新型智能化超聲波視力保護系統

胡景勤

摘要：為了保護青少年視力，實現視力保護智能化，采用STC89C52主控制器，HC-sr04超聲波傳感器測距原理，主控制器和報警裝置，溫度測量和時鐘功能，LCD1602液晶顯示屏。利用C語言編寫程序，包括顯示、超聲波測距、光強檢測、記錄時間、語音報警、按鍵調光等模塊。在使用者與書本距離、環境光照強度及學習時間超過設定健康范圍，實施距離報警、光強報警及定時報警等功能，達到預防和保護視力目的。

關鍵詞：智能化;STC89C52;視力保護;LCD1602;超聲波傳感器

中圖分類號：TN98 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）11-0040-02

1背景

中華醫學會楊智寬教授介紹，目前中國近視患者人數已多達6億，7-12歲小學生、13-15歲初中生、16-18歲高中生及19-22歲大學生，其視力不良率分別為45.7%、74.4%、83.3%和87.7%。科學研究證實，兒童持續近距離用眼和戶外活動時長等是造成近視的決定性因素，最關鍵問題是預防近視、控制低度發展為高度近視。本研究利用單片機控制超聲波傳感器等，時刻督促提醒要端正坐姿，眼睛距離書本一尺左右，胸前距離桌子一拳左右，握筆時手要握在離筆尖一寸處等，幫助青少年養成科學用眼習慣和視力保護意識。

2總體研究方案

2.1系統主控結構

如圖1系統主控圖，采用STC89C52控制LCD1602顯示、DS13C887時鐘芯片、DS18b20溫度傳感器等，利用超聲波測距傳感器測量使用者與臺燈間距離。若使用者在一定范圍內則無任何提示;若低于最小閾值時傳感器發出一個反饋信號，單片機接受反饋信號則驅動報警裝置提醒使用者;若高于最大閾值時臺燈會自動切斷電源達到節約能源目的。

2.2超聲波測距原理

發射器發出超聲波，遇到障礙物被反射回來，接收器接收返回波。主控制器開始計時，計算接收到返回波時間，以空氣中波轉播速度計算測試距離。顯示當前時間，記錄持續工作時間。顯示環境溫度，有效調控工作環境溫度。手動調節燈光亮度，選擇一個眼睛舒適亮度，達到保護眼睛效果。實時監控使用者坐姿，超聲波模塊實時測距;處于最低限度45cm以下，主控制器觸發蜂鳴器報警，提醒使用者及時調整自己坐姿;處于最大限度2m以上時，系統會自動切斷燈光電源。

3系統電路功能模塊

3.1主控制器模塊

根據系統需求，采用STC89C52單片機，作為智能視力保護控制器，實現系統自動報警提醒，處理超聲波采集信號，處理DS18820所采集溫度系數，顯示到LCD屏上。如圖2單片機最小系統，有中央處理器、程序存儲器、數據存儲器、定時/計數器、串行并行接口、和中斷系統等，三大總線為數據總線、地址總線和控制總線，最核心是片內掩膜ROM型程序存儲器。

3.2坐姿檢測和LED按鍵模塊

利用超聲波傳感器測距方案，以臺燈到使用者胸前距離為一邊，以使用者眼睛到桌面距離為另一邊，利用勾股定理計算出第三條邊。當檢測到距離小于45cm時，觸發報警裝置提醒使用者及時調整坐姿，當大于2m時自動斷開電源達到節能效果。如圖3超聲波模塊電路，采用HC-SR04型號超聲波傳感器，包括超聲波發射器、接收器與控制電路具有2cm-400cm非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到3mm。

3.3報警電路模塊

報警裝置，采用無源蜂鳴器，是一種電子發聲器，在電路中一般用字母‘H或‘HA表示。如圖4報警電路圖，利用三極管驅動蜂鳴器，實現報警提示功能。當檢測到距離小于設定距離發出報警提示音，當大于最大設定距離斷開電源。利用單片機定時功能，產生一個震蕩脈沖方波，通過I/O口輸出一個高電平使三極管導通，電流通過蜂鳴器時發出聲音;當無振蕩方波信號時，處于低電平三極管截止，沒有電流流過蜂鳴器，不會發出報警聲音。

3.4溫度采集顯示模塊

溫度傳感器DS18820直接讀取數字，在傳感器上電狀態下默認精度12位。如圖5溫度采集電路模塊，在啟動前保持低功耗等待狀態，當需要測量溫度或AD轉換時，總控制器發出命令，以兩個字節存儲到高速暫存器中，傳感器則繼續保持等待狀態。

LCD1602點陣型液晶顯示，可以顯示數字、字母、符號等，內部有復位電路及功耗較低等特點。LCD1602共16個管腳，在編寫程序中用到數據命令選擇端、R讀寫選擇端、使能信號端等引腳，主要圍繞這三個引腳進行初始化寫命令寫數據。

3.5時鐘電路模塊

DS12C887時鐘芯片，是一款自帶晶體振蕩器和鋰電池的時鐘芯片，不會因外界斷電而停止計時。它有兩種總線模式，即MOTOROLA模式與INTEL模式，當引腳M選擇接VCC選用MOTOROLA模式，當引腳M懸空或接地選用INTEL模式。時鐘芯片也有兩種供電方式，當VCC高于4.25V時接受外部程序控制，當VCC低于4.25V時進入寫保護狀態，同時輸出呈高阻狀態，當VCC低于3V時自動切換到內部電池供電。

4系統軟件設計

如圖5所示系統總流程圖，采用C語言編寫系統主體程序。當系統開始初始化，接著點亮LED和LCD1602顯示屏，驅動溫度傳感器和時鐘芯片，分別獲取兩個傳感器信息。通過主控制器分析顯示到LCD1602顯示屏上，驅動HC-sr04開始測距，發射器發射信號，接收器收到反射信號，反饋給主控制器中計算被測距離。與程序所設定距離比較，如果小于設定距離給予報警器一個高電平，促使其發出警報并返回繼續監測;如果處于設定范圍則繼續檢測;如果大于最大檢測范圍，則默認為處于沒有使用狀態，自動斷開電源達到節約能源的目的嘲。

5結束語

在硬件平臺上，制作了一類基于STC89C52單片機的視力保護器，進行電路功能模塊化設計，采用C語言編寫程序易修改和挪用，可以運用到其他控制器上。經過系統測試后，可以實現各個模塊功能。利用單片機制作視力保護器思想，可以實現視力保護智能化。視力保護系統研究，主要考慮到寫字讀書方面，進一步拓展開發應用，也可以適用于其他造成近視因素，比如長時間看電視、電腦，玩手機等。