南京醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，江蘇南京 211166

一、前言

隨著電腦、電視及各種視頻多媒體的普及，社會壓力的增加和居民受教育程度的逐步提高，青少年學(xué)生長期近距離工作、超負(fù)荷用眼、讀寫姿勢不良等，導(dǎo)致視力低下，并發(fā)展成為常見病[1]。

近二十年來，中國青少年近視發(fā)生率逐年持續(xù)增長，近視率僅次于日本，位居世界第二位，近視總?cè)藬?shù)居世界第一位[2]，大中小學(xué)生視力不良檢出率高達(dá)68.44%[3]。在無法減輕學(xué)生學(xué)業(yè)壓力的情況下，保護(hù)視力需放在讀寫姿勢糾正上。

目前，除了采用傳統(tǒng)的食療法和用眼藥水緩解疲勞來保護(hù)視力外，國內(nèi)外已針對性地開發(fā)多種類型的儀器?！把郾Ｄ贰盵4]是采用電腦編碼脈沖技術(shù)模擬傳統(tǒng)針灸，作用于眼部穴位，消除眼疲勞，解決近視的外因；“坐視寶”[5]是采用耳掛式造型通過紅外傳感裝置來監(jiān)控坐讀姿勢，并發(fā)出提示音糾正；“智能感控視力保護(hù)儀”[6]是用于玩電腦和看電視等娛樂場合，監(jiān)測距離、時間、光照強(qiáng)度等外界環(huán)境參數(shù)來控制娛樂時間，從而保護(hù)視力。以上視力保護(hù)器存在價格偏高、效果不確定等問題，并且影響戴在兒童身上的舒適性。

本文設(shè)計(jì)的兒童視力保護(hù)器操作簡單、攜帶便利。采用耳掛式造型，利用超聲測定書桌與眼球的距離、提醒裝置可輔助調(diào)整坐讀姿勢，充分體現(xiàn)了智能化，符合創(chuàng)新的理念；參數(shù)采集與顯示裝置分離，使用藍(lán)牙連接，方便檢查學(xué)習(xí)狀態(tài)，達(dá)到保護(hù)視力的目的。從長遠(yuǎn)來看，本視力保護(hù)器可以開發(fā)手機(jī)app，具有現(xiàn)實(shí)意義和良好的推廣前景。

二、總體設(shè)計(jì)

視力保護(hù)器由佩戴器部分和顯示控制裝置兩部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示，以STC單片機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行一系列的控制。

佩戴器部分的外形類似于無線藍(lán)牙耳機(jī)，佩戴于單個耳朵上，較為小巧舒適，由光敏傳感器、距離檢測傳感器、STC15F104E及Bluetooth發(fā)送模塊組成，其主要作用是實(shí)時地采集傳輸光強(qiáng)信息以及距離信息。

STC15F104E的大小為17mm*10mm[7]，距離檢測傳感器的大小為35mm*20mm，光敏電阻的大小為27mm*14mm，Bluetooth發(fā)送模塊大小為13.5mm*18mm，整個佩戴器部分的平面尺寸約為50mm*30mm。

顯示控制裝置部分由LCD顯示屏、語音報警器、輸入設(shè)置按鍵、STC89C52及Bluetooth接受模塊組成，其主要作用是對接受到的光強(qiáng)信息和距離信息進(jìn)行分析并給出應(yīng)答，同時該部分也可對保護(hù)器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置調(diào)整。

佩戴器部分和顯示控制裝置部分之間的信息傳輸采用藍(lán)牙透傳模塊，負(fù)責(zé)信息采集的佩戴器部分的藍(lán)牙負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)，顯示控制部分的藍(lán)牙負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)。兩部分系統(tǒng)功耗都較低，均可采用電池供電。

三、硬件設(shè)計(jì)

1、光強(qiáng)檢測

光強(qiáng)檢測采用光敏電阻傳感器模塊，此模塊由光敏電阻和比較器組成，靈敏度可以調(diào)節(jié)，比較器采用LM393芯片，工作穩(wěn)定。如圖2所示，使用時VCC外接3.3V，數(shù)字量輸出接口OUT（0和1）接STC15F104E的P0.1口。輸出0表示沒有達(dá)到預(yù)先設(shè)定的光強(qiáng)值，輸出1表示已達(dá)到預(yù)設(shè)定光強(qiáng)值。使用者可根據(jù)自身需求，通過旋鈕調(diào)節(jié)滑動電阻R2的大小以此來設(shè)定不同的光強(qiáng)報警閾值，精確簡易。

2、距離檢測

測距采用HC-SR04超聲波模塊。其性能穩(wěn)定，測度距離精確，盲區(qū)為2cm，精度可達(dá)0.3cm。此模塊感應(yīng)角度不大于15°，探測距離為2cm～450cm，足夠滿足寫字使用時距離范圍和精度。

超聲波模塊工作操作步驟和距離計(jì)算方法如下：

(1)采用Trig（接STC15F104E的P0.2口）觸發(fā)測距，給至少10μs的高電平信號。

(2)模塊自動發(fā)送8個40kHz的方波，自動檢測是否有信號返回。

(3)有信號返回，通過Echo（接STC15F104E的P0.3口）輸出一高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，測試距離為：

其中，L—測試距離；

t—接收信號高電平持續(xù)時間；

vs—聲速 340m/s。

由于普通閱讀距離是30cm左右，由公式（1）可獲得超聲來回時間約為1.75ms左右。因此，距離檢測的時間量級為毫秒級，單片機(jī)的晶振頻率為8MHz，也就是可計(jì)時精度為微秒級，完全滿足這一運(yùn)算要求。

3、藍(lán)牙通信模塊

采用主從一體HM-11 串口藍(lán)牙透傳模塊，其使用TI CC-2540/1芯片符合藍(lán)牙4.0 BLE協(xié)議，超低待機(jī)功耗 90μA～400μA，只有一角硬幣大小，減少佩戴器部分體積和功耗。同時，其支持通過AT指令進(jìn)行主從設(shè)置，顯示設(shè)置部分也使用其作為接收數(shù)據(jù)主機(jī)。

4、顯示控制報警模塊

顯示控制部分使用LCD 12864進(jìn)行顯示，其5V背光亮度可調(diào)，不需額外供電，且自帶中英文字庫，可進(jìn)行串行和并行控制。由于顯示控制部分實(shí)時性要求并不高，因此使用串行控制。

按鍵采用4x4行列式按鍵，支持?jǐn)?shù)字、確認(rèn)、取消等操作，滿足使用者進(jìn)行光強(qiáng)、距離和使用時間的設(shè)定，超過設(shè)定值即進(jìn)行語音報警。

語音報警采用SYN6288，引腳連接簡單，如圖3所示，可直接連接單片機(jī)。但由于藍(lán)牙模塊也使用串口進(jìn)行設(shè)置和通信，因此，實(shí)際電路中增加了二選一數(shù)據(jù)選擇器74LS158。

5、控制器部分

佩戴器部分使用SOP8封裝的STC15F104E。這是一種增強(qiáng)型8051內(nèi)核MCU，內(nèi)部集成了2個16位可重裝載定時器，芯片不需要復(fù)位電路，上電自復(fù)位，內(nèi)部集成了R/C時鐘，省去了外部晶振，可在線燒寫程序并在燒寫時可任意定義頻率支持串口下載。其引腳只有8個，除了電源外全部是I/O口（6個）。P0.1連接光強(qiáng)檢測模塊，P0.2控制超聲模塊進(jìn)行測量，P0.3接收超聲模塊的時間信息，RXD和TXD連接藍(lán)牙透傳模塊。由于STC15F104E可以省去傳統(tǒng)單片機(jī)的復(fù)位電路、外部晶振電路，且采用貼片封裝，因此占用電路板面積非常小。又由于其低功耗設(shè)計(jì)，以每天使用2小時計(jì)算，3節(jié)AA電池可使用一個月。

控制顯示部分則使用STC89C52。其使用經(jīng)典的8051內(nèi)核，內(nèi)部有在系統(tǒng)可編程8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32 位I/O口線?？赏ㄟ^串口（RxD/P3.0，TxD/P3.1）直接下載用戶程序，無需專用編程器，方便開發(fā)。內(nèi)部帶4K字節(jié)EEPROM存儲空間，用于存儲設(shè)置的參數(shù)。工作頻率范圍0～40MHz，相當(dāng)于普通8051 的0～80MHz，在進(jìn)行LCD顯示時有足夠快的顯示刷新速度。

四、軟件設(shè)計(jì)

軟件部分也分為佩戴器部分的程序和顯示控制部分的程序，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)器的相關(guān)功能。當(dāng)啟動視力保護(hù)器時，佩戴器部分向顯示控制端發(fā)送檢測數(shù)據(jù)，顯示控制端接收到數(shù)據(jù)則說明開始用眼，進(jìn)行計(jì)時，否則停止計(jì)時。在佩戴器部分和顯示控制端的數(shù)據(jù)傳輸過程中需設(shè)定相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸格式，如圖4所示。

當(dāng)視力保護(hù)器進(jìn)入正常工作狀態(tài)時，佩戴器部分發(fā)送0XAA 0XAA作為數(shù)據(jù)流的間隔和同步碼，加以區(qū)分不同的信息幀，而后緊跟的高8位代表光強(qiáng)信息，低8位數(shù)據(jù)值直接對應(yīng)為檢測到的距離的大小，其單位為厘米。

1、佩戴器部分對應(yīng)距離及光強(qiáng)的檢測程序

戴在使用者頭部的裝置會實(shí)時地監(jiān)測周圍的光強(qiáng)以及使用者眼睛距離桌面的距離，并將其檢測到數(shù)據(jù)以上述格式傳送給顯示控制端。如圖5所示，單片機(jī)STC15F104E先從P3.1口讀取光敏電阻傳感模塊輸出的數(shù)值；然后采用查詢方式進(jìn)行距離檢測，即由P3.2口發(fā)送Trig觸發(fā)信號，當(dāng)檢測到P3.3口由低電平向高電平跳變時，啟動Timer開始計(jì)數(shù)，當(dāng)檢測到P3.3口由高電平向低電平跳變時（若無，則返回重新檢測），讀取Timer的值，并計(jì)算出距離的數(shù)值，同時關(guān)閉定時器。此時，單片機(jī)STC15F104E會將P3.1的數(shù)值及計(jì)算出的出數(shù)據(jù)按照圖4格式發(fā)送給藍(lán)牙，如此循環(huán)。

2、顯示控制端對應(yīng)程序

（1）距離及光強(qiáng)的接收

在程序剛啟動時，先發(fā)送測試數(shù)據(jù)，若能成功接收則啟動定時器，并設(shè)置相應(yīng)的中斷flag，并觸發(fā)菜單功能進(jìn)入菜單界面。若不能成功接受測試數(shù)據(jù)，則重新進(jìn)行測試。在主菜單界面，可設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)值。該產(chǎn)品對不同的使用者來說，會存在一定的個體化差異，因此可以在主菜單界面設(shè)置符合自己條件的相應(yīng)參數(shù)，包括光強(qiáng)閾值、距離閾值、定時時長等。

顯示控制器端接受由佩戴器部分傳送過來的相關(guān)信息，并在顯示屏上實(shí)時地進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示。若接受到的數(shù)據(jù)超過保護(hù)器事先所設(shè)定的閾值，則觸發(fā)報警器進(jìn)行語音提醒使用者注意坐姿及周圍光強(qiáng)的調(diào)節(jié)。

（2）時間提醒程序

使用者在長時間用眼后會產(chǎn)生一定的疲勞，需要定時地放松。因此，使用定時器實(shí)現(xiàn)該功能，但定時器每次進(jìn)入中斷的時間間隔較短，需使用多次計(jì)數(shù)的方式達(dá)到較長時間的準(zhǔn)確定時。具體是當(dāng)定時器計(jì)滿后進(jìn)入中斷，根據(jù)進(jìn)入的次數(shù)判斷是否達(dá)到設(shè)定時間。當(dāng)計(jì)算出的數(shù)值達(dá)到使用者事先所設(shè)定的時間時，則報警標(biāo)志置位，以使主程序中觸發(fā)語音報警器提醒使用者進(jìn)行休息，若沒有達(dá)到則繼續(xù)計(jì)時。

五、系統(tǒng)測試部分

光強(qiáng)傳感部分由于沒有進(jìn)行數(shù)值化設(shè)置，因此只是從人眼感覺上進(jìn)行測試。主要進(jìn)行了光線處于適合用眼和不適合用眼的臨界值進(jìn)行測試，符合設(shè)計(jì)情況，并且不會由于系統(tǒng)長時間的運(yùn)行發(fā)生漂移。

距離檢測進(jìn)行了擺放測試和實(shí)際佩戴測試。其中擺放測試為無干擾情況下使用白紙擺放在佩戴器中超聲測距模塊的發(fā)射路線上進(jìn)行測量，精度達(dá)到0.1cm，滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際佩戴測試是直接佩戴后在工作環(huán)境下進(jìn)行測試，即在佩戴器周邊會有其他物品干擾，佩戴器進(jìn)行轉(zhuǎn)動，并以佩戴器前端延伸距離為標(biāo)準(zhǔn)距離。共進(jìn)行6組，每組20次測試，如表1所示是每組數(shù)據(jù)的平均值。

表 1 距離測試數(shù)據(jù)

可以看出測量距離會受周邊物品的干擾，從而會出現(xiàn)幾次測量不準(zhǔn)確的情況，即表中標(biāo)準(zhǔn)差比較大的情況，但進(jìn)行了多次平均后距離誤差就較小，幾乎還是能夠達(dá)到0.1cm數(shù)量級。

六、結(jié)論

本產(chǎn)品主要優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)小，分塊化，可進(jìn)行商品化的批量生產(chǎn)。戴在使用者頭頂部分的采集裝置小巧、方便，與傳統(tǒng)的相比更加簡易、舒適。產(chǎn)品的采集部分與顯示部分相分離，因此信號采集部分可做得精細(xì)化，系統(tǒng)亦可以外拓更多的相關(guān)功能。未來本產(chǎn)品將在控制部分進(jìn)行進(jìn)一步研究，使其可與手機(jī)相連，控制更為方便、廣泛。