祖一康， 徐妙婧

（1.黃岡師范學院 機電與智能制造學院， 湖北 黃岡 438000； 2.黃岡師范學院 物理與電信學院， 湖北 黃岡 438000）

0 引 言

根據(jù)相關(guān)報道，全國青少年總體近視率為53.6%，其中小學生為36%，初中生為71.6%，高中生為81%。由此可見，近視已成為當下青少年比較普遍的眼健康問題。青少年長時間用眼，過近看書、看電視、玩電子產(chǎn)品，光線過強或過弱等不當用眼習慣，會導致視力下降。青少年的視力保護已成為家長和社會普遍關(guān)心的問題。

學者們圍繞著青少年視力防護展開了研究，文獻[1-3]設(shè)計的視力防護儀具有距離測量、光線檢測、定時功能，可通過蜂鳴器發(fā)出報警聲音。但蜂鳴器發(fā)出的聲音比較尖銳，在一定程度上會影響青少年的學習狀態(tài)，而且家長無法在不打擾孩子學習的情況下通過遠程及時了解相關(guān)信息。

文獻[4]在上述文獻設(shè)計的功能基礎(chǔ)上，采用語音芯片播放聲音提醒，可根據(jù)光線自動調(diào)節(jié)臺燈亮度，還帶有GSM 短信通信功能，可給監(jiān)護人發(fā)送短信提醒，在孩子長時間沒有調(diào)整坐姿時發(fā)短信通知監(jiān)護人，但是監(jiān)護人不能看到具體的距離和光線強弱信息。

針對上述問題，文中設(shè)計了一種視力保護儀，它除了能實現(xiàn)距離檢測、光線檢測、參數(shù)設(shè)定、數(shù)值顯示、定時等基本功能外，還能實現(xiàn)語音播報提醒、手機遠程監(jiān)督等功能，通過藍牙將距離、光線、時間傳輸?shù)绞謾CAPP實時顯示。當距離小于設(shè)定值、光線小于或大于設(shè)定值時，除了現(xiàn)場發(fā)出語音提醒外，手機APP 中也會出現(xiàn)文字提醒，便于家長在不打擾孩子學習的前提下進行遠程監(jiān)督。所設(shè)計的視力保護儀具有結(jié)構(gòu)簡單、功能齊全、操作方便等優(yōu)點，能夠很好地實現(xiàn)對青少年的視力保護，具有很強的實用性。

1 總體設(shè)計

視力保護儀以STC89C52 單片機為控制器，主要包括距離測量模塊、光線檢測模塊、顯示模塊、按鍵模塊、語音播報模塊、藍牙模塊等。系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 視力保護儀系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

1） 距離測量模塊：采用HC-SR04 超聲波模塊測量距離，通過顯示模塊實時顯示，當測量距離小于設(shè)定值時，語音播報模塊發(fā)出“距離太近，請坐直”的語音提醒。

2） 光線檢測模塊：采用光敏電阻檢測光線，并通過ADC0832 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，經(jīng)單片機處理后在顯示模塊上顯示。當光線小于設(shè)定值時，語音播報模塊發(fā)出“光線太暗”的語音提醒；當光線大于設(shè)定值時，語音播報模塊發(fā)出“光線太強”的語音提醒。

3） 按鍵模塊：設(shè)置距離、光線的設(shè)定值，以及定時時間值。

4） 語音播報模塊：根據(jù)測量值與設(shè)定值比較結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的語音提醒。

5） 顯示模塊：實時顯示距離、光線以及時間。

6） 藍牙模塊：實現(xiàn)與手機APP 通信，便于家長遠程監(jiān)督。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 超聲波測距電路設(shè)計

采用HC-SR04 超聲波模塊測量距離，該模塊測量精度高（精度為3 mm）、穩(wěn)定性好、盲區(qū)小，有4 個引腳，分別為VCC（電源正極）、GND（接地）、Trig（觸發(fā)信號輸入）、Echo（回響信號輸出）[5-6]。超聲波測距電路圖如圖2 所示，Trig、Echo 分別與單片機的P3.3 和P3.4 引腳相連接。

2.2 光線檢測電路設(shè)計

光線檢測電路由光敏電阻和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0832組成，電路連接圖如圖3 所示。

圖3 光線檢測電路連接圖

光敏電阻的阻值隨著光線強弱的變化而變化，光線越強阻值越小；光線越弱阻值越大[7]。光敏電阻與電阻R1構(gòu)成了串聯(lián)分壓電路，電阻R1的電壓隨著光線強弱變化而變化，這樣電壓的變化就能夠反映光照強度的變化。

由于電壓值是模擬量，單片機不能直接處理，因此采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0832 將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，分壓電路與ADC0832 的通道0 相連接。ADC0832 為8 位分辨率、雙通道的A/D 轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨率可達256 級[8]。其片選引腳CS、時鐘引腳CLK 分別與單片機P1.4、P1.5引腳相連；由于數(shù)據(jù)輸出DO 和數(shù)據(jù)輸入DI 不同時有效，因此將它們并聯(lián)一起，與單片機的P1.6 引腳相連。

2.3 語音播報電路設(shè)計

語音播報電路由WT588D 語音芯片和揚聲器構(gòu)成。WT588D 語音芯片具有單片機內(nèi)核而且可重復擦除燒寫，它具有MP3 控制模式、按鍵控制模式、按鍵組合控制模式、并口控制模式、一線串口控制模式、三線串口控制模式，以及三線串口控制 I/O 口擴展輸出模式等多種控制模式和PWM、DAC 兩種輸出方式。WT588D 語音芯片內(nèi)置了SPI-FLASH 存儲器，可控制的語音地址位達220 個，每個地址位里能加載和組合的語音為128 段[9]。文中采用三線串口控制模式，該模式由片選CS（P02）、數(shù)據(jù)DATA（P01）和時鐘CLK（P03）三條通信線組成，時序根據(jù)標準SPI 通信方式[10]設(shè)置。通過該模式可以實現(xiàn)語音芯片命令控制、語音播放。采用PWM 輸出，可直接驅(qū)動0.5 W/8 Ω 揚聲器。WT588D 語音芯片電路連接圖如圖4 所示，語音播放忙信號輸出腳BUSY、片選CS（P02）、數(shù)據(jù)DATA（P01）、時鐘CLK（P03）、復位引腳RESET 分別與單片機的P2.0、P2.2、P2.1、P2.3、P2.4 引腳相連；PWM+、PWM-與揚聲器相連。

圖4 WT588D 語音芯片電路連接圖

2.4 顯示電路設(shè)計

采用LCD1602 液晶顯示器顯示距離、光線、時間信息。LCD1602 是一種字符型顯示器，可以顯示字母、數(shù)字、圖形符號等[11]。LCD1602 具有16 個引腳，2 行顯示，每行可以顯示16 個字符，共32 個字符。顯示電路連接圖如圖5 所示，LCD1602 的對比度調(diào)整引腳（VO）與電位器相連，數(shù)據(jù)和指令選擇控制引腳（RS）、讀寫控制引腳（RW）、數(shù)據(jù)讀寫控制引腳（E）分別與單片機的P1.0、P1.1、P1.2 相連，數(shù)據(jù)引腳DB0～DB7 與單片機的P0 接口相連接。

圖5 顯示電路連接圖

2.5 按鍵電路設(shè)計

按鍵電路由3 個按鍵和3 個上拉電阻構(gòu)成，用于設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，按鍵電路連接圖如圖6 所示。S3 鍵為設(shè)置鍵，按下時進入設(shè)置界面，可依此對距離報警值、光線上限或下限報警值、學習時間進行設(shè)置，設(shè)置完成后按下S3 鍵退出設(shè)置。在設(shè)置參數(shù)時，S1 鍵為加，S2 鍵為減；在學習時，S1 鍵為開始學習，即按下時開始學習計時，S2 鍵為學習暫停，即按下時停止學習計時。

圖6 按鍵電路連接圖

2.6 藍牙電路設(shè)計

采用HC-05 藍牙模塊實現(xiàn)無線通信，實現(xiàn)單片機與手機之間的通信[12]。藍牙模塊與單片機進行串口連接，如圖7 所示，需要注意的是，藍牙模塊的TX 與單片機的RXD（P3.0）、RX 與單片機的TXD（P3.1）交叉相連[13]。

圖7 藍牙電路連接圖

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是在前述硬件設(shè)計基礎(chǔ)上編寫程序，實現(xiàn)所需功能。軟件設(shè)計包括主程序設(shè)計、超聲波測距程序設(shè)計、光線檢測程序設(shè)計、顯示程序設(shè)計、語音播報程序設(shè)計、學習時間定時程序設(shè)計、按鍵程序設(shè)計和藍牙程序設(shè)計等。主程序設(shè)計流程如圖8 所示。

圖8 主程序設(shè)計流程

3.1 超聲波測距程序設(shè)計

單片機向超聲波模塊的觸發(fā)信號引腳Trig 輸入大于10 μs 的高電平，模塊可自動發(fā)出8 個40 kHz 的方波信號[14]。有信號返回時，引腳Echo 輸出高電平，高電平持續(xù)時間即為超聲波從發(fā)射到返回的時間，這個時間可以采用單片機內(nèi)部的定時器獲得。當Echo 為高電平時啟動定時器，當Echo 為低電平時停止定時器，即可計算出超聲波往返時間。超聲波測距程序流程如圖9 所示，距離公式為：

圖9 超聲波測距流程

式中：d為測量距離，單位為m；v為聲速，單位為m/s；t為超聲波從發(fā)射到返回的時間，單位為s。

3.2 光線檢測程序設(shè)計

采用ADC0832 將光敏電阻電壓變化轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。ADC0832 啟動A/D 轉(zhuǎn)換前需將片選引腳CS 置為低電平。第一個脈沖下降沿之前，數(shù)據(jù)信號輸入引腳DI保持高電平，啟動A/D 轉(zhuǎn)換。第2 和第3 個脈沖是通道選擇，文中采用單通道、通道0，因此第2、第3 脈沖DI 值為“1”“0”。第4～第11 共8 個下降沿從高位到低位讀數(shù)據(jù)，第11～第18 共8 個下降沿從低位到高位讀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取完成后將片選引腳CS 置為高電平。將兩次讀取的數(shù)據(jù)進行比較，如果相等則返回值。光線檢測程序流程如圖10 所示。

圖10 光線檢測程序流程

3.3 顯示程序設(shè)計

采用LCD1602 字符型液晶顯示器顯示相關(guān)信息。單片機控制LCD1602 顯示字符，只需將待顯示字符的ASCII 碼寫入顯示數(shù)據(jù)存儲器，就可將字符在顯示器上顯示出來。LCD1602 程序主要包括初始化、讀狀態(tài)、寫命令、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)、顯示位置確定等。只需通過對RS、RW、E 這3 個引腳置“1”或清“0”，就可實現(xiàn)對LCD1602 的讀寫操作。LCD1602 顯示程序流程如圖11 所示。

圖11 顯示程序流程

3.4 語音播報程序設(shè)計

單片機通過三線串口與WT588D 語音芯片通信，通過三線串口發(fā)送語音地址就可以播放存放在該地址中的語音段，語音文件在WT588D 語音芯片中對應(yīng)的地址如表1 所示，語音播報程序流程如圖12 所示。

表1 語音文件地址

圖12 語音播報程序流程

3.5 學習時間定時程序設(shè)計

采用單片機內(nèi)部定時器T1 實現(xiàn)學習時間定時，定時器T1 工作在方式1、定時模式下，采用中斷方式，設(shè)置基本定時時間為50 ms。設(shè)變量num 用于記錄進入中斷次數(shù)，變量shi、fen、miao 用于記錄時、分、秒。學習時間定時流程如圖13 所示。

圖13 學習時間定時流程

3.6 按鍵程序設(shè)計

按鍵程序設(shè)計實現(xiàn)學習開始、暫停以及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，定義變量view 表示參數(shù)設(shè)置。在S3（設(shè)置按鍵）沒有按下的情況下，當view=0 時，按下S1 開始學習，測量距離、光線強度、學習時間定時，根據(jù)測量值與設(shè)定值比較發(fā)出不同的語音報警；按下S2 暫停學習，系統(tǒng)停止測量。在S3（設(shè)置按鍵）按下的情況下，進入?yún)?shù)設(shè)置，view 值加1，根據(jù)view 值進入相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置界面。按鍵程序設(shè)計流程如圖14 所示。

圖14 按鍵程序設(shè)計流程

3.7 藍牙程序設(shè)計

HC-05 藍牙模塊具有命令響應(yīng)和自動連接兩種工作模式。藍牙模塊工作在命令響應(yīng)模式時，可通過向模塊發(fā)送各種AT 指令為藍牙模塊設(shè)定控制參數(shù)，比如藍牙名字、密碼、波特率等，藍牙模塊參數(shù)設(shè)置如表2 所示。藍牙模塊處于自動連接時，模塊又可分為主（Master）、從（Slave）和回環(huán)（Loopback）三種工作角色[15]，文中HC-05 藍牙模塊設(shè)置為從設(shè)備模式。手機端搜索周圍藍牙設(shè)備，找到表2 中的藍牙設(shè)備名字，輸入密碼即可配對成功，實現(xiàn)藍牙通信。

表2 藍牙模塊參數(shù)設(shè)置

4 系統(tǒng)測試

采用C51 語言在Keil μVision 4 軟件平臺中編寫程序，編譯無誤后生成HEX 文件下載到單片機芯片中，程序下載完成后，給實驗板通電。

按下S3 鍵進入?yún)?shù)設(shè)置界面，設(shè)置距離報警值為0.3 m，光線下限報警值為30%，光線上限報警值為80%，為了便于測試，將學習時間設(shè)定為5 min，即00：05：00。設(shè)置完成后按下S3 鍵退出參數(shù)設(shè)置。

打開手機藍牙，找到HC-05 藍牙設(shè)備，輸入密碼：1234，完成配對，進行藍牙通信。按下S1 按鍵開始學習，當測量值大于各設(shè)定報警值時，LCD 液晶顯示器和手機APP 顯示測量值，語音模塊不發(fā)出語音提醒，無報警時的顯示界面如圖15 所示。

圖15 無報警時顯示圖

當測量距離小于設(shè)定值時，語音模塊發(fā)出“距離太近，請坐直”報警提醒；當光線值小于光線下限值時，語音模塊發(fā)出“光線太暗”報警提醒；當光線值大于光線上限值時，語音模塊發(fā)出“光線太強”報警提醒；當學習時間達到設(shè)定的學習時間時，語音模塊發(fā)出“時間到了，休息一會兒”報警提醒。與此同時，手機APP 端也會出現(xiàn)相應(yīng)的文字提示，界面顯示如圖16 所示。

圖16 有報警時手機APP 端顯示

5 結(jié) 論

本文以STC89C52 單片機為控制器，設(shè)計一種多功能視力保護儀。該視力保護儀具有距離測量、光線強度檢測、語音播報、藍牙通信等功能。對視力保護儀的硬件設(shè)計進行了詳細的介紹，從超聲波測距電路、光線檢測電路、語音播報電路、顯示電路、按鍵電路、藍牙電路等多方面展開設(shè)計；對軟件設(shè)計從多角度進行了詳細的介紹。

對視力保護儀進行了測試，測試結(jié)果表明：該視力保護儀能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能，通過手機APP 也可以實時查看距離、光線強度等信息，并且當測量值與設(shè)定值不同時會發(fā)出語音播報提醒，手機APP 出現(xiàn)文字提醒，便于家長遠程監(jiān)督。該保護儀結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、功能全，能夠?qū)崿F(xiàn)視力保護，具有較強的應(yīng)用價值和廣闊的市場前景。