基于一種磁懸浮視力檢測儀的探索

江門職業技術學院電子與信息技術系 梁季彝 李子華

該磁懸浮智能視力檢測儀通過采用磁懸浮技術控制視力測試板的轉動角度，結合智能測距傳感器，從而提高視力測量的準確性；把原為人工指點視標（E）的測試改成用自動隨機LED燈指點控制，配置一個遙控器由測試人員自行判斷視標方向，使得視力檢測工作智能化，不僅提高視力檢測的工作效率，而且減少醫務人員的工作量。

引言：經調查國內目前應用在視力檢測方面的項目仍然是以人工為主導，這樣會占據醫護人員大量工作時間。目前醫護人員短缺，如果此產品投入國內市場將會緩解醫護人員短缺問題，有利國內體檢事業的發展。

1 研究內容

該項目采用STM32單片機為控制平臺，相比傳統的人工操作大大的節約了人力，以及更加準確地檢測視力，STM32單片機控制隨機亮起視標板中每個視標下方的LED燈，這樣來代替人工操作。大大節約了醫護人員的資源，可以實現一個醫護人員管理多臺機器。

2 基本思路

以STM32為主控芯片，利用磁懸浮技術控制視力測試板的轉動角度，結合測試人員頭部上的測試頭箍中心位置的超聲波測距傳感器發送裝置和視力檢測儀左右兩邊的接收裝置，使視力測試板與人體頭部處于同一水平直線上，從而保證視力測量的準確性；把原為人工指點視標（E）的測試改成用隨機LED燈指點，配置一個遙控器由測試人員自行判斷視標方向（即：測試人員看著視力測試表的視標方向選擇相應的方向按鍵），通過無線通信模塊實現遙控器與主控模塊之間的數據交換，從而實現用智能化設備代替繁重的醫護人員工作的目的。如下分別為磁懸浮智能視力檢測儀系統框圖（見圖1）、視力檢測儀（見圖2）和測試頭箍外觀圖（見圖3）。

圖1 磁懸浮智能檢測儀系統框圖

圖3 測試頭箍外觀

3 磁懸浮技術應用

在磁懸浮的控制下，在測試人員頭部上的測試頭箍中心位置加裝超聲波測距傳感器發送裝置，對準視力檢測儀左右兩邊的接收裝置使收發信號形成等腰三角形態勢，當頭部轉動時左邊距離大于右邊距離時磁懸浮控制視力測試板向右轉動，右邊距離大于左邊距離時磁懸浮控制視力測試板向左轉動，這樣使得視力測試板跟著頭部的轉動始終處于同一水平直線上，達到減少測量誤差的目的。

3.1 測試流程

把原為人工指點視標（E）的測試改成用隨機LED燈指點，配置一個遙控器由測試人員自行判斷；每級別如三個以下視標（E）要判斷全對才能進行下一級別測試，否則退回上一級別測試；每級別如三個以上的視標（E）則隨機抽取三個視標進行檢測，正確判斷兩個以上則進行下一級別測試，否則往上一個級別測試，如果累計兩次同一級別則輸出本級別測試結果并在級別指示燈處顯示綠燈。

3.2 磁懸浮技術原理分析

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

（2）超導體和永磁體之間為什么可以實現穩定的磁懸浮？

第一，超導體處于完全抗磁效應狀態；兩者之間只有斥力，不能實現穩定磁懸浮，如圖4所示。

第二，超導體處于混合狀態，具有非完全抗磁性；兩者之間同時具有吸引力和排斥力，可以實現自穩定磁懸浮，如圖5所示。

圖4 超導體抗磁狀態

圖5 超導體混合狀態

（3）利用磁極交錯排列的方式組合，如圖6所示，形成具有非勻稱磁場分布的組合磁體，超導體可穩定懸浮在軌道之上，如圖7所示，但不能運動，只能靜止懸浮在一個位置，也不能旋轉；利用這種原理，可制作的分離超導磁懸浮電機，同時也可以通過改變磁體分布，設計制作了可分離超導磁懸浮電機，如圖8所示。該電力的風輪懸浮在空中，不僅很容易分離，而且可實現隔空動力傳輸。

圖6 非均勻磁場組合

圖7 改變磁體分布

圖8 利用磁場隔空傳輸動力

（4）磁懸浮底座設計及其視力檢測板對于視力測試儀左右轉動角度的控制，代替了傳統的機械結構，使儀器變得更加靈活準確輕便。

（5）磁懸浮上下浮原理（以鋼球為懸浮對象）。下浮原理：以沿軸向均勻磁化圓環（或盤）形永久磁體產生的磁場作為磁場源，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（或環）形磁體的同一側，且垂直于其中軸線，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（或盤）形永久磁體會對被懸空鋼球產生一個向上的吸引力，靠近圓環（或盤）形永久磁體的輔助鋼球會對被懸浮產生一個向下的斥力。當作用在被懸浮鋼球上的吸引力于斥力及其重力達到平衡時，被懸浮的鋼球就可以穩定的懸浮在空中。當圓環（或盤）形永久磁體沿著轉動時，被懸浮的小鋼球就隨之懸浮運動。上浮原理：以沿軸向均勻磁化圓環形永久磁體產生的磁場作為磁場源，圓環形永久磁體產生的磁場，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。這樣的磁場分布，使得鋼球磁化行為更復雜，可分為三個區域：第一，當鋼球在磁體上部接近圓孔的空間范圍時，其磁化方向是向下的；第二，當鋼球在磁體在其上部遠離圓孔的區域內時，其磁化方向是向上的；第三，當鋼球在磁體上部介于這兩個區間時，被懸浮鋼球則同時具有向上向下的磁化現象。在第三種情況下，當鋼球向下的磁化分量與磁體向上的磁場產生的向上的斥力，與鋼球向上的磁化分量與磁體向上的磁場產生的向下的吸引力及重力打到平衡時，上懸浮鋼球就會被穩定的懸浮在空中，從而實現鋼球的穩定上懸浮（如圖9所示）。

圖9 鋼珠重力與磁體的磁力達到平衡時

4 應用技術

本檢測儀是采用單片機、磁懸浮技術和傳感器應用，以智能化為目的，為視力檢測的工作提供極大的便利。該項目可以在多種場合上應用，能快速準確地得到測量結果，無需太多的人力，該測試儀不僅節省了人力而且提高了效率。該系統在測試頭箍上加裝超聲波測距傳感器發送裝置，與視力測試板左右兩端的接收裝置形成等腰三角形收發態勢，通過超聲波測距比較等腰邊長，利用磁懸浮技術控制視力測試板轉動，使得等腰邊長始終相等，從而視力測試板與人體頭部始終處于同一水平直線上，這樣可以避免反光對測試結果的影響，并且提高視力測試的準確度。

結論：綜上所述本項目利用單片機控制LED的隨機發光順序來讓被檢測人進行判斷，然后收集數據進行判斷被檢測人是否具有視力上的問題，采用紅外線傳感器和先進的磁懸浮技術來進行調整視標板的角度。該磁懸浮智能視力檢測儀內置電池和USB充電供電，將檢測儀做到輕量化，以便攜帶，利用單片機對整臺檢測儀進行控制，利用反饋的數據進行判斷。以STM32為主控芯片，利用磁懸浮技術控制視力測試板的轉動角度，結合測試人員頭部上的測試頭箍中心位置的智能測距傳感器發送裝置和視力檢測儀左右兩邊的接收裝置，使視力測試板與人體頭部處于同一水平直線上，從而保證視力測量的準確性；通過無線通信模塊2262發射編碼芯片和2272（L4、M4）接收解碼芯片的配合實現遙控器與主控模塊之間的數據交換，從而實現用智能化設備代替繁重的醫護人員工作的目的。