視力保護儀的研究與設計

商 瑩

(陜西國際商貿學院，陜西 咸陽 712046)

視力保護儀的研究與設計

商 瑩

(陜西國際商貿學院，陜西 咸陽 712046)

青少年人群視力問題不容樂觀，已經引起了社會各界的關注。調查結果顯示，小學生、初中生、高中生和大學生的視力低下率分別為27.96%、54.43%、73.8%和76.95%。面對這樣的結果，迫切需要研究一種幫助青少年保護視力的儀器。研究了具有多功能的視力保護儀，該保護儀能夠對環(huán)境溫度、坐姿及用眼時間進行監(jiān)測并報警。試驗表明，該系統(tǒng)能夠很好地保護青少年的視力。

視力保護儀；監(jiān)測；超聲波

我國青少年人群視力問題不容樂觀，調查結果顯示，小學生、初中生、高中生和大學生的視力低下率分別為27.96%、54.43%、73.8%和76.95%。面對這樣的結果，迫切需要研究一種幫助青少年保護視力的儀器。目前，國內外有很多企業(yè)在研究并已投入生產視力保護儀，但大部分產品均功能比較單一，不能從多個角度保護青少年的視力。本文研究的視力保護儀能夠從坐姿、環(huán)境光線和用眼時間等多個角度保護青少年的視力。

1 結構

該視力保護儀由核心控制模塊、報警模塊、超聲波模塊、檢測模塊和電源模塊5個部分組成(見圖1)。利用光敏電阻采集光信號，通過AD采集光線信號的強弱，把光線強度等級化，并設定報警等級，當光照不足時報警。利用超聲波測距傳感器測出人臉部與桌面的距離，當小于所設定的距離時報警提醒。通過單片機內部定時器計時，當使用達到所設定的時間時，電路自動發(fā)出聲音提示，提醒使用者注意休息。

圖1 視力保護儀總體框圖

2 硬件設計

2.1 控制單元

本視力保護儀采用STC89C52單片機作為核心控制單元。STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52在使用經典的MCS-51內核的基礎上做了很多的改進，使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52能夠實現(xiàn)系統(tǒng)的控制、報警和對信號的處理功能，電路如圖2所示。

圖2 主控單元電路圖

2.2 報警模塊

報警模塊中采用蜂鳴器報警，蜂鳴器具有使用方便簡單和價格實惠等優(yōu)點。蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機和定時器等電子產品中。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器2種類型。蜂鳴器主要采用三極管驅動。當主控單元中產生1個振蕩脈沖方波，輸出高電平，三極管導通，發(fā)光二極管亮，集電極電流通過蜂鳴器，蜂鳴器響；當輸出為低電平時，三極管處于截止狀態(tài)，發(fā)光二極管滅，蜂鳴器無電流通過，蜂鳴器不工作。

2.3 光強檢測模塊

光強的檢測通過光敏電阻元件實現(xiàn)。光敏電阻器是利用半導體的光電導效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉換。常用的光敏電阻器——硫化鎘光敏電阻器是由半導體材料制成的。由于光敏電阻器對光的敏感性(即光譜特性)與人眼對可見光波長為0.4～0.76 μm的響應很接近，所以只要人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化。

檢測模塊的主要原理為當光線發(fā)生變化時，光敏電阻的阻值發(fā)生變化，對應的電壓值不同。經過AD采集后就可以得到各種光照強度下的電壓值，從而設定出理想的光線強度報警值。電路如圖3所示。

圖3 光強采集電路

2.4 超生波測距模塊

超聲波通常指頻率>20 kHz的聲波。超聲波與能聽到的聲音本質是一樣的，都是機械波，以縱波的形式在彈性介質中傳播，也是能量的傳播。超聲波的頻率高、波長短，在一定的距離內有良好的方向性和束射性。由于波動中質點振動方向與波的傳播方向不同，可將波動分為多種波型，在超聲波檢測中主要應用的波型有縱波、橫波，表面波用的是超聲縱波。超聲場是被超聲波所傳播中所充滿的空間，想要使超聲波自由地向外擴散需要較大的超聲場；若超聲波不能自由向外擴散，說明與其相鄰的被測物距離小[1]。

超聲波傳感器可以轉換其他形式的能量或者把超聲波轉換成其他形式的器件。使用的超聲波傳感器主要有2大類：電聲類和流體動力類[2]。超聲波傳感器的結構有收發(fā)一體或收發(fā)分體式探頭、直探頭和斜探頭等多種形式。超聲波已經滲透到我們生活中的許多領域，例如B超、遙控、防盜和無損探傷等。本系統(tǒng)中采用超聲波傳感器來測量人眼與桌面的實際距離，通過精確的計算來達到保護青少年視力的目的，此模塊由發(fā)送模塊和接收模塊2個部分組成。

超聲波測距的方法有渡越時間法、幅值檢測法和相位檢測法。幅值檢測法的缺點是精度和抗干擾性最差，因此使用較少，優(yōu)點是容易實現(xiàn)。其原理是超聲波傳感器以一定的角度發(fā)射超聲波，超聲波發(fā)射的距離越遠，信號的損失越大，信號就越弱，因此可以通過收到的超聲波的幅度大小來推算距離的大小。相位檢測法又稱相位法，其原理是用低頻的正弦信號調制超聲波，通過測量發(fā)送端和接收端正弦信號的相位差來實現(xiàn)所測量的目標和發(fā)射機之間的距離，此方法優(yōu)點是精度高，但測得距離短。實際的工程應用中，通常采用渡越時間法的超聲波測距，其原理是通過測量超聲波發(fā)射和接收間的時間差，經過計算得到障礙物的距離，渡越時間法所測得的最大有效距離與超聲波發(fā)射器的發(fā)射功率和接收器的接收靈敏度有很大的關系[3-5]。

本設計使用收發(fā)一體式探頭，即系統(tǒng)中使用HC-RS04超聲波模塊，此模塊的測量精度可達到3 mm，測量距離可達到2～400 cm。超聲波測距模塊包括超聲波接收器、控制電路和超聲波發(fā)射器。該模塊的原理是超聲波模塊采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給IO口TRIG至少10 us的高電平信號；超聲波模塊自動發(fā)送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；若接收到信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離可通過下式進行計算：

3 軟件設計

視力保護儀系統(tǒng)的主程序主要分為坐姿檢測、學習時間倒計時和光線強度檢測3個部分。當檢測到坐姿不正確時、光線較強或較弱時、學習時間倒計時結束時蜂鳴器會報警提示，問題矯正后蜂鳴器自動停止報警。

圖4 系統(tǒng)坐姿檢測超聲波測距子程序流程圖

系統(tǒng)坐姿檢測超聲波測距子程序流程圖如圖4所示。系統(tǒng)開始初始化，由超聲波發(fā)生器發(fā)送超聲波，超聲波遇到物體后反射回來，然后接收超聲波，通過計算超聲波從發(fā)出到返回的時間計算出所測量的距離，最后顯示出結果。然后再次循環(huán)整個過程。

4 結語

本文設計了基于單片機TC89C52的視力保護儀，經過測試，該系統(tǒng)基本滿足設計目標，可以完成對環(huán)境光照、人的坐姿及用眼時間的監(jiān)測。該系統(tǒng)的使用能夠幫助青少年保護視力，具有很好的市場推廣價值。

[1] 沈燕，高曉蓉，孫增友，等. 基于單片機的超聲波測距儀的設計[J]. 現(xiàn)代電子技術，2012(7):126-129.

[2] 石彪，劉利枚，周鮮成. 一種自適應的超聲波傳感器模型的設計[J]. 壓電與聲光，2010(3):389-391.

[3] 蘭羽. 具有溫度補償功能的超聲波測距系統(tǒng)設計[J]. 電子測量技術，2013(2):85-87.

[4] 李云龍，卜雄洙，趙文，等. 新型嵌入式超聲波測距系統(tǒng)[J]. 儀表技術與傳感器，2012(1):97-99.

[5] 閆姝. 基于單片機的超聲波測距儀的設計[J]. 電子技術與軟件工程，2014(15):129.

責任編輯鄭練

ResearchandDesignofEyeProtectionDevice

SHANG Ying

(Shaanxi Institute of International Trade, Xianyang 212046, China)

There are some problems of the vision of young people, and it has attractecl much attention from the society. The survey results show that primary school, junior high school, high school and college students' poor eyesight rate is 27.96%, 54.43%, 73.8%, and 76.95%. To such results, we have the urgent need to study a kind of instrument to help teenagers to protect eyesight. This paper studies the eyesight protecting instrument which has lots of functions. This instrument can detect the ambient temperature, sitting posture, the time of using eyes and alarming. Experiments show that the system can effectively protect the youth eyesight.

eyesight protecting instrument, detect, ultrasonic

TP 273

：B

商瑩(1980-)，女，碩士，講師，主要從事信號與信息處理以及教學改革等方面的研究。

2014-12-15