视力保护仪的研究与设计

商 莹

(陕西国际商贸学院，陕西 咸阳 712046)

视力保护仪的研究与设计

商 莹

(陕西国际商贸学院，陕西 咸阳 712046)

青少年人群视力问题不容乐观，已经引起了社会各界的关注。调查结果显示，小学生、初中生、高中生和大学生的视力低下率分别为27.96%、54.43%、73.8%和76.95%。面对这样的结果，迫切需要研究一种帮助青少年保护视力的仪器。研究了具有多功能的视力保护仪，该保护仪能够对环境温度、坐姿及用眼时间进行监测并报警。试验表明，该系统能够很好地保护青少年的视力。

视力保护仪；监测；超声波

我国青少年人群视力问题不容乐观，调查结果显示，小学生、初中生、高中生和大学生的视力低下率分别为27.96%、54.43%、73.8%和76.95%。面对这样的结果，迫切需要研究一种帮助青少年保护视力的仪器。目前，国内外有很多企业在研究并已投入生产视力保护仪，但大部分产品均功能比较单一，不能从多个角度保护青少年的视力。本文研究的视力保护仪能够从坐姿、环境光线和用眼时间等多个角度保护青少年的视力。

1 结构

该视力保护仪由核心控制模块、报警模块、超声波模块、检测模块和电源模块5个部分组成(见图1)。利用光敏电阻采集光信号，通过AD采集光线信号的强弱，把光线强度等级化，并设定报警等级，当光照不足时报警。利用超声波测距传感器测出人脸部与桌面的距离，当小于所设定的距离时报警提醒。通过单片机内部定时器计时，当使用达到所设定的时间时，电路自动发出声音提示，提醒使用者注意休息。

图1 视力保护仪总体框图

2 硬件设计

2.1 控制单元

本视力保护仪采用STC89C52单片机作为核心控制单元。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52在使用经典的MCS-51内核的基础上做了很多的改进，使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52能够实现系统的控制、报警和对信号的处理功能，电路如图2所示。

图2 主控单元电路图

2.2 报警模块

报警模块中采用蜂鸣器报警，蜂鸣器具有使用方便简单和价格实惠等优点。蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机和定时器等电子产品中。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器2种类型。蜂鸣器主要采用三极管驱动。当主控单元中产生1个振荡脉冲方波，输出高电平，三极管导通，发光二极管亮，集电极电流通过蜂鸣器，蜂鸣器响；当输出为低电平时，三极管处于截止状态，发光二极管灭，蜂鸣器无电流通过，蜂鸣器不工作。

2.3 光强检测模块

光强的检测通过光敏电阻元件实现。光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换。常用的光敏电阻器——硫化镉光敏电阻器是由半导体材料制成的。由于光敏电阻器对光的敏感性(即光谱特性)与人眼对可见光波长为0.4～0.76 μm的响应很接近，所以只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。

检测模块的主要原理为当光线发生变化时，光敏电阻的阻值发生变化，对应的电压值不同。经过AD采集后就可以得到各种光照强度下的电压值，从而设定出理想的光线强度报警值。电路如图3所示。

图3 光强采集电路

2.4 超生波测距模块

超声波通常指频率>20 kHz的声波。超声波与能听到的声音本质是一样的，都是机械波，以纵波的形式在弹性介质中传播，也是能量的传播。超声波的频率高、波长短，在一定的距离内有良好的方向性和束射性。由于波动中质点振动方向与波的传播方向不同，可将波动分为多种波型，在超声波检测中主要应用的波型有纵波、横波，表面波用的是超声纵波。超声场是被超声波所传播中所充满的空间，想要使超声波自由地向外扩散需要较大的超声场；若超声波不能自由向外扩散，说明与其相邻的被测物距离小[1]。

超声波传感器可以转换其他形式的能量或者把超声波转换成其他形式的器件。使用的超声波传感器主要有2大类：电声类和流体动力类[2]。超声波传感器的结构有收发一体或收发分体式探头、直探头和斜探头等多种形式。超声波已经渗透到我们生活中的许多领域，例如B超、遥控、防盗和无损探伤等。本系统中采用超声波传感器来测量人眼与桌面的实际距离，通过精确的计算来达到保护青少年视力的目的，此模块由发送模块和接收模块2个部分组成。

超声波测距的方法有渡越时间法、幅值检测法和相位检测法。幅值检测法的缺点是精度和抗干扰性最差，因此使用较少，优点是容易实现。其原理是超声波传感器以一定的角度发射超声波，超声波发射的距离越远，信号的损失越大，信号就越弱，因此可以通过收到的超声波的幅度大小来推算距离的大小。相位检测法又称相位法，其原理是用低频的正弦信号调制超声波，通过测量发送端和接收端正弦信号的相位差来实现所测量的目标和发射机之间的距离，此方法优点是精度高，但测得距离短。实际的工程应用中，通常采用渡越时间法的超声波测距，其原理是通过测量超声波发射和接收间的时间差，经过计算得到障碍物的距离，渡越时间法所测得的最大有效距离与超声波发射器的发射功率和接收器的接收灵敏度有很大的关系[3-5]。

本设计使用收发一体式探头，即系统中使用HC-RS04超声波模块，此模块的测量精度可达到3 mm，测量距离可达到2～400 cm。超声波测距模块包括超声波接收器、控制电路和超声波发射器。该模块的原理是超声波模块采用IO口TRIG触发测距，给IO口TRIG至少10 us的高电平信号；超声波模块自动发送8个40 kHz的方波，自动检测是否有信号返回；若接收到信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离可通过下式进行计算：

3 软件设计

视力保护仪系统的主程序主要分为坐姿检测、学习时间倒计时和光线强度检测3个部分。当检测到坐姿不正确时、光线较强或较弱时、学习时间倒计时结束时蜂鸣器会报警提示，问题矫正后蜂鸣器自动停止报警。

图4 系统坐姿检测超声波测距子程序流程图

系统坐姿检测超声波测距子程序流程图如图4所示。系统开始初始化，由超声波发生器发送超声波，超声波遇到物体后反射回来，然后接收超声波，通过计算超声波从发出到返回的时间计算出所测量的距离，最后显示出结果。然后再次循环整个过程。

4 结语

本文设计了基于单片机TC89C52的视力保护仪，经过测试，该系统基本满足设计目标，可以完成对环境光照、人的坐姿及用眼时间的监测。该系统的使用能够帮助青少年保护视力，具有很好的市场推广价值。

[1] 沈燕，高晓蓉，孙增友，等. 基于单片机的超声波测距仪的设计[J]. 现代电子技术，2012(7):126-129.

[2] 石彪，刘利枚，周鲜成. 一种自适应的超声波传感器模型的设计[J]. 压电与声光，2010(3):389-391.

[3] 兰羽. 具有温度补偿功能的超声波测距系统设计[J]. 电子测量技术，2013(2):85-87.

[4] 李云龙，卜雄洙，赵文，等. 新型嵌入式超声波测距系统[J]. 仪表技术与传感器，2012(1):97-99.

[5] 闫姝. 基于单片机的超声波测距仪的设计[J]. 电子技术与软件工程，2014(15):129.

责任编辑郑练

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

商莹(1980-)，女，硕士，讲师，主要从事信号与信息处理以及教学改革等方面的研究。

2014-12-15