyesight protecting instrument which has lots of functions. This instrument can detect the ambient temperature, sitting posture, the time of using eyes and alarming. Experiments show that the system can effectively protect the youth eyesight.

eyesight protecting instrument, detect, ultrasonic

TP 273

：B

商瑩(1980-)，女，碩士，講師，主要從事信號(hào)與信息處理以及教學(xué)改革等方面的研究。

2014-12-15