一種分離式可佩戴視力保護(hù)器的設(shè)計(jì)

南京醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)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(huì)壓力的增加和居民受教育程度的逐步提高，青少年學(xué)生長(zhǎng)期近距離工作、超負(fù)荷用眼、讀寫姿勢(shì)不良等，導(dǎo)致視力低下，并發(fā)展成為常見病[1]。

近二十年來，中國青少年近視發(fā)生率逐年持續(xù)增長(zhǎng)，近視率僅次于日本，位居世界第二位，近視總?cè)藬?shù)居世界第一位[2]，大中小學(xué)生視力不良檢出率高達(dá)68.44%[3]。在無法減輕學(xué)生學(xué)業(yè)壓力的情況下，保護(hù)視力需放在讀寫姿勢(shì)糾正上。

目前，除了采用傳統(tǒng)的食療法和用眼藥水緩解疲勞來保護(hù)視力外，國內(nèi)外已針對(duì)性地開發(fā)多種類型的儀器?！把郾Ｄ贰盵4]是采用電腦編碼脈沖技術(shù)模擬傳統(tǒng)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(jiān)控坐讀姿勢(shì)，并發(fā)出提示音糾正；“智能感控視力保護(hù)儀”[6]是用于玩電腦和看電視等娛樂場(chǎng)合，監(jiān)測(cè)距離、時(shí)間、光照強(qiáng)度等外界環(huán)境參數(shù)來控制娛樂時(shí)間，從而保護(hù)視力。以上視力保護(hù)器存在價(jià)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(shè)計(jì)的兒童視力保護(hù)器操作簡(jiǎn)單、攜帶便利。采用耳掛式造型，利用超聲測(cè)定書桌與眼球的距離、提醒裝置可輔助調(diào)整坐讀姿勢(shì)，充分體現(xiàn)了智能化，符合創(chuàng)新的理念；參數(shù)采集與顯示裝置分離，使用藍(lán)牙連接，方便檢查學(xué)習(xí)狀態(tài)，達(dá)到保護(hù)視力的目的。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，本視力保護(hù)器可以開發(fā)手機(jī)app，具有現(xiàn)實(shí)意義和良好的推廣前景。

二、總體設(shè)計(jì)

視力保護(hù)器由佩戴器部分和顯示控制裝置兩部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示，以STC單片機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行一系列的控制。

佩戴器部分的外形類似于無線藍(lán)牙耳機(jī)，佩戴于單個(gè)耳朵上，較為小巧舒適，由光敏傳感器、距離檢測(cè)傳感器、STC15F104E及Bluetooth發(fā)送模塊組成，其主要作用是實(shí)時(shí)地采集傳輸光強(qiáng)信息以及距離信息。

STC15F104E的大小為17mm*10mm[7]，距離檢測(cè)傳感器的大小為35mm*20mm，光敏電阻的大小為27mm*14mm，Bluetooth發(fā)送模塊大小為13.5mm*18mm，整個(gè)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(bào)警器、輸入設(shè)置按鍵、STC89C52及Bluetooth接受模塊組成，其主要作用是對(duì)接受到的光強(qiáng)信息和距離信息進(jìn)行分析并給出應(yīng)答，同時(shí)該部分也可對(duì)保護(hù)器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置調(diào)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(lán)牙透?jìng)髂K，負(fù)責(zé)信息采集的佩戴器部分的藍(lán)牙負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)，顯示控制部分的藍(lán)牙負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)。兩部分系統(tǒng)功耗都較低，均可采用電池供電。

三、硬件設(shè)計(jì)

1、光強(qiáng)檢測(cè)

光強(qiáng)檢測(cè)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(diào)節(jié)，比較器采用LM393芯片，工作穩(wěn)定。如圖2所示，使用時(shí)VCC外接3.3V，數(shù)字量輸出接口OUT（0和1）接STC15F104E的P0.1口。輸出0表示沒有達(dá)到預(yù)先設(shè)定的光強(qiáng)值，輸出1表示已達(dá)到預(yù)設(shè)定光強(qiáng)值。使用者可根據(jù)自身需求，通過旋鈕調(diào)節(jié)滑動(dòng)電阻R2的大小以此來設(shè)定不同的光強(qiáng)報(bào)警閾值，精確簡(jiǎn)易。

2、距離檢測(cè)

測(cè)距采用HC-SR04超聲波模塊。其性能穩(wěn)定，測(cè)度距離精確，盲區(qū)為2cm，精度可達(dá)0.3cm。此模塊感應(yīng)角度不大于15°，探測(cè)距離為2cm～450cm，足夠滿足寫字使用時(shí)距離范圍和精度。

超聲波模塊工作操作步驟和距離計(jì)算方法如下：

(1)采用Trig（接STC15F104E的P0.2口）觸發(fā)測(cè)距，給至少10μs的高電平信號(hào)。

(2)模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。

(3)有信號(hào)返回，通過Echo（接STC15F104E的P0.3口）輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，測(cè)試距離為：

其中，L—測(cè)試距離；

t—接收信號(hào)高電平持續(xù)時(shí)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(shí)間約為1.75ms左右。因此，距離檢測(cè)的時(shí)間量級(jí)為毫秒級(jí)，單片機(jī)的晶振頻率為8MHz，也就是可計(jì)時(shí)精度為微秒級(jí)，完全滿足這一運(yùn)算要求。

3、藍(lán)牙通信模塊

采用主從一體HM-11 串口藍(lán)牙透?jìng)髂K，其使用TI CC-2540/1芯片符合藍(lán)牙4.0 BLE協(xié)議，超低待機(jī)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(shí)，其支持通過AT指令進(jìn)行主從設(shè)置，顯示設(shè)置部分也使用其作為接收數(shù)據(jù)主機(jī)。

4、顯示控制報(bào)警模塊

顯示控制部分使用LCD 12864進(jìn)行顯示，其5V背光亮度可調(diào)，不需額外供電，且自帶中英文字庫，可進(jìn)行串行和并行控制。由于顯示控制部分實(shí)時(shí)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?jǐn)?shù)字、確認(rèn)、取消等操作，滿足使用者進(jìn)行光強(qiáng)、距離和使用時(shí)間的設(shè)定，超過設(shè)定值即進(jìn)行語音報(bào)警。

語音報(bào)警采用SYN6288，引腳連接簡(jiǎn)單，如圖3所示，可直接連接單片機(jī)。但由于藍(lán)牙模塊也使用串口進(jìn)行設(shè)置和通信，因此，實(shí)際電路中增加了二選一數(shù)據(jù)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(qiáng)型8051內(nèi)核MCU，內(nèi)部集成了2個(gè)16位可重裝載定時(shí)器，芯片不需要復(fù)位電路，上電自復(fù)位，內(nèi)部集成了R/C時(shí)鐘，省去了外部晶振，可在線燒寫程序并在燒寫時(shí)可任意定義頻率支持串口下載。其引腳只有8個(gè)，除了電源外全部是I/O口（6個(gè)）。P0.1連接光強(qiáng)檢測(cè)模塊，P0.2控制超聲模塊進(jìn)行測(cè)量，P0.3接收超聲模塊的時(shí)間信息，RXD和TXD連接藍(lán)牙透?jìng)髂K。由于STC15F104E可以省去傳統(tǒng)單片機(jī)的復(fù)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(shè)計(jì)，以每天使用2小時(shí)計(jì)算，3節(jié)AA電池可使用一個(gè)月。

控制顯示部分則使用STC89C52。其使用經(jīng)典的8051內(nèi)核，內(nèi)部有在系統(tǒng)可編程8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32 位I/O口線?？赏ㄟ^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(fā)。內(nèi)部帶4K字節(jié)EEPROM存儲(chǔ)空間，用于存儲(chǔ)設(shè)置的參數(shù)。工作頻率范圍0～40MHz，相當(dāng)于普通8051 的0～80MHz，在進(jìn)行LCD顯示時(shí)有足夠快的顯示刷新速度。

四、軟件設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)保護(hù)器的相關(guān)功能。當(dāng)啟動(dòng)視力保護(hù)器時(shí)，佩戴器部分向顯示控制端發(fā)送檢測(cè)數(shù)據(jù)，顯示控制端接收到數(shù)據(jù)則說明開始用眼，進(jìn)行計(jì)時(shí)，否則停止計(jì)時(shí)。在佩戴器部分和顯示控制端的數(shù)據(jù)傳輸過程中需設(shè)定相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸格式，如圖4所示。

當(dāng)視力保護(hù)器進(jìn)入正常工作狀態(tài)時(shí)，佩戴器部分發(fā)送0XAA 0XAA作為數(shù)據(jù)流的間隔和同步碼，加以區(qū)分不同的信息幀，而后緊跟的高8位代表光強(qiáng)信息，低8位數(shù)據(jù)值直接對(duì)應(yīng)為檢測(cè)到的距離的大小，其單位為厘米。

1、佩戴器部分對(duì)應(yīng)距離及光強(qiáng)的檢測(cè)程序

戴在使用者頭部的裝置會(huì)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)周圍的光強(qiáng)以及使用者眼睛距離桌面的距離，并將其檢測(cè)到數(shù)據(jù)以上述格式傳送給顯示控制端。如圖5所示，單片機(jī)STC15F104E先從P3.1口讀取光敏電阻傳感模塊輸出的數(shù)值；然后采用查詢方式進(jìn)行距離檢測(cè)，即由P3.2口發(fā)送Trig觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到P3.3口由低電平向高電平跳變時(shí)，啟動(dòng)Timer開始計(jì)數(shù)，當(dāng)檢測(cè)到P3.3口由高電平向低電平跳變時(shí)（若無，則返回重新檢測(cè)），讀取Timer的值，并計(jì)算出距離的數(shù)值，同時(shí)關(guān)閉定時(shí)器。此時(shí)，單片機(jī)STC15F104E會(huì)將P3.1的數(shù)值及計(jì)算出的出數(shù)據(jù)按照?qǐng)D4格式發(fā)送給藍(lán)牙，如此循環(huán)。

2、顯示控制端對(duì)應(yīng)程序

（1）距離及光強(qiáng)的接收

在程序剛啟動(dòng)時(shí)，先發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)，若能成功接收則啟動(dòng)定時(shí)器，并設(shè)置相應(yīng)的中斷flag，并觸發(fā)菜單功能進(jìn)入菜單界面。若不能成功接受測(cè)試數(shù)據(jù)，則重新進(jìn)行測(cè)試。在主菜單界面，可設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)值。該產(chǎn)品對(duì)不同的使用者來說，會(huì)存在一定的個(gè)體化差異，因此可以在主菜單界面設(shè)置符合自己條件的相應(yīng)參數(shù)，包括光強(qiáng)閾值、距離閾值、定時(shí)時(shí)長(zhǎng)等。

顯示控制器端接受由佩戴器部分傳送過來的相關(guān)信息，并在顯示屏上實(shí)時(shí)地進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示。若接受到的數(shù)據(jù)超過保護(hù)器事先所設(shè)定的閾值，則觸發(fā)報(bào)警器進(jìn)行語音提醒使用者注意坐姿及周圍光強(qiáng)的調(diào)節(jié)。

（2）時(shí)間提醒程序

使用者在長(zhǎng)時(shí)間用眼后會(huì)產(chǎn)生一定的疲勞，需要定時(shí)地放松。因此，使用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)該功能，但定時(shí)器每次進(jìn)入中斷的時(shí)間間隔較短，需使用多次計(jì)數(shù)的方式達(dá)到較長(zhǎng)時(shí)間的準(zhǔn)確定時(shí)。具體是當(dāng)定時(shí)器計(jì)滿后進(jìn)入中斷，根據(jù)進(jìn)入的次數(shù)判斷是否達(dá)到設(shè)定時(shí)間。當(dāng)計(jì)算出的數(shù)值達(dá)到使用者事先所設(shè)定的時(shí)間時(shí)，則報(bào)警標(biāo)志置位，以使主程序中觸發(fā)語音報(bào)警器提醒使用者進(jìn)行休息，若沒有達(dá)到則繼續(xù)計(jì)時(shí)。

五、系統(tǒng)測(cè)試部分

光強(qiáng)傳感部分由于沒有進(jìn)行數(shù)值化設(shè)置，因此只是從人眼感覺上進(jìn)行測(cè)試。主要進(jìn)行了光線處于適合用眼和不適合用眼的臨界值進(jìn)行測(cè)試，符合設(shè)計(jì)情況，并且不會(huì)由于系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行發(fā)生漂移。

距離檢測(cè)進(jìn)行了擺放測(cè)試和實(shí)際佩戴測(cè)試。其中擺放測(cè)試為無干擾情況下使用白紙擺放在佩戴器中超聲測(cè)距模塊的發(fā)射路線上進(jìn)行測(cè)量，精度達(dá)到0.1cm，滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際佩戴測(cè)試是直接佩戴后在工作環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，即在佩戴器周邊會(huì)有其他物品干擾，佩戴器進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，并以佩戴器前端延伸距離為標(biāo)準(zhǔn)距離。共進(jìn)行6組，每組20次測(cè)試，如表1所示是每組數(shù)據(jù)的平均值。

表 1 距離測(cè)試數(shù)據(jù)

可以看出測(cè)量距離會(huì)受周邊物品的干擾，從而會(huì)出現(xiàn)幾次測(cè)量不準(zhǔn)確的情況，即表中標(biāo)準(zhǔn)差比較大的情況，但進(jìn)行了多次平均后距離誤差就較小，幾乎還是能夠達(dá)到0.1cm數(shù)量級(jí)。

六、結(jié)論

本產(chǎn)品主要優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)小，分塊化，可進(jìn)行商品化的批量生產(chǎn)。戴在使用者頭頂部分的采集裝置小巧、方便，與傳統(tǒng)的相比更加簡(jiǎn)易、舒適。產(chǎn)品的采集部分與顯示部分相分離，因此信號(hào)采集部分可做得精細(xì)化，系統(tǒng)亦可以外拓更多的相關(guān)功能。未來本產(chǎn)品將在控制部分進(jìn)行進(jìn)一步研究，使其可與手機(jī)相連，控制更為方便、廣泛。