江門(mén)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息技術(shù)系 梁季彝 李子華

該磁懸浮智能視力檢測(cè)儀通過(guò)采用磁懸浮技術(shù)控制視力測(cè)試板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，結(jié)合智能測(cè)距傳感器，從而提高視力測(cè)量的準(zhǔn)確性；把原為人工指點(diǎn)視標(biāo)（E）的測(cè)試改成用自動(dòng)隨機(jī)LED燈指點(diǎn)控制，配置一個(gè)遙控器由測(cè)試人員自行判斷視標(biāo)方向，使得視力檢測(cè)工作智能化，不僅提高視力檢測(cè)的工作效率，而且減少醫(yī)務(wù)人員的工作量。

引言：經(jīng)調(diào)查國(guó)內(nèi)目前應(yīng)用在視力檢測(cè)方面的項(xiàng)目仍然是以人工為主導(dǎo)，這樣會(huì)占據(jù)醫(yī)護(hù)人員大量工作時(shí)間。目前醫(yī)護(hù)人員短缺，如果此產(chǎn)品投入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)將會(huì)緩解醫(yī)護(hù)人員短缺問(wèn)題，有利國(guó)內(nèi)體檢事業(yè)的發(fā)展。

1 研究?jī)?nèi)容

該項(xiàng)目采用STM32單片機(jī)為控制平臺(tái)，相比傳統(tǒng)的人工操作大大的節(jié)約了人力，以及更加準(zhǔn)確地檢測(cè)視力，STM32單片機(jī)控制隨機(jī)亮起視標(biāo)板中每個(gè)視標(biāo)下方的LED燈，這樣來(lái)代替人工操作。大大節(jié)約了醫(yī)護(hù)人員的資源，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)醫(yī)護(hù)人員管理多臺(tái)機(jī)器。

2 基本思路

以STM32為主控芯片，利用磁懸浮技術(shù)控制視力測(cè)試板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，結(jié)合測(cè)試人員頭部上的測(cè)試頭箍中心位置的超聲波測(cè)距傳感器發(fā)送裝置和視力檢測(cè)儀左右兩邊的接收裝置，使視力測(cè)試板與人體頭部處于同一水平直線(xiàn)上，從而保證視力測(cè)量的準(zhǔn)確性；把原為人工指點(diǎn)視標(biāo)（E）的測(cè)試改成用隨機(jī)LED燈指點(diǎn)，配置一個(gè)遙控器由測(cè)試人員自行判斷視標(biāo)方向（即：測(cè)試人員看著視力測(cè)試表的視標(biāo)方向選擇相應(yīng)的方向按鍵），通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊實(shí)現(xiàn)遙控器與主控模塊之間的數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)用智能化設(shè)備代替繁重的醫(yī)護(hù)人員工作的目的。如下分別為磁懸浮智能視力檢測(cè)儀系統(tǒng)框圖（見(jiàn)圖1）、視力檢測(cè)儀（見(jiàn)圖2）和測(cè)試頭箍外觀圖（見(jiàn)圖3）。

圖1 磁懸浮智能檢測(cè)儀系統(tǒng)框圖

圖3 測(cè)試頭箍外觀

3 磁懸浮技術(shù)應(yīng)用

在磁懸浮的控制下，在測(cè)試人員頭部上的測(cè)試頭箍中心位置加裝超聲波測(cè)距傳感器發(fā)送裝置，對(duì)準(zhǔn)視力檢測(cè)儀左右兩邊的接收裝置使收發(fā)信號(hào)形成等腰三角形態(tài)勢(shì)，當(dāng)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)左邊距離大于右邊距離時(shí)磁懸浮控制視力測(cè)試板向右轉(zhuǎn)動(dòng)，右邊距離大于左邊距離時(shí)磁懸浮控制視力測(cè)試板向左轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣使得視力測(cè)試板跟著頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)始終處于同一水平直線(xiàn)上，達(dá)到減少測(cè)量誤差的目的。

3.1 測(cè)試流程

把原為人工指點(diǎn)視標(biāo)（E）的測(cè)試改成用隨機(jī)LED燈指點(diǎn)，配置一個(gè)遙控器由測(cè)試人員自行判斷；每級(jí)別如三個(gè)以下視標(biāo)（E）要判斷全對(duì)才能進(jìn)行下一級(jí)別測(cè)試，否則退回上一級(jí)別測(cè)試；每級(jí)別如三個(gè)以上的視標(biāo)（E）則隨機(jī)抽取三個(gè)視標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，正確判斷兩個(gè)以上則進(jìn)行下一級(jí)別測(cè)試，否則往上一個(gè)級(jí)別測(cè)試，如果累計(jì)兩次同一級(jí)別則輸出本級(jí)別測(cè)試結(jié)果并在級(jí)別指示燈處顯示綠燈。

3.2 磁懸浮技術(shù)原理分析

（1）探究常溫下和不同條件下冷卻的超導(dǎo)體和永磁體之間的相互作用力關(guān)系；掌握超導(dǎo)體的基本特性，超導(dǎo)體與永磁體之間的磁力特性。

（2）超導(dǎo)體和永磁體之間為什么可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的磁懸?。?/p>

第一，超導(dǎo)體處于完全抗磁效應(yīng)狀態(tài)；兩者之間只有斥力，不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定磁懸浮，如圖4所示。

第二，超導(dǎo)體處于混合狀態(tài)，具有非完全抗磁性；兩者之間同時(shí)具有吸引力和排斥力，可以實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)定磁懸浮，如圖5所示。

圖4 超導(dǎo)體抗磁狀態(tài)

圖5 超導(dǎo)體混合狀態(tài)

（3）利用磁極交錯(cuò)排列的方式組合，如圖6所示，形成具有非勻稱(chēng)磁場(chǎng)分布的組合磁體，超導(dǎo)體可穩(wěn)定懸浮在軌道之上，如圖7所示，但不能運(yùn)動(dòng)，只能靜止懸浮在一個(gè)位置，也不能旋轉(zhuǎn)；利用這種原理，可制作的分離超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)，同時(shí)也可以通過(guò)改變磁體分布，設(shè)計(jì)制作了可分離超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)，如圖8所示。該電力的風(fēng)輪懸浮在空中，不僅很容易分離，而且可實(shí)現(xiàn)隔空動(dòng)力傳輸。

圖6 非均勻磁場(chǎng)組合

圖7 改變磁體分布

圖8 利用磁場(chǎng)隔空傳輸動(dòng)力

（4）磁懸浮底座設(shè)計(jì)及其視力檢測(cè)板對(duì)于視力測(cè)試儀左右轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制，代替了傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使儀器變得更加靈活準(zhǔn)確輕便。

（5）磁懸浮上下浮原理（以鋼球?yàn)閼腋?duì)象）。下浮原理：以沿軸向均勻磁化圓環(huán)（或盤(pán)）形永久磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)作為磁場(chǎng)源，使被懸浮鋼球和輔助鋼球磁化，由于被懸浮鋼球和輔助鋼球均在圓盤(pán)（或環(huán)）形磁體的同一側(cè)，且垂直于其中軸線(xiàn)，所以，被懸浮鋼球和輔助鋼球具有相同的磁化方向。在這種情況下，圓環(huán)（或盤(pán)）形永久磁體會(huì)對(duì)被懸空鋼球產(chǎn)生一個(gè)向上的吸引力，靠近圓環(huán)（或盤(pán)）形永久磁體的輔助鋼球會(huì)對(duì)被懸浮產(chǎn)生一個(gè)向下的斥力。當(dāng)作用在被懸浮鋼球上的吸引力于斥力及其重力達(dá)到平衡時(shí)，被懸浮的鋼球就可以穩(wěn)定的懸浮在空中。當(dāng)圓環(huán)（或盤(pán)）形永久磁體沿著轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，被懸浮的小鋼球就隨之懸浮運(yùn)動(dòng)。上浮原理：以沿軸向均勻磁化圓環(huán)形永久磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)作為磁場(chǎng)源，圓環(huán)形永久磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，在磁體的上部接近圓孔的空間范圍是向下的，而在其上部則是向上的。這樣的磁場(chǎng)分布，使得鋼球磁化行為更復(fù)雜，可分為三個(gè)區(qū)域：第一，當(dāng)鋼球在磁體上部接近圓孔的空間范圍時(shí)，其磁化方向是向下的；第二，當(dāng)鋼球在磁體在其上部遠(yuǎn)離圓孔的區(qū)域內(nèi)時(shí)，其磁化方向是向上的；第三，當(dāng)鋼球在磁體上部介于這兩個(gè)區(qū)間時(shí)，被懸浮鋼球則同時(shí)具有向上向下的磁化現(xiàn)象。在第三種情況下，當(dāng)鋼球向下的磁化分量與磁體向上的磁場(chǎng)產(chǎn)生的向上的斥力，與鋼球向上的磁化分量與磁體向上的磁場(chǎng)產(chǎn)生的向下的吸引力及重力打到平衡時(shí)，上懸浮鋼球就會(huì)被穩(wěn)定的懸浮在空中，從而實(shí)現(xiàn)鋼球的穩(wěn)定上懸?。ㄈ鐖D9所示）。

圖9 鋼珠重力與磁體的磁力達(dá)到平衡時(shí)

4 應(yīng)用技術(shù)

本檢測(cè)儀是采用單片機(jī)、磁懸浮技術(shù)和傳感器應(yīng)用，以智能化為目的，為視力檢測(cè)的工作提供極大的便利。該項(xiàng)目可以在多種場(chǎng)合上應(yīng)用，能快速準(zhǔn)確地得到測(cè)量結(jié)果，無(wú)需太多的人力，該測(cè)試儀不僅節(jié)省了人力而且提高了效率。該系統(tǒng)在測(cè)試頭箍上加裝超聲波測(cè)距傳感器發(fā)送裝置，與視力測(cè)試板左右兩端的接收裝置形成等腰三角形收發(fā)態(tài)勢(shì)，通過(guò)超聲波測(cè)距比較等腰邊長(zhǎng)，利用磁懸浮技術(shù)控制視力測(cè)試板轉(zhuǎn)動(dòng)，使得等腰邊長(zhǎng)始終相等，從而視力測(cè)試板與人體頭部始終處于同一水平直線(xiàn)上，這樣可以避免反光對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，并且提高視力測(cè)試的準(zhǔn)確度。

結(jié)論：綜上所述本項(xiàng)目利用單片機(jī)控制LED的隨機(jī)發(fā)光順序來(lái)讓被檢測(cè)人進(jìn)行判斷，然后收集數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷被檢測(cè)人是否具有視力上的問(wèn)題，采用紅外線(xiàn)傳感器和先進(jìn)的磁懸浮技術(shù)來(lái)進(jìn)行調(diào)整視標(biāo)板的角度。該磁懸浮智能視力檢測(cè)儀內(nèi)置電池和USB充電供電，將檢測(cè)儀做到輕量化，以便攜帶，利用單片機(jī)對(duì)整臺(tái)檢測(cè)儀進(jìn)行控制，利用反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。以STM32為主控芯片，利用磁懸浮技術(shù)控制視力測(cè)試板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，結(jié)合測(cè)試人員頭部上的測(cè)試頭箍中心位置的智能測(cè)距傳感器發(fā)送裝置和視力檢測(cè)儀左右兩邊的接收裝置，使視力測(cè)試板與人體頭部處于同一水平直線(xiàn)上，從而保證視力測(cè)量的準(zhǔn)確性；通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊2262發(fā)射編碼芯片和2272（L4、M4）接收解碼芯片的配合實(shí)現(xiàn)遙控器與主控模塊之間的數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)用智能化設(shè)備代替繁重的醫(yī)護(hù)人員工作的目的。