一種分離式可佩戴視力保護器的設計

南京醫科大學基礎醫學院生物醫學工程系，江蘇南京 211166

一、前言

隨著電腦、電視及各種視頻多媒體的普及，社會壓力的增加和居民受教育程度的逐步提高，青少年學生長期近距離工作、超負荷用眼、讀寫姿勢不良等，導致視力低下，并發展成為常見病[1]。

近二十年來，中國青少年近視發生率逐年持續增長，近視率僅次于日本，位居世界第二位，近視總人數居世界第一位[2]，大中小學生視力不良檢出率高達68.44%[3]。在無法減輕學生學業壓力的情況下，保護視力需放在讀寫姿勢糾正上。

目前，除了采用傳統的食療法和用眼藥水緩解疲勞來保護視力外，國內外已針對性地開發多種類型的儀器。“眼保姆”[4]是采用電腦編碼脈沖技術模擬傳統針灸，作用于眼部穴位，消除眼疲勞，解決近視的外因；“坐視寶”[5]是采用耳掛式造型通過紅外傳感裝置來監控坐讀姿勢，并發出提示音糾正；“智能感控視力保護儀”[6]是用于玩電腦和看電視等娛樂場合，監測距離、時間、光照強度等外界環境參數來控制娛樂時間，從而保護視力。以上視力保護器存在價格偏高、效果不確定等問題，并且影響戴在兒童身上的舒適性。

本文設計的兒童視力保護器操作簡單、攜帶便利。采用耳掛式造型，利用超聲測定書桌與眼球的距離、提醒裝置可輔助調整坐讀姿勢，充分體現了智能化，符合創新的理念；參數采集與顯示裝置分離，使用藍牙連接，方便檢查學習狀態，達到保護視力的目的。從長遠來看，本視力保護器可以開發手機app，具有現實意義和良好的推廣前景。

二、總體設計

視力保護器由佩戴器部分和顯示控制裝置兩部分組成，系統框圖如圖1所示，以STC單片機為基礎進行一系列的控制。

佩戴器部分的外形類似于無線藍牙耳機，佩戴于單個耳朵上，較為小巧舒適，由光敏傳感器、距離檢測傳感器、STC15F104E及Bluetooth發送模塊組成，其主要作用是實時地采集傳輸光強信息以及距離信息。

STC15F104E的大小為17mm*10mm[7]，距離檢測傳感器的大小為35mm*20mm，光敏電阻的大小為27mm*14mm，Bluetooth發送模塊大小為13.5mm*18mm，整個佩戴器部分的平面尺寸約為50mm*30mm。

顯示控制裝置部分由LCD顯示屏、語音報警器、輸入設置按鍵、STC89C52及Bluetooth接受模塊組成，其主要作用是對接受到的光強信息和距離信息進行分析并給出應答，同時該部分也可對保護器的相關參數進行設置調整。

佩戴器部分和顯示控制裝置部分之間的信息傳輸采用藍牙透傳模塊，負責信息采集的佩戴器部分的藍牙負責發送數據，顯示控制部分的藍牙負責接收數據。兩部分系統功耗都較低，均可采用電池供電。

三、硬件設計

1、光強檢測

光強檢測采用光敏電阻傳感器模塊，此模塊由光敏電阻和比較器組成，靈敏度可以調節，比較器采用LM393芯片，工作穩定。如圖2所示，使用時VCC外接3.3V，數字量輸出接口OUT（0和1）接STC15F104E的P0.1口。輸出0表示沒有達到預先設定的光強值，輸出1表示已達到預設定光強值。使用者可根據自身需求，通過旋鈕調節滑動電阻R2的大小以此來設定不同的光強報警閾值，精確簡易。

2、距離檢測

測距采用HC-SR04超聲波模塊。其性能穩定，測度距離精確，盲區為2cm，精度可達0.3cm。此模塊感應角度不大于15°，探測距離為2cm～450cm，足夠滿足寫字使用時距離范圍和精度。

超聲波模塊工作操作步驟和距離計算方法如下：

(1)采用Trig（接STC15F104E的P0.2口）觸發測距，給至少10μs的高電平信號。

(2)模塊自動發送8個40kHz的方波，自動檢測是否有信號返回。

(3)有信號返回，通過Echo（接STC15F104E的P0.3口）輸出一高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間，測試距離為：

其中，L—測試距離；

t—接收信號高電平持續時間；

vs—聲速 340m/s。

由于普通閱讀距離是30cm左右，由公式（1）可獲得超聲來回時間約為1.75ms左右。因此，距離檢測的時間量級為毫秒級，單片機的晶振頻率為8MHz，也就是可計時精度為微秒級，完全滿足這一運算要求。

3、藍牙通信模塊

采用主從一體HM-11 串口藍牙透傳模塊，其使用TI CC-2540/1芯片符合藍牙4.0 BLE協議，超低待機功耗 90μA～400μA，只有一角硬幣大小，減少佩戴器部分體積和功耗。同時，其支持通過AT指令進行主從設置，顯示設置部分也使用其作為接收數據主機。

4、顯示控制報警模塊

顯示控制部分使用LCD 12864進行顯示，其5V背光亮度可調，不需額外供電，且自帶中英文字庫，可進行串行和并行控制。由于顯示控制部分實時性要求并不高，因此使用串行控制。

按鍵采用4x4行列式按鍵，支持數字、確認、取消等操作，滿足使用者進行光強、距離和使用時間的設定，超過設定值即進行語音報警。

語音報警采用SYN6288，引腳連接簡單，如圖3所示，可直接連接單片機。但由于藍牙模塊也使用串口進行設置和通信，因此，實際電路中增加了二選一數據選擇器74LS158。

5、控制器部分

佩戴器部分使用SOP8封裝的STC15F104E。這是一種增強型8051內核MCU，內部集成了2個16位可重裝載定時器，芯片不需要復位電路，上電自復位，內部集成了R/C時鐘，省去了外部晶振，可在線燒寫程序并在燒寫時可任意定義頻率支持串口下載。其引腳只有8個，除了電源外全部是I/O口（6個）。P0.1連接光強檢測模塊，P0.2控制超聲模塊進行測量，P0.3接收超聲模塊的時間信息，RXD和TXD連接藍牙透傳模塊。由于STC15F104E可以省去傳統單片機的復位電路、外部晶振電路，且采用貼片封裝，因此占用電路板面積非常小。又由于其低功耗設計，以每天使用2小時計算，3節AA電池可使用一個月。

控制顯示部分則使用STC89C52。其使用經典的8051內核，內部有在系統可編程8k字節Flash，512字節RAM，32 位I/O口線。可通過串口（RxD/P3.0，TxD/P3.1）直接下載用戶程序，無需專用編程器，方便開發。內部帶4K字節EEPROM存儲空間，用于存儲設置的參數。工作頻率范圍0～40MHz，相當于普通8051 的0～80MHz，在進行LCD顯示時有足夠快的顯示刷新速度。

四、軟件設計

軟件部分也分為佩戴器部分的程序和顯示控制部分的程序，從而實現保護器的相關功能。當啟動視力保護器時，佩戴器部分向顯示控制端發送檢測數據，顯示控制端接收到數據則說明開始用眼，進行計時，否則停止計時。在佩戴器部分和顯示控制端的數據傳輸過程中需設定相關的數據傳輸格式，如圖4所示。

當視力保護器進入正常工作狀態時，佩戴器部分發送0XAA 0XAA作為數據流的間隔和同步碼，加以區分不同的信息幀，而后緊跟的高8位代表光強信息，低8位數據值直接對應為檢測到的距離的大小，其單位為厘米。

1、佩戴器部分對應距離及光強的檢測程序

戴在使用者頭部的裝置會實時地監測周圍的光強以及使用者眼睛距離桌面的距離，并將其檢測到數據以上述格式傳送給顯示控制端。如圖5所示，單片機STC15F104E先從P3.1口讀取光敏電阻傳感模塊輸出的數值；然后采用查詢方式進行距離檢測，即由P3.2口發送Trig觸發信號，當檢測到P3.3口由低電平向高電平跳變時，啟動Timer開始計數，當檢測到P3.3口由高電平向低電平跳變時（若無，則返回重新檢測），讀取Timer的值，并計算出距離的數值，同時關閉定時器。此時，單片機STC15F104E會將P3.1的數值及計算出的出數據按照圖4格式發送給藍牙，如此循環。

2、顯示控制端對應程序

（1）距離及光強的接收

在程序剛啟動時，先發送測試數據，若能成功接收則啟動定時器，并設置相應的中斷flag，并觸發菜單功能進入菜單界面。若不能成功接受測試數據，則重新進行測試。在主菜單界面，可設置相應的參數值。該產品對不同的使用者來說，會存在一定的個體化差異，因此可以在主菜單界面設置符合自己條件的相應參數，包括光強閾值、距離閾值、定時時長等。

顯示控制器端接受由佩戴器部分傳送過來的相關信息，并在顯示屏上實時地進行相關數據的顯示。若接受到的數據超過保護器事先所設定的閾值，則觸發報警器進行語音提醒使用者注意坐姿及周圍光強的調節。

（2）時間提醒程序

使用者在長時間用眼后會產生一定的疲勞，需要定時地放松。因此，使用定時器實現該功能，但定時器每次進入中斷的時間間隔較短，需使用多次計數的方式達到較長時間的準確定時。具體是當定時器計滿后進入中斷，根據進入的次數判斷是否達到設定時間。當計算出的數值達到使用者事先所設定的時間時，則報警標志置位，以使主程序中觸發語音報警器提醒使用者進行休息，若沒有達到則繼續計時。

五、系統測試部分

光強傳感部分由于沒有進行數值化設置，因此只是從人眼感覺上進行測試。主要進行了光線處于適合用眼和不適合用眼的臨界值進行測試，符合設計情況，并且不會由于系統長時間的運行發生漂移。

距離檢測進行了擺放測試和實際佩戴測試。其中擺放測試為無干擾情況下使用白紙擺放在佩戴器中超聲測距模塊的發射路線上進行測量，精度達到0.1cm，滿足設計要求。實際佩戴測試是直接佩戴后在工作環境下進行測試，即在佩戴器周邊會有其他物品干擾，佩戴器進行轉動，并以佩戴器前端延伸距離為標準距離。共進行6組，每組20次測試，如表1所示是每組數據的平均值。

表 1 距離測試數據

可以看出測量距離會受周邊物品的干擾，從而會出現幾次測量不準確的情況，即表中標準差比較大的情況，但進行了多次平均后距離誤差就較小，幾乎還是能夠達到0.1cm數量級。

六、結論

本產品主要優勢在于結構小，分塊化，可進行商品化的批量生產。戴在使用者頭頂部分的采集裝置小巧、方便，與傳統的相比更加簡易、舒適。產品的采集部分與顯示部分相分離，因此信號采集部分可做得精細化，系統亦可以外拓更多的相關功能。未來本產品將在控制部分進行進一步研究，使其可與手機相連，控制更為方便、廣泛。