安徽省蚌埠學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 郭從敏 辛 明 張 歡

目前，青少年視力低下，已成為國內(nèi)外共同關(guān)心的公共衛(wèi)生問題。而長期使用不正確的讀書寫字姿勢是導(dǎo)致近視的最大因素，還會有脊椎彎曲變形、駝背、斜視以及頸椎病等。為此，我們設(shè)計了一款基于單片機(jī)的智能語音視力保護(hù)器進(jìn)行防范，從而糾正人們讀寫的不良姿勢、習(xí)慣等。視力保護(hù)器以單片機(jī)作為控制核心，應(yīng)用光敏傳感模塊、語音播報模塊和其他功能模塊構(gòu)建一個多功能視力保護(hù)裝置，還根據(jù)環(huán)境設(shè)置了靜音與非靜音模式。該裝置可檢測光線的亮暗、眼睛與書本的距離，光線和距離的過暗和過近會語音播報和LED燈報警提醒用戶調(diào)整，通過多方面的監(jiān)測提示來給用戶提供良好的閱讀寫字體驗(yàn)。

1 研究背景

我國是世界上近視發(fā)病率最高的國家之一，近視眼人數(shù)世界第一。據(jù)統(tǒng)計，由于近視導(dǎo)致的眼盲，已僅次于白內(nèi)障、青光眼居第三位，近視已被列為三大疾病之一。在日常生活中，中國學(xué)生視力低下的狀況令人擔(dān)憂。寫字看書姿勢不正確和看書寫作業(yè)的時間太長是導(dǎo)致近視的主要原因，所以設(shè)計一款人性化的視力保護(hù)器意義重大。我們查閱了許多相關(guān)資料和文獻(xiàn)，國內(nèi)市場上真正的多功能視力保護(hù)器其實(shí)并不是很多，大多數(shù)產(chǎn)品都只是側(cè)重某一個方面來進(jìn)行視力保護(hù)，功能單一并不能從多個方面去保護(hù)視力。

于是，綜合各個單一的視力保護(hù)器的功能，在已有的基礎(chǔ)功能上，加入我們的特色點(diǎn)，使得最終的成品是一個功能更加齊全的，滿足大多數(shù)人需求的視力保護(hù)器就成了我們所研究的課題。

2 設(shè)計思路及創(chuàng)新點(diǎn)

我們通過距離傳感模塊、光敏傳感模塊、語音播報模塊和其他功能模塊構(gòu)建一個多功能視力保護(hù)裝置，該裝置可檢測光線的亮暗、眼睛與書本的距離等。如果光線太亮或距離太近，會語音播報和LED報警提醒用戶調(diào)整。該裝置通過對外界各種數(shù)據(jù)的分析，可以判斷使用者所處環(huán)境信息，并給予適當(dāng)?shù)恼Z音播報或燈光等提示信息。該裝置的定時功能可以判斷使用者是否應(yīng)該休息并在休息時間播報眼保健操。另外，該裝置可以選擇不同的模式（靜音和非靜音）以適應(yīng)用戶的不同需要。

整體思路如圖1所示。

本項(xiàng)目的創(chuàng)新性在于能夠在不同環(huán)境下可設(shè)置成不同的模式，包括靜音模式和非靜音模式，其中靜音模式是通過LED、12864顯示屏形式，非靜音模式是通過語音播報形式，最大程度的滿足了使用者對環(huán)境的需求，有效的避免了實(shí)用范圍小的弊端；并且能夠很好地結(jié)合用戶所處的環(huán)境。同時，本項(xiàng)目的定時電路在通過用戶設(shè)定后，經(jīng)過一定時間的學(xué)習(xí)后進(jìn)入休息時間，可以在休息時間播報眼保健操緩解眼睛疲勞，減緩長時間學(xué)習(xí)帶來的疲勞，充分體現(xiàn)了這些模塊的優(yōu)勢，為人們可以更好的保護(hù)視力提供方便。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計圖

本項(xiàng)目的科學(xué)性在于我們利用已有的技術(shù)和知識進(jìn)行創(chuàng)新組合，理論上是可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的。我們就可行性進(jìn)行分析：首先，現(xiàn)在的單片機(jī)系統(tǒng)原理以及各種芯片和傳感器已經(jīng)很成熟了，因此可以直接借鑒利用；然后，就是各器件的組合連接、利用HC-SR04超聲波測距、液晶顯示LCD1602等、相關(guān)電路板的構(gòu)建和連接、功能模塊軟件程序的代碼編寫和調(diào)試，這些我們可以通過學(xué)習(xí)進(jìn)行實(shí)踐，本項(xiàng)目在理論上是完全可行的。

3 單元模塊介紹

3.1 測距模塊

超聲波測距的原理:先由超聲波發(fā)射裝置發(fā)出一段超聲波，然后根據(jù)接收器接到超聲波時的時間差，計算出兩點(diǎn)的距離。具體步驟為：超聲波發(fā)射裝置向某一方向發(fā)射出一段超聲波，在發(fā)射那一刻的同時開始計時，超聲波在空氣介質(zhì)中傳播，途中一旦碰到障礙物就會立刻返回，超聲波接收裝置接收到反射波的那一刻就立即停止計時，以此測距。

本次仿真的超聲波測距電路，在考慮精度與各方面因素下我們選用了由一個HC-SR04的超聲波測距模塊來完成的。HC-SR04的超聲波測距模塊能夠提供2cm-400cm的非接觸式距離的感測功能，而且測距的精度高，可以高達(dá)3mm；并且，HC-SR04還具有性能穩(wěn)定、盲區(qū)小的特點(diǎn)。此模塊還包括超聲波的發(fā)射器、超聲波的接收器與控制電路。該模塊一共具有四個引腳，引腳VCC接的是5v電源，引腳GND接地，引腳Trig口來輸出能夠觸發(fā)控制的信號，引腳Echo口能夠輸入回響信號。如圖2所示。

圖2 HC-SR04超聲波測距模塊實(shí)物圖

初始化時將trig和echo端口都置低，首先給trig發(fā)送至少10us的高電平脈沖（模塊自動向外發(fā)送8個40K的方波），然后等待，捕捉echo端輸出上升沿，捕捉到上升沿的同時，打開定時器開始計時，再次等待捕捉echo的下降沿，當(dāng)捕捉到下降沿，讀出計時器的時間，這就是超聲波在空氣中運(yùn)行的時間，按照測試距離=（高電平時間×聲速（340m/s））/2就可以算出超聲波到障礙物的距離。

圖3 光敏控制電路

3.2 光檢測模塊

在用戶處于不適于工作學(xué)習(xí)的光照強(qiáng)度情況下，該產(chǎn)品中的光強(qiáng)檢測模塊將檢測出這一點(diǎn)，并發(fā)出適宜的警報聲，從而提醒使用者以達(dá)到保護(hù)視力的目的。

圖3是光敏控制電路的原理圖，其利用了光敏電阻隨著外界光照強(qiáng)度的變化而自身阻值改變，并且光強(qiáng)和阻值呈負(fù)相關(guān)。我們先設(shè)置一個正常光強(qiáng)時光敏電阻的阻值為基準(zhǔn)值，當(dāng)外界光強(qiáng)增強(qiáng)，光敏電阻阻值變小，此時電壓比較器的輸出端輸出一個高電平。再經(jīng)過一個A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再經(jīng)過一個反相器將得到的低電平的數(shù)字信號傳送給單片機(jī)。同理，當(dāng)外界環(huán)境光強(qiáng)較低，不適宜工作和學(xué)習(xí)時，該模塊將高電平傳輸給單片機(jī)，使單片機(jī)發(fā)出適宜的警報聲。

圖4 電壓比較器LM393引腳圖

圖5 LED報警電路

圖4是電壓比較器LM393的引腳圖，LM393是一個雙電壓比較器。具體情況：（1）它工作溫度范圍在0℃-70℃，可以在較高溫度下工作；（2）它工作的電壓范圍寬，且單電源、雙電源均可用，單電源時工作電壓在2V-36V；雙電源時工作電壓在±1V-±18V；（3）它消耗的電流小，ICC= 0.4mA；（4）輸入失調(diào)電壓?。篤IO=±2mV；（5）共模輸入電壓寬：VIC= 0～Vcc-1.5V；（6）兼容性好，與TTL、DTL、MOS、CMOS等均可兼容，所以選用該電壓比較器。

3.3 語音播報模塊

當(dāng)用戶的面部離書本的距離小于30cm時，或者用戶所處的環(huán)境不適合讀書時，對應(yīng)的單片機(jī)I/O口會被賦值低電平，即可點(diǎn)亮LED燈。如圖5所示。

圖6 蜂鳴器報警電路

本系統(tǒng)采用5V的有源蜂鳴器進(jìn)行聲音報警，當(dāng)整個系統(tǒng)處于靜音模式下，該模塊不發(fā)生作用，當(dāng)P2～3引腳為低電平，三極管Q1導(dǎo)通，三極管內(nèi)阻較小，蜂鳴器兩端壓差較大，蜂鳴器發(fā)聲。如圖6所示。

11JQ6500是一個提供串口的MP3芯片；同時，軟件支持TF卡驅(qū)動、支持電腦直接更新spi flash的內(nèi)容。有30級音量可以調(diào)，通過單片機(jī)發(fā)出簡單的串口指令即可完成播放指定的音樂，使用方便；同時，穩(wěn)定可靠是此款產(chǎn)品的最大特點(diǎn)。

圖7 語音播報模塊電路圖

圖7是語音播報模塊電路圖。語音播報模塊是通過采用JQ6500-16P模塊構(gòu)成的，將模塊通過USB線與電腦相連，我們需要播報的音頻直接通過上位機(jī)導(dǎo)入模塊當(dāng)中，該芯片的K1到第K4是接入按鍵控制，SGND和GND是電源地管腳，BUSY管腳的高低電平代表當(dāng)前有無音頻輸出，SPK+和SPK-接8Ω、1W的喇叭的正負(fù)極，DC-5V接的是電源，RX和TX接UART串行數(shù)據(jù)輸入輸出,由于采用的單片機(jī)電源是5V，所以接模塊的RX引腳需要接入1K的電阻，將模塊電路圖接好。