張明宣
(吉林大學(xué) 吉林省長(zhǎng)春市 130012)
近視是一種常見的眼病,給我們的生活、學(xué)習(xí)和工作帶來很大的不方便。我們研制的自助式多功能視力檢查儀可實(shí)現(xiàn)了精度較高、全程自動(dòng)化的視力、散光和色覺等視力指標(biāo)測(cè)量;采用隨機(jī)、單個(gè)視標(biāo)顯示法,有效的排除了視覺擁擠以及背誦視力表的可能,最大限度地排除人為猜測(cè)與輸入錯(cuò)誤的干擾;采用語音和無線操作手柄,方便測(cè)試人的操作。利用這個(gè)儀器,可以方便人們進(jìn)行視力測(cè)量,為人們的眼保健及臨床診斷提供重要信息同時(shí),自助式多功能視力檢查儀可用于醫(yī)院眼科的視力初查,不用護(hù)士的幫助,可節(jié)省人力。
本研究是以現(xiàn)階段中國近視人數(shù)越來越多的現(xiàn)象為背景,研制一種讓人能更加方便準(zhǔn)確的檢查自己視力情況的產(chǎn)品。如圖1所示,該產(chǎn)品主要有主機(jī)和無線操作手柄組成,主機(jī)包括單片機(jī)、LCD顯示屏、距離測(cè)量和環(huán)境光強(qiáng)測(cè)量相關(guān)的傳感器和電路、無線通訊模塊、供電電源電路,無線操作手柄內(nèi)部包括單片機(jī)語、鍵盤和語音播放模塊。
圖1:自助式視力檢查儀的構(gòu)成框圖
主要的工作過程如下:通過距離檢測(cè)和語音引導(dǎo)使用者站在LCD屏幕前方的合適位置后,屏幕上開始隨機(jī)出現(xiàn)不同方向的視力檢測(cè)符,使用者通過遙控器上的按鍵對(duì)屏幕上的“E”方向進(jìn)行選擇,并通過無線模塊反饋到主機(jī),檢測(cè)完后會(huì)在屏幕上顯示出使用者的視力測(cè)試結(jié)果。
研究工作將緊緊圍繞產(chǎn)品功能展開,主要研究?jī)?nèi)容包括:
(1)單片機(jī)程序開發(fā)和自助式視力、散光、色覺等指標(biāo)檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)。利用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LCD顯示屏,顯示視力、散光和色覺檢查需要的圖形,采用無線按鍵和語音提示,來取代需要他人輔助的視力指標(biāo)檢測(cè)。還包括LCD顯示屏的驅(qū)動(dòng)和背光調(diào)節(jié)技術(shù)。
(2)設(shè)計(jì)和調(diào)試距離測(cè)量電路。設(shè)備可根據(jù)不同的場(chǎng)地大小限制進(jìn)行主機(jī)和測(cè)試人之間的距離調(diào)整,在遙控器上設(shè)置5m、3m、2m的多種檢測(cè)檔位,通過紅外檢測(cè)使用者與LCD屏幕之間的距離來判斷是否可以開始進(jìn)行視力檢測(cè)。在不同的檢測(cè)檔位下,機(jī)器會(huì)調(diào)整相同視力等級(jí)所對(duì)應(yīng)出現(xiàn)的視力檢測(cè)符“E”的大小,確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
(3)語音播放模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)和語音引導(dǎo)設(shè)計(jì)。。在使用者設(shè)置使用檔位后,設(shè)備會(huì)通過語音引導(dǎo)使用者走到合適的位置,當(dāng)使用者在視力檢測(cè)過程中位置發(fā)生移動(dòng),遙控會(huì)通過語音以及屏幕上的文字提示讓使用者規(guī)范使用操作,使測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠。
(4)環(huán)境光強(qiáng)度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)開發(fā),并根據(jù)周圍環(huán)境亮度來調(diào)整LCD屏幕的背光亮度。使設(shè)備能不因周圍環(huán)境亮度的改變而產(chǎn)生檢測(cè)結(jié)果的偏差,以達(dá)到檢測(cè)結(jié)果的最優(yōu)化。
(5)無線通訊電路的設(shè)計(jì)和開發(fā)。用于設(shè)備主機(jī)和無線操作手柄之間的無線數(shù)據(jù)通訊。
自助式多功能視力檢查儀,可在完全沒有醫(yī)護(hù)人員或他人的干預(yù)下,讓體檢者方便快捷的進(jìn)行視力檢測(cè);操作簡(jiǎn)單,適合于各類人群來操作,實(shí)現(xiàn)完全自助式的效果。
自助式多功能視力檢查儀內(nèi)置多個(gè)檔位,不同的檔位對(duì)應(yīng)被檢測(cè)者與顯示屏之間不同的距離,如5m檔、3m檔等。使用者可以根據(jù)場(chǎng)地環(huán)境選擇合適的檔位。在不同的檔位下,使用者在相同視力等級(jí)所看到的視力檢測(cè)符“E”大小不同,以達(dá)到距離和視力等級(jí)正確匹配的效果,提高了檢查儀的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。
自助式多功能視力檢查儀內(nèi)置語音播報(bào)模塊,可以引導(dǎo)被檢查者自助檢查,同時(shí)將檢測(cè)結(jié)果第一時(shí)間播報(bào)出來,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、快捷地檢查視力。
采用遙控手柄和主機(jī)無線操作、互動(dòng)交流,將檢查人的眼睛觀察結(jié)果通知主機(jī)。
自助式多功能視力檢查儀內(nèi)置檢查視力的圖表,同時(shí)帶有檢查散光和色盲的圖標(biāo),被檢查者可以在測(cè)得視力的同時(shí),可以檢查自己的散光和是否色盲的情況。
本項(xiàng)目以嵌入式系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),嚴(yán)格按照嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目開發(fā)的生命周期:主要采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想,將整個(gè)產(chǎn)品分為多個(gè)模塊進(jìn)行硬件和軟件的同步開發(fā)。圖2為本項(xiàng)目的研制實(shí)施框架。
圖2
在需求分析階段,我們通過查找文獻(xiàn)資料并結(jié)合市面上已有的視力檢查儀,了解到該類產(chǎn)品開發(fā)的主要功能,查找出可以改進(jìn)的地方,并結(jié)合我們產(chǎn)品的創(chuàng)新特點(diǎn)——距離可適應(yīng)進(jìn)行新產(chǎn)品重新設(shè)計(jì),分析出該產(chǎn)品主要包括這四大功能:語音播報(bào)、距離檢測(cè)、視力檢測(cè)符大小可變化和色盲色弱判斷。
在方案設(shè)計(jì)階段,我們采用模塊化設(shè)計(jì)的思想,將整個(gè)產(chǎn)品分五大模塊。本產(chǎn)品的主控芯片采用STM32F103ZET6。此外,由于產(chǎn)品功能所占用單片機(jī)內(nèi)部資源并不多在keil平臺(tái)上利用已有的庫函數(shù)可以輕松實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能。以下是這五大模塊的具體實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì):
(1)LCD顯示模塊:擬采用大彩科技公司的DC10600F101_2111_0N串口顯示屏,可通過在TFT visual仿真平臺(tái)進(jìn)行軟件編程,將要顯示的圖片預(yù)先存在顯示屏的內(nèi)存中,根據(jù)工作狀態(tài)顯示不同的內(nèi)容。此外,該顯示屏還可以通過串口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,可將要顯示的文字從單片機(jī)送到LCD 顯示屏上。
(2)光照檢測(cè)模塊:本模塊主要是基于GY_30感光模塊得以實(shí)現(xiàn)。GY_30內(nèi)置16位的A/D轉(zhuǎn)換器,可以實(shí)現(xiàn)將光照強(qiáng)度直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出給單片機(jī),用于調(diào)節(jié)LCD顯示屏的背光亮度。
(3)遙控模塊:采用紅外遙控技術(shù),它是一種無線、非接觸控制技術(shù),具有抗干擾能力強(qiáng),信息傳輸可靠,功耗低,成本低,易實(shí)現(xiàn)等顯著優(yōu)點(diǎn),被諸多電子設(shè)備特別是家用電器廣泛采用,并越來越多的應(yīng)用到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。
(4)測(cè)距模塊:本模塊使用HC-SR501 RD-624人體紅外感應(yīng)器與激光傳感器TL-Luna,檢測(cè)人物是否位于機(jī)器前并測(cè)量人物距離LCD屏幕的距離,實(shí)時(shí)將相關(guān)數(shù)值實(shí)時(shí)返回到單片機(jī)。
(5)語音模塊:語音播報(bào)器采用 MY1690-16S 語音芯片,它是一款由串口控制的外掛FLASH存儲(chǔ)芯片的MP3主控芯片。支持MP3、WAV格式雙解碼,最大支持16M Byte FLASH,也可外接U盤或USB數(shù)據(jù)線連接電腦更換FLASH存儲(chǔ)芯片音頻文件。同時(shí),加入 LM4871 單聲道橋式驅(qū)動(dòng)的音頻功率放大器,語音播報(bào)器能夠隨之進(jìn)行音頻的音量調(diào)整,可滿足本產(chǎn)品的語音播報(bào)的需求。
另外,除了這五大模塊的設(shè)計(jì)和制作以外,由于檢測(cè)距離可調(diào)需要保證使用者能得到正確視力等級(jí)評(píng)定,我們還需要根據(jù)國家視力檢測(cè)的原理來對(duì)視力檢測(cè)符“E”的大小進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì),以達(dá)到正確的檢測(cè)效果。還要設(shè)計(jì)散光、色覺的測(cè)試圖案和測(cè)試方法。
在項(xiàng)目完成階段,主要進(jìn)行一下幾個(gè)方面的工作:軟件開發(fā)、硬件仿真、下載到單片機(jī)上進(jìn)行功能驗(yàn)證和系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)試。本階段將會(huì)耗費(fèi)整個(gè)項(xiàng)目開發(fā)的60%以上的時(shí)間,是本次項(xiàng)目的重中之重。
在作品呈現(xiàn)階段,完成實(shí)物的組成和預(yù)使用,撰寫論文以及專利的申請(qǐng)等多個(gè)部分。
本文核心思想是運(yùn)用現(xiàn)有技術(shù)發(fā)明制造一款自助式的視力檢查儀,在使用較少人力、物力、財(cái)力的基礎(chǔ)上來幫助人們更方便,快捷,準(zhǔn)確的測(cè)量視力,色覺等多項(xiàng)指標(biāo)。