超聲波傳感器在預(yù)防近視中的應(yīng)用

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無(wú)錫交通分院，江蘇 無(wú)錫 214151）

[摘 要] 如今網(wǎng)絡(luò)日益成為人們獲取信息的主要途徑，人均使用手機(jī)、電腦、平板等電子設(shè)備的時(shí)間呈急速上升的趨勢(shì)。據(jù)報(bào)道，全球有22%的近視發(fā)病率，亞洲地區(qū)特別是我國(guó)的近視發(fā)病率已達(dá)34.6%。由于兒童使用電子設(shè)備的機(jī)會(huì)和時(shí)間顯著增高，青少年及學(xué)齡兒童發(fā)病率居高不下，高中生近視率高達(dá)70%?？梢?jiàn)，預(yù)防青少年近視具有社會(huì)意義。

[關(guān) 鍵 詞] 傳感器；近視眼；單片機(jī)

[中圖分類號(hào)] TP212 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2017）06-0171-01

一、引言

“創(chuàng)新”是人類發(fā)展的永恒課題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代化創(chuàng)新人才的培養(yǎng)在職業(yè)教育領(lǐng)域越顯重要。培養(yǎng)適合當(dāng)今社會(huì)需要的具有創(chuàng)新性的人才成為職業(yè)教育的主要任務(wù)。為了適應(yīng)這一形勢(shì)的發(fā)展，為學(xué)生創(chuàng)造良好的創(chuàng)新才能發(fā)揮環(huán)境，基于市場(chǎng)上預(yù)防近視的矯姿產(chǎn)品很多，傳統(tǒng)的機(jī)械式坐姿矯正器械曾經(jīng)風(fēng)靡一時(shí)，但經(jīng)過(guò)市場(chǎng)的檢驗(yàn)，人們發(fā)現(xiàn)無(wú)論是攜帶還是使用都較為繁復(fù)，護(hù)眼原理上也忽略了長(zhǎng)時(shí)間用眼對(duì)眼睛造成的傷害。筆者結(jié)合學(xué)生實(shí)際情況和市場(chǎng)環(huán)境，開(kāi)發(fā)了基于單片機(jī)的多功能電腦護(hù)眼系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

近距離長(zhǎng)時(shí)間過(guò)度直視是近視患病的一個(gè)重要因素，人眼的明視距離為25cm，本系統(tǒng)是設(shè)計(jì)一個(gè)使用方便、多功能的電腦護(hù)眼系統(tǒng)，把它固定于電腦顯示屏上，多功能電腦護(hù)眼系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C51為控制核心，超聲波傳感器T/R40-16為測(cè)距主體，主要由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、單片機(jī)電路、LCD顯示電路、語(yǔ)音提示模塊及防盜模塊組成，如圖所示。使用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)用眼距離的測(cè)量，光電池實(shí)現(xiàn)周圍光線的明暗調(diào)節(jié)，單片機(jī)計(jì)時(shí)定時(shí)器測(cè)算用眼時(shí)間，同時(shí)人性化的設(shè)計(jì)0.5h、1h、1.5h、2h四種不同時(shí)間段，供青少年、老年或成年人選擇，一旦使用時(shí)間超時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)語(yǔ)音芯片實(shí)現(xiàn)報(bào)警提示。當(dāng)使用者過(guò)度看近時(shí)（人眼離顯示器距離小于15cm），警告電路也會(huì)工作，提醒使用者調(diào)整坐姿。

（一）超聲波傳感器測(cè)距原理

按照不同的類型，此類傳感器分為四種，分別是磁滯式、電動(dòng)式、電磁式和電動(dòng)式。發(fā)射信號(hào)的發(fā)射模塊和接受信號(hào)的接收模塊共同組成了超聲波傳感器。此類系統(tǒng)在接收超聲波和發(fā)射超聲波時(shí)，其兩個(gè)探頭實(shí)現(xiàn)了電壓與超聲波之間的相互變換，最終該系統(tǒng)完成了數(shù)據(jù)的測(cè)算。本系統(tǒng)選用壓電式超聲傳感器T/R40-16，接收和發(fā)射探頭均安裝雙晶振子，發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射模塊將電壓轉(zhuǎn)化成超聲波，聲波在空氣中傳播，遇到電腦顯示器反射回接收模塊，單片機(jī)模塊計(jì)算出來(lái)回時(shí)間T，其傳播速度C是已知的，故根據(jù)距離（L）=1/2傳播速度（C）×?xí)r間（T），得出測(cè)量距離。為了精確測(cè)量數(shù)據(jù)，還應(yīng)考慮兩個(gè)因素以減少誤差，（1）由于聲波的傳播速度與溫度有關(guān)，顯著的溫差也應(yīng)該被考慮；（2）若發(fā)射與接收探頭夾角過(guò)大也會(huì)影響最終數(shù)據(jù)。

（二）超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)

發(fā)射電路由反相器和換能器組成，當(dāng)I/O口P2.3=0時(shí)，發(fā)射電路模塊發(fā)出超聲波，I/O口P2.3=1時(shí)，其本身的電路振蕩立刻停止。核心部件的P3.5共輸出兩路方波信號(hào)，一路經(jīng)過(guò)一級(jí)的反相器反相后給超聲波換能器的一個(gè)電極，另外一個(gè)經(jīng)過(guò)兩級(jí)反相器反相后給它的另外一個(gè)電極。我們應(yīng)用兩個(gè)不同級(jí)別的反相器輸出最終是想拉高它的驅(qū)動(dòng)能力。另外，應(yīng)用R2和R1兩個(gè)上拉電阻，更是提高了換能器的阻尼效果。

（三）超聲波接收電路設(shè)計(jì)

由CX2010A芯片組成的集成電路構(gòu)成了超聲波接收電路主體，我們知道，超聲波接收電路功能強(qiáng)大，不僅可以對(duì)超聲波信號(hào)機(jī)型放大、比較等功能，還可以進(jìn)行限幅、整形。測(cè)距系統(tǒng)在正常的工作狀態(tài)，其超聲波換能器所接收到的40kHz的方波信號(hào)是由單片機(jī)所發(fā)出的。它接收到信號(hào)后再將其發(fā)出。信號(hào)發(fā)出后由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)算時(shí)間。該信號(hào)在碰到測(cè)距目標(biāo)后折返，接收端CX20106A將信息發(fā)給單片機(jī)進(jìn)行比較處理，將其結(jié)果輸送給LCD顯示器。假如所測(cè)量的距離小于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)產(chǎn)生 3kHz信號(hào)，送到三極管基極，蜂鳴器發(fā)出蜂鳴警示。

三、工作流程

為了更好地將其結(jié)果調(diào)試出來(lái)，要將單片機(jī)定時(shí)器T0的模式更改為16位計(jì)數(shù)器的模式，并且要先把系統(tǒng)的環(huán)境恢復(fù)到最初的狀態(tài)。接著將超聲波發(fā)出的一個(gè)子程序輸送給一個(gè)超神博脈沖，稍等后再將外中斷0接收返回的信號(hào)。當(dāng)單片機(jī)中的主要程序發(fā)現(xiàn)接收成功的標(biāo)志位后，再將單片機(jī)定時(shí)器T0中的數(shù)按下計(jì)算，這樣就可以測(cè)量出他們之間的距離。設(shè)計(jì)取聲速為340m/s。L=170m/s*T0測(cè)出距離后將結(jié)果送往LCD顯示，然后再發(fā)出超聲波脈沖進(jìn)行重復(fù)測(cè)量。

總之，現(xiàn)代社會(huì)電腦無(wú)處不在，不論是工作、學(xué)習(xí)，還是娛樂(lè)都能在互聯(lián)網(wǎng)上獲得需要的資料和數(shù)據(jù)，上網(wǎng)儼然成為現(xiàn)代人最重要的生活內(nèi)容之一。本文所設(shè)計(jì)的多功能電腦護(hù)眼系統(tǒng)無(wú)論對(duì)中小學(xué)生人群矯正他們上網(wǎng)的不良習(xí)慣，還是依靠電腦工作的白領(lǐng)，都有著積極的提醒警示作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁森.自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]童敏明，唐守鋒.檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)[M].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[3]吳旗.傳感器及應(yīng)用[M].高等教育出版社，2002.

作者簡(jiǎn)介：王光祥（1982—），男，講師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：電氣自動(dòng)化。