賈巖巖，龐月枚

（桂林師范高等?？茖W(xué)校，廣西桂林， 541001）

0 引言

近年來(lái)，青少年視力的下降趨勢(shì)已引起廣泛關(guān)注。無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，學(xué)生近視已成為當(dāng)今世界范圍內(nèi)發(fā)病率較高的眼病之一。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和學(xué)習(xí)壓力的增加，過(guò)度用眼已逐漸成為現(xiàn)代人常見的不良習(xí)慣，這也是導(dǎo)致青少年近視加重的主要原因之一。然而，許多的產(chǎn)品功能單一、提醒效果不好，無(wú)法滿足人們對(duì)于視力保護(hù)的需求，這也讓人們的眼健康問(wèn)題日益突出。

為此，我們迫切需要設(shè)計(jì)一款視力保護(hù)設(shè)備。其中，最根本的解決方法是改變使用不正確的讀寫姿勢(shì)，才能有效地預(yù)防近視等問(wèn)題的發(fā)生。因此，設(shè)計(jì)一種全新的視力保護(hù)品即尤為重要?；诖诵枨?，本文采用單片機(jī)多功能語(yǔ)音技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款多功能視力保護(hù)儀，以解決當(dāng)前市場(chǎng)上視力保護(hù)產(chǎn)品功能單一、提醒效果不佳等問(wèn)題，同時(shí)能夠針對(duì)性地進(jìn)行視力保護(hù)及身姿矯正，有效避免了使用不正確的讀寫姿勢(shì)所帶來(lái)的種種問(wèn)題。

該款視力保護(hù)儀可以通過(guò)語(yǔ)音提示、振動(dòng)提醒等多種方式，讓人們時(shí)刻牢記用眼保護(hù)的重要性，同時(shí)還可以記錄當(dāng)前的使用時(shí)間和姿態(tài)情況，并據(jù)此提供個(gè)性化的使用建議。此外，它還能夠配合相應(yīng)的軟件系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析，進(jìn)一步提高視力保護(hù)的效果?？傊?，這款產(chǎn)品旨在為人們打造一個(gè)科技化、智能化且高效的視力保護(hù)方案，良好地服務(wù)于每一位有需要的用戶，幫助人們有效地保護(hù)自己的視力健康。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

這款多功能視力保護(hù)儀采用STC89C52 單片機(jī)作為核心控制單元，使用多種功能模塊，包括主控制模塊，電源模塊，按鍵控制模塊，測(cè)距模塊，顯示模塊，光線強(qiáng)度檢測(cè)模塊，以及報(bào)警提示模塊。整體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示，涵蓋了全部的功能模塊，為人們提供了全方位的視力保護(hù)服務(wù)。

圖1 設(shè)計(jì)總方框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該設(shè)備硬件部分包括主控制器、超聲波測(cè)距模塊、光線檢測(cè)模塊、LCD 顯示模塊和蜂鳴器告警模塊、語(yǔ)音提示模塊構(gòu)成，可以有效地檢測(cè)光線的亮度、人體與書本之間的距離，并具備時(shí)間計(jì)時(shí)功能。

■2.1 主控制模塊

主控制器是多功能視力保護(hù)儀的核心模塊之一，它主要與顯示模塊、語(yǔ)音模塊、晶振電路、AD 模塊及按鍵模塊相連。控制器的P0 口用于接收和輸出指令字節(jié)，同時(shí)也連接了顯示模塊，實(shí)現(xiàn)了屏幕數(shù)據(jù)的顯示。P1 口則作為主控制模塊的輸入端口，在其中，P1.0 和P1.2 分別作為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的輸入端口，與顯示屏相連以實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)時(shí)間的顯示。另外，P13/14/15 主要與AD 模塊相連，實(shí)現(xiàn)光線強(qiáng)度的檢測(cè)。

在主控制模塊中，P2 口能夠輸出P2 鎖存器的內(nèi)容，它通過(guò)編程并接收控制信號(hào)，連接了語(yǔ)音芯片，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音提示的功能。而P3 口，則被用于接收控制信號(hào)，并作為一個(gè)特殊功能模塊，連接了獨(dú)立控制器，對(duì)相應(yīng)的應(yīng)用進(jìn)行閾值設(shè)置，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。主控模塊電路如圖2 所示。

圖3 蜂鳴器報(bào)警電路圖

■2.2 報(bào)警電路

多功能視力保護(hù)儀中的報(bào)警電路是一項(xiàng)非常重要的功能模塊，它能夠通過(guò)蜂鳴器和語(yǔ)音播報(bào)模塊來(lái)提醒用戶注意眼睛健康和正確使用姿勢(shì)。在該設(shè)備中，使用三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，且將蜂鳴器與發(fā)光二極管進(jìn)行并聯(lián)使用，實(shí)現(xiàn)聲音和燈光的同時(shí)報(bào)警作用。

具體地說(shuō)，蜂鳴器和發(fā)光二極管的正極連接到三極管的集電極，負(fù)極則接地。而三極管的基極通過(guò)限流電阻連接到問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)，蜂鳴燈會(huì)亮起并發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)語(yǔ)音播報(bào)也會(huì)提醒使用者注意保護(hù)眼睛。語(yǔ)音電路如圖4 所示。

圖4 語(yǔ)音電路圖

■2.3 液晶顯示電路

單片機(jī)的引腳上，并可通過(guò)程序控制引腳的電平高低來(lái)控制報(bào)警電路是否工作。

當(dāng)控制器的P2.7 管腳輸出高電平時(shí)，三極管截止，無(wú)法形成回路，發(fā)光二極管不會(huì)導(dǎo)通，蜂鳴器也不會(huì)發(fā)出告警聲音。而當(dāng)控制器輸出低電平時(shí)，三極管將導(dǎo)通形成告警回路，這時(shí)，蜂鳴器和發(fā)光二極管將發(fā)生聲光告警。因此，報(bào)警電路可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)程序控制來(lái)控制蜂鳴器是否發(fā)出聲音或者發(fā)光二極管是否發(fā)亮等功能。蜂鳴器報(bào)警電路如圖3 所示。

另外，該系統(tǒng)還采用了語(yǔ)音播報(bào)模塊來(lái)提醒用戶。該模塊是通過(guò)連接喇叭與語(yǔ)音芯片構(gòu)成的，主要完成單片機(jī)程序中固定的提示內(nèi)容文本內(nèi)容的播報(bào)，直接將信息傳達(dá)給使用者。該模塊連接到主控模塊P2 口，并通過(guò)采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。當(dāng)使用者與書桌之間的距離過(guò)近、光線過(guò)弱等液晶顯示電路采用LCD1602液晶顯示器作為顯示數(shù)據(jù)的器件，由LCD 控制器、驅(qū)動(dòng)電路、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器以及液晶顯示面板共同組成。該電路通過(guò)與單片機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊電路發(fā)送給單片機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在顯示器上。具體來(lái)說(shuō)，D0-D7分別接到單片機(jī)的P0.0-P0.7 管腳，E 接到單片機(jī)的P1.2管腳，RW 接到單片機(jī)的P1.1 管腳，RS 接到單片機(jī)的P1.0管腳，R1 連接顯示LCD 顯示模塊的VO 管腳，用來(lái)調(diào)節(jié)液晶顯示器明暗亮度。此外，在顯示屏上還能夠?qū)崟r(shí)顯示數(shù)字，包括當(dāng)前學(xué)習(xí)時(shí)間、光線強(qiáng)度以及頭部與桌面的距離。該液晶顯示電路中，LCD1602 管腳圖如圖5 所示?？偟膩?lái)說(shuō)，該電路設(shè)計(jì)合理，能夠穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和顯示，具有較高的實(shí)用性和可靠性。

圖5 LCD1602 管腳圖

■2.4 按鍵控制電路

按鍵控制模塊用6 個(gè)獨(dú)立按鍵來(lái)進(jìn)行設(shè)定參數(shù)，和設(shè)定光照強(qiáng)度報(bào)警值。按鍵電路如圖7 所示，S0 為學(xué)習(xí)時(shí)間的加鍵，引腳連接單片機(jī)P3.0 口；S1 為學(xué)習(xí)時(shí)間的減鍵，引腳連接單片機(jī)P3.1 口；S2 為學(xué)習(xí)的開始鍵，也是時(shí)間的復(fù)位鍵，引腳連接單片機(jī)P3.4 口；S3 為學(xué)習(xí)時(shí)間的暫停鍵，當(dāng)暫停鍵按下之后即使光線強(qiáng)度和頭部到桌面的距離超過(guò)設(shè)定值也不會(huì)發(fā)生報(bào)警，同時(shí)也是設(shè)置S5 的減鍵。引腳連接單片機(jī)P3.5 口；S4 為學(xué)習(xí)時(shí)間的繼續(xù)鍵，也是設(shè)置S5 的加鍵，引腳連接單片機(jī)P3.6 口；S5 為設(shè)置值鍵，通過(guò)S3、S4 鍵實(shí)現(xiàn)數(shù)值的加減，設(shè)置人與桌面的距離，設(shè)置光強(qiáng)度的閾值，完成后按S5 退出，引腳連接單片機(jī)P3.7 口。按鍵控制電路如圖6 所示。

圖6 按鍵控制電路圖

圖7 光照強(qiáng)度檢測(cè)電路圖

■2.5 光照強(qiáng)度檢測(cè)電路

光照強(qiáng)度檢測(cè)電路由光敏電阻和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0832 組成。

當(dāng)環(huán)境中的光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，光敏電阻的阻值也會(huì)發(fā)生變化，所分得的電壓也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元將光敏電阻所分得的電壓值轉(zhuǎn)換成8 位的數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)管腳進(jìn)行處理，得到環(huán)境的光照強(qiáng)度，再將光照強(qiáng)度顯示在LCD 顯示屏上。

此外，當(dāng)光線小于設(shè)定范圍時(shí)，聲光報(bào)警與語(yǔ)音提醒將會(huì)提醒使用者，提示當(dāng)前光度較弱不適宜用眼。綜上所述，光照強(qiáng)度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)合理，可靠性高，能夠?qū)Νh(huán)境中的光強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)報(bào)警和提醒的方式來(lái)保障用戶的視力健康。該電路如圖7 所示。

■2.6 超聲波坐姿測(cè)距

超聲波坐姿測(cè)距采用HC-SR04 模塊。該模塊利用超聲波的原理，通過(guò)接收器接收回響信號(hào)的時(shí)間差來(lái)計(jì)算兩點(diǎn)之間的距離。四個(gè)管腳中VCC 接5V 電源，GND 接地，Trig口接單片機(jī)的P1.6 口觸發(fā)超聲波信號(hào)，Echo 口接主控模塊P1.7 口輸入回響信號(hào)。整個(gè)電路圖如圖8 所示?？傊?，超聲波坐姿測(cè)距電路簡(jiǎn)單可靠，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體坐姿的距離檢測(cè)，并為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供了基礎(chǔ)支持。

圖8 超聲波坐姿測(cè)距電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)主程序、超聲波測(cè)距子程序、液晶顯示子程序、報(bào)警子程序及按鍵模塊子程序。

■3.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其流程包括初始化、超聲波測(cè)距、光照強(qiáng)度判定、學(xué)習(xí)時(shí)間判定等多個(gè)步驟。在初始化后，程序會(huì)進(jìn)行超聲波測(cè)距，并對(duì)所得實(shí)際距離進(jìn)行判定。

若所測(cè)距離小于系統(tǒng)所設(shè)置的閾值，則產(chǎn)生聲光告警，否則繼續(xù)下一步。程序采集當(dāng)前的環(huán)境光照強(qiáng)度，若不符合設(shè)定值將發(fā)出告警，符合則進(jìn)行學(xué)時(shí)判定，超過(guò)所設(shè)閾值同樣會(huì)觸發(fā)告警，未達(dá)到學(xué)時(shí)閾值則返回第一步重新測(cè)量距離。系統(tǒng)主程序流程圖如圖9 所示。

圖9 主程序流程圖

■3.2 部分子程序設(shè)計(jì)

3.2.1 超聲波測(cè)距子程序設(shè)計(jì)

在測(cè)距模塊開啟后，該程序首先需要一個(gè)位置標(biāo)志位，并選擇定時(shí)計(jì)數(shù)到1s 的位置，在發(fā)射端向外發(fā)射聲波的同時(shí)內(nèi)部開啟定時(shí)器和中斷模塊。當(dāng)聲波一直向外發(fā)射的過(guò)程中，若中斷被觸發(fā)，則說(shuō)明發(fā)出去的超聲波遇到了障礙物，此時(shí)計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，由單片機(jī)計(jì)算實(shí)時(shí)距離。反之，若沒有障礙物，超聲波會(huì)繼續(xù)向外發(fā)射。在計(jì)算距離的過(guò)程中，若距離小于設(shè)定閾值，則蜂鳴器和語(yǔ)音報(bào)警器將會(huì)發(fā)出報(bào)警。這樣，通過(guò)超聲波測(cè)距子程序的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體坐姿的距離檢測(cè)，并能夠?yàn)楹罄m(xù)的數(shù)據(jù)處理提供基礎(chǔ)支持。該子程序流程圖如圖10 所示。

圖10 超聲波子程序流程圖

3.2.2 測(cè)光子程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化完成后檢測(cè)光敏電阻分得的模擬電壓，再將電壓通過(guò)AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機(jī)處理后判斷是否超過(guò)所設(shè)最低值，若是則進(jìn)行蜂鳴器告警和語(yǔ)音播報(bào)提醒，否則返回重新檢測(cè)光敏電阻的電壓。這樣，通過(guò)測(cè)光子程序的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境光線強(qiáng)度的檢測(cè)和報(bào)警提示，進(jìn)一步保障人體健康。該子程序流程圖如圖11 所示。

圖11 測(cè)光子程序流程圖

3.2.3 報(bào)警子程序設(shè)計(jì)

報(bào)警子程序是包括蜂鳴器和語(yǔ)音兩者相結(jié)合。該系統(tǒng)可以設(shè)置和調(diào)節(jié)眼睛與書本之間的安全距離，在特定情況下，超出安全距離時(shí)會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警與語(yǔ)音播報(bào)。當(dāng)光線小于設(shè)定范圍時(shí)，聲光報(bào)警與語(yǔ)音提醒使用者，當(dāng)前光度較弱不適合用眼；同時(shí)，當(dāng)學(xué)習(xí)時(shí)間達(dá)到設(shè)定值，蜂鳴器也會(huì)發(fā)出報(bào)警。該子程序流程圖如圖12 所示。

圖12 報(bào)警子程序流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

■4.1 硬件調(diào)試

在焊接電路板的時(shí)候，從單片機(jī)開始，一步一步地焊接并且一定要隨時(shí)檢測(cè)電路是不是導(dǎo)通的。焊接完成后，用STCISP 下載軟件并進(jìn)行功能檢測(cè)。程序下載完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行上電。

實(shí)測(cè)中，通過(guò)按鍵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置使用距離、光線強(qiáng)度和學(xué)習(xí)時(shí)間。系統(tǒng)開始工作，開始使用計(jì)時(shí)，第一，控制液晶顯示，顯示超聲波距離、光檢測(cè)閾值、學(xué)習(xí)時(shí)間是正常的話，說(shuō)明這部分正常。第二，加入超聲波測(cè)距程序，并調(diào)整超聲波的來(lái)達(dá)到預(yù)期的效果，超過(guò)閾值發(fā)出報(bào)警，提醒使用者保持距離，則為正常。第三，光照強(qiáng)度是否低于設(shè)置閾值，低于閾值則發(fā)出報(bào)警，即為正常。第四，當(dāng)學(xué)習(xí)時(shí)間到，發(fā)出報(bào)警，則為正常。實(shí)物圖如圖13 所示。

圖13 實(shí)物圖

■4.2 軟件調(diào)試

軟件調(diào)試一般分為以下四個(gè)階段：

（1）編寫程序并初步檢查錯(cuò)誤；

（2）在匯編語(yǔ)言的編譯系統(tǒng)中編譯源程序；

（3）編制程序的鏈接，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)程序中存在的錯(cuò)誤；

（4）改正錯(cuò)誤。

軟件編程檢查完，將單片機(jī)放到程序下載器上，通過(guò)USB 口與電腦連接，用STC-ISP-V480 軟件將仿真調(diào)試過(guò)的程序下載到單片機(jī)中。最終修改為0 錯(cuò)誤與0 警告，軟件調(diào)試圖如圖14 所示。

圖14 軟件調(diào)試圖

■4.3 綜合調(diào)試

在完成系統(tǒng)軟件和硬件的設(shè)計(jì)后，我們將設(shè)計(jì)好的軟件刻錄至單片機(jī)中，以檢測(cè)軟硬件的兼容情況，并確定是否能夠依據(jù)預(yù)期目標(biāo)運(yùn)行。同時(shí)，我們還會(huì)具體檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率，排查出所有的bug 并進(jìn)行程序結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在這一過(guò)程中，我們進(jìn)行了多次測(cè)試運(yùn)行，以確保超聲波測(cè)距、光線感知、定時(shí)時(shí)間和提示報(bào)警等功能能夠正常工作。通過(guò)測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和效率，并能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)人體坐姿狀態(tài)，提醒用戶調(diào)整姿勢(shì)。

具體來(lái)說(shuō)，我們?cè)谡{(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)距離過(guò)近、亮度過(guò)暗或者學(xué)習(xí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地感知這些情況，并及時(shí)發(fā)出報(bào)警提示。這種智能化的設(shè)計(jì)讓使用者可以更加方便的控制自己的坐姿，避免長(zhǎng)時(shí)間不正確的坐姿導(dǎo)致身體不適?？傊?jīng)過(guò)多次測(cè)試和調(diào)試，我們成功地設(shè)計(jì)出了一個(gè)高效、穩(wěn)定、智能的電路系統(tǒng)，為人們的生活和健康帶來(lái)了極大的便利和保障。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用STC89C52 單片機(jī)作為多功能視力保護(hù)儀的核心控制單元，具有高效、穩(wěn)定和可靠的特點(diǎn)。

通過(guò)綜合測(cè)試，該設(shè)備能夠進(jìn)行環(huán)境光過(guò)低、實(shí)現(xiàn)學(xué)時(shí)過(guò)長(zhǎng)提醒，并且可以通過(guò)按鍵掃描對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行手動(dòng)切換。此外，系統(tǒng)還配備了USB 接口，可以接光板，根據(jù)使用者需要自行選擇是否使用，提高了系統(tǒng)的使用靈活性。通過(guò)安裝調(diào)試，該系統(tǒng)穩(wěn)定性高，操作簡(jiǎn)單，方便實(shí)用。各個(gè)模塊能夠順暢運(yùn)行，基本能達(dá)到預(yù)設(shè)的各項(xiàng)功能。啟動(dòng)計(jì)時(shí)器后，可以開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)間能夠顯示在屏幕上，使用者可以根據(jù)需要自行設(shè)置使用時(shí)間。同時(shí)，顯示屏還可以顯示人所處的環(huán)境亮度及使用者與桌面的距離范圍，這些信息對(duì)于保護(hù)眼部健康非常重要。

本設(shè)計(jì)還有某些不太完善的地方：

（1）設(shè)計(jì)應(yīng)用單一。目前視力保護(hù)儀理論上能使人們端正坐姿，但是當(dāng)學(xué)生側(cè)身以手托腮、側(cè)身趴在桌上或者靠在椅背時(shí)不能對(duì)坐姿進(jìn)行監(jiān)測(cè)矯正。

（2）未加入監(jiān)視功能，不可以通過(guò)Wi-Fi 將與手機(jī)APP 相連接，不方便于家長(zhǎng)更好地監(jiān)督學(xué)生情況。