張文玥， 王曉飛， 孫沛詩， 江 濤

(北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192)

0 引 言

目前我國(guó)的近視率排名世界第二，小學(xué)生近視率達(dá)34.17%，中學(xué)生為56.59%，而大學(xué)畢業(yè)時(shí)的近視率高達(dá)73.9%，青少年的視力問題日趨嚴(yán)峻。權(quán)威研究指出，書寫、讀書的姿勢(shì)不正確、光線的過弱或過強(qiáng)是導(dǎo)致近視的最主要原因。若能將其學(xué)習(xí)和工作時(shí)的環(huán)境光照度和坐姿控制在保護(hù)視力的最佳條件下，將會(huì)大大降低近視率。

傳統(tǒng)的臺(tái)燈亮度是一定的，不能隨環(huán)境光的變化而自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整；現(xiàn)階段的視力保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)雖增加了檢測(cè)和報(bào)警功能，但未與臺(tái)燈相結(jié)合。本文的視力保護(hù)系統(tǒng)，使臺(tái)燈擁有根據(jù)環(huán)境光自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度、檢測(cè)人體坐姿、聲光報(bào)警等功能，從而保護(hù)了使用者的視力，降低近視率。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

視力保護(hù)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。系統(tǒng)硬件主要由光照度檢測(cè)傳感器、距離檢測(cè)傳感器、STC90C516RD+單片機(jī)測(cè)控電路、顯示電路和聲光報(bào)警電路組成，采用C語言編寫目標(biāo)系統(tǒng)軟件。光照度檢測(cè)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境光照度并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)該信號(hào)進(jìn)行濾波放大處理，然后通過A/DC采集并傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中。按鍵可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)模式和手動(dòng)模式的切換。距離檢測(cè)感器檢測(cè)到的距離與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，若在規(guī)定范圍內(nèi)，則LCD顯示測(cè)量值；否則，顯示的同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光照度檢測(cè)電路

光照度檢測(cè)傳感器將光照度轉(zhuǎn)換成電流輸出，電流范圍大約為0.1～0.3 mA，設(shè)計(jì)一個(gè)流壓轉(zhuǎn)換電路，將電流轉(zhuǎn)換為電壓并進(jìn)行放大，如圖2所示。

圖2 光照度檢測(cè)電路

光照度檢測(cè)傳感器輸出電流I和運(yùn)算放大器輸出電壓U關(guān)系式為：

U=500×I

(1)

將光照度檢測(cè)傳感器產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)換為電壓同時(shí)將其放大，該信號(hào)進(jìn)入后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換器及CPU，以實(shí)現(xiàn)光照度的采集與測(cè)量。

2.2 距離檢測(cè)電路

距離檢測(cè)電路(見圖3)采用HC-SR04模塊，模塊包括超聲波發(fā)生、接收與控制電路。其基本工作原理為I/O口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10 μs的高電平信號(hào)；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；有信號(hào)返回，通過I/O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。

圖3 距離檢測(cè)電路

計(jì)算公式為：

D=ct/2

(2)

式中:D為距離檢測(cè)傳感器與被測(cè)物之間的距離(m)；c為聲波在介質(zhì)中的傳輸速率(m/s)；t為發(fā)送超聲波到接收超聲波的時(shí)間(s)。

2.3 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集及顯示電路

本設(shè)計(jì)是以STC90C516RD+單片機(jī)為控制核心，檢測(cè)高電平持續(xù)的時(shí)間，即超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，進(jìn)行運(yùn)算處理得出距離，LCD實(shí)時(shí)顯示此時(shí)的距離。通過鍵盤輸入確定臺(tái)燈亮度調(diào)節(jié)模式，取樣測(cè)光電路輸出的電壓值，通過A/D轉(zhuǎn)換器饋送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行調(diào)整處理，將電壓值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的光照度，液晶屏實(shí)時(shí)顯示此時(shí)的環(huán)境光照度。利用周期方波高電平持續(xù)的長(zhǎng)短來改變輸出到臺(tái)燈的模擬電壓大小，實(shí)現(xiàn)控制臺(tái)燈的亮暗。圖4所示為單片機(jī)數(shù)據(jù)采集及顯示電路。

圖4 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集及顯示電路

A/D轉(zhuǎn)換是通過PCF8591的I2C總線通信實(shí)現(xiàn)。PCF8591是一種具有I2C總線接口的8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，在與單片機(jī)的信息傳輸過程中僅靠時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA就可以實(shí)現(xiàn)，因PCF8591芯片內(nèi)部有時(shí)鐘電路，只要在外部它們分別與單片機(jī)的P2.1和P2.0口連接。設(shè)計(jì)中主要是將硅光電池光電轉(zhuǎn)換的來的電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，讓單片機(jī)進(jìn)行讀取并判斷電壓大小，以此來反映光照度的大小。

設(shè)計(jì)中主要用到了4個(gè)按鍵，都是相互獨(dú)立按鍵，“Automatic”鍵控制自動(dòng)模式，“Manual”鍵控制手動(dòng)模式，進(jìn)入手動(dòng)模式后按下“+”鍵光亮增加，按下“-”鍵光亮減小。這4個(gè)鍵分別與單片機(jī)的P1.1～P1.4口連接。本設(shè)計(jì)液晶顯示選用了LCD1602液晶屏，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣型液晶模塊。設(shè)計(jì)中主要通過此電路來顯示人體與臺(tái)燈之間的距離和環(huán)境光照度。LCD1602的數(shù)據(jù)線D0-D7口通過鎖存器分別和單片機(jī)的P0.1-P0.7口連接，其RS、E端口分別與單片機(jī)P2.6和2.7口相連。

2.4 聲光報(bào)警電路

如圖5所示，當(dāng)傳感器測(cè)得距離值小于給定數(shù)值時(shí),單片機(jī)給出一個(gè)低電平信號(hào)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，達(dá)到提醒臺(tái)燈使用者調(diào)整坐姿保護(hù)視力的目的。

圖5 聲光報(bào)警電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。首先，實(shí)時(shí)檢測(cè)傳感器到人體的距離(cm)并顯示，如果距離小于25 cm，進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒使用者調(diào)整坐姿；否則，僅進(jìn)行距離顯示。

設(shè)置了自動(dòng)和手動(dòng)調(diào)節(jié)模式，通過單片機(jī)C語言編程，利用條件嵌套語句循環(huán)檢測(cè)按鍵，四個(gè)按鍵的功能設(shè)定如下：“Automatic”鍵——自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度模式，采用脈寬調(diào)制技術(shù)(Pulse Width Modulation，PWM)，通過周期方波高電平持續(xù)的長(zhǎng)短來改變模擬電壓的大小，高電平持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，模擬電壓越大；高電平持續(xù)的時(shí)間越短，模擬電壓越小。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境光，判斷是否在700～1 000lx范圍內(nèi)，小于自動(dòng)增加光亮，大于則減小光亮，使燈光亮度始終保持在最佳范圍?！癕anual”鍵——手動(dòng)調(diào)節(jié)亮度模式，用戶根據(jù)自身對(duì)臺(tái)燈亮度的需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。“+”鍵——增強(qiáng)亮度，“-”鍵——減弱亮度。

圖6 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

4 測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

將光照度計(jì)檢測(cè)到的環(huán)境光照度作為相對(duì)值；光照度檢測(cè)傳感器通過液晶屏顯示的數(shù)值作為系統(tǒng)測(cè)量值，計(jì)算相對(duì)誤差，部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。多次測(cè)量結(jié)果表明：測(cè)量相對(duì)誤差<2%；700 lx和1 000 lx臨界點(diǎn)測(cè)量誤差<1%。

在自動(dòng)模式下，環(huán)境光照度小于700 lx時(shí)，臺(tái)燈亮度自動(dòng)變亮，大于1 000 lx時(shí)臺(tái)燈亮度自動(dòng)變暗，在700～1 000 lx之間時(shí)，臺(tái)燈亮度不變；在手動(dòng)模式下，臺(tái)燈亮度只通過“+”鍵、“-”鍵來調(diào)節(jié)。

表1 光照度測(cè)量數(shù)據(jù)

利用刻度尺測(cè)量人體與臺(tái)燈之間的距離，與坐姿檢測(cè)傳感器通過液晶屏顯示的數(shù)值進(jìn)行比較，計(jì)算相對(duì)誤差。相對(duì)誤差<2%；臨界點(diǎn)25 cm測(cè)量誤差為零。當(dāng)距離<25 cm時(shí)，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 距離測(cè)量

5 結(jié) 語

視力保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是將傳感器、單片機(jī)與臺(tái)燈有機(jī)結(jié)合，可將環(huán)境光照度控制在700～1 000 lx范圍內(nèi)，提供適于人眼的環(huán)境光照度；另外還可以提示人體保持適宜距離，從而達(dá)到保護(hù)視力的目的。