基于壓電超聲傳感器的智能防近視系統(tǒng)

羅得寸 唐藝玲 林星 唐新文 莫錦

摘要：功能陶瓷材料在我們的日常生活中越來(lái)越常見(jiàn)，而壓電陶瓷材料是功能陶瓷中運(yùn)用相當(dāng)廣泛的一類(lèi)材料。采用傳統(tǒng)陶瓷制備工藝制備基于Sc改性的Mn摻雜BF-BT體系陶瓷壓電陶瓷，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中有著非常不俗的表現(xiàn)。使用XRD、SEM、阻抗等精密儀器對(duì)該體系陶瓷樣品進(jìn)行性能測(cè)試，以應(yīng)用為導(dǎo)向，分析BF-BT-BS陶瓷各項(xiàng)性能指標(biāo)。將壓電陶瓷材料應(yīng)用于超聲波換能器，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的換能器產(chǎn)生的超聲波具有衍射現(xiàn)象小、方向指向性好、可以定向傳播的優(yōu)點(diǎn)?；诔晸Q能器的超聲波測(cè)距傳感器具有盲區(qū)小、精度高、指向性好、探測(cè)范圍大優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于倒車(chē)檢測(cè)系統(tǒng)、導(dǎo)盲系統(tǒng)、室內(nèi)精確定位等。本文將高性能無(wú)鉛壓電陶瓷材料制成的超聲測(cè)距傳感器應(yīng)用于防近視系統(tǒng)，將超聲換能器應(yīng)用于距離測(cè)量的傳感器，具有測(cè)量精度高、方向指向性好、測(cè)量量程大等特點(diǎn)，利用STC單片機(jī)進(jìn)行測(cè)距與智能控制，以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)廣泛使用的Android設(shè)備終端相結(jié)合，并能夠在電子設(shè)備終端實(shí)時(shí)判斷人眼與設(shè)備屏幕的距離，根據(jù)實(shí)際情況在智能終端提醒用戶健康用眼，從而達(dá)到防近視的目的。

關(guān)鍵詞：壓電陶瓷性能；壓電超聲換能器；超聲測(cè)距；Android防近視系統(tǒng)

一、壓電材料的研究進(jìn)展

（一）壓電效應(yīng)

某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)

（二）壓電材料的發(fā)展歷程

自上個(gè)世紀(jì)40年代中期以來(lái)，壓電陶瓷材料在生產(chǎn)生活當(dāng)中得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，關(guān)于壓電、鐵電材料等方面的研究也因此得到了不斷的發(fā)展。目前，壓電陶瓷材料是目前國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)極其激烈的高新技術(shù)材料之一。該材料不僅具有性質(zhì)穩(wěn)定、機(jī)電耦合系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，而且成本低廉、適合進(jìn)行大批量生產(chǎn)。盡管壓電陶瓷材料上述不可比擬的優(yōu)越性，但深入一些條件苛刻的領(lǐng)域內(nèi)部的應(yīng)用同時(shí)也不斷地對(duì)壓電陶瓷提出了更高的性能要求，目前，壓電陶瓷材料性能的改良可以通過(guò)摻雜、取代、改變工藝等方法，從而不斷地提高其各項(xiàng)性能，根據(jù)性能的不同可以將壓電陶瓷片應(yīng)用到不同的產(chǎn)品。

二、壓電效應(yīng)的原理

當(dāng)電介質(zhì)材料受到一定外力的作用時(shí)，電介質(zhì)外表面發(fā)生微小的形變，同時(shí)，該電介質(zhì)材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，在材料的兩個(gè)外表面產(chǎn)生相反電荷形成電勢(shì)差的現(xiàn)象，當(dāng)外力去掉之后，電介質(zhì)材料又能夠還原到原來(lái)不帶電、不變形的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。反之，電介質(zhì)材料因外電場(chǎng)作用而產(chǎn)生微小形變的現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)[1]。

三、超聲測(cè)距防近視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）超聲測(cè)距原理

目前，利用超聲波測(cè)距的原理主要有三種：相位比較法[2]、聲波幅值檢測(cè)法、渡越時(shí)間檢測(cè)法。渡越時(shí)間法原理比較簡(jiǎn)單易懂，硬件電路也較容易實(shí)現(xiàn)，就是測(cè)量經(jīng)超聲波發(fā)射器出發(fā)的超聲波反射后進(jìn)入接收器的時(shí)間，這段時(shí)間就是稱(chēng)為渡越時(shí)間[3]，已知空氣的聲速利用公式（1.1）便可以得出測(cè)試點(diǎn)與障礙物之間的距離值。

d=c×t÷2 （1.1）

式子中：d為距離，單位m，c為聲速，單位是m/s；t為超聲波在空氣中的傳播的時(shí)間，以秒為單位；

（二）防近視系統(tǒng)

1.硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)超聲探頭的驅(qū)動(dòng)電路，使得收發(fā)一體式的超聲傳感器能夠發(fā)射一定頻率的超聲波，以及能夠接收固有頻率的超聲波反射回波，回波經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器的濾波、放大、整形后傳入單片機(jī)中斷接口，單片機(jī)通過(guò)定時(shí)器計(jì)算出超聲波在發(fā)射后，經(jīng)過(guò)障礙物的反射再傳回超聲探頭的時(shí)間間隔，從而可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)與障礙物之間的距離值，通過(guò)低功耗藍(lán)牙4.0模塊上傳至電子終端設(shè)備。隨著電子信息工業(yè)的快速發(fā)展，微型化的硬件設(shè)計(jì)越來(lái)越離不開(kāi)計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)，Altuim designer在PCB（印刷電路板）板的設(shè)計(jì)方面越來(lái)越成熟，具有高效、準(zhǔn)確、高可靠等特點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)最為廣泛使用的PCB設(shè)計(jì)工具之一。實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)內(nèi)嵌到其他電子設(shè)備當(dāng)中，首先要考慮硬件電路的電源方案、功耗、尺寸、復(fù)雜程度等問(wèn)題，其次利用Altuim designer 可以將電路板設(shè)計(jì)盡可能微型化。

2.軟件實(shí)現(xiàn)

（1）主控芯片程序

單片機(jī)內(nèi)部軟件設(shè)計(jì)了一系列控制指令和算法，將測(cè)量的實(shí)際距離值與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，若實(shí)際距離值小于標(biāo)準(zhǔn)值，則在一定時(shí)間內(nèi)將相應(yīng)的指令通過(guò)藍(lán)牙串口上傳到終端電子設(shè)備。低功耗是本次設(shè)計(jì)要考慮的范圍之一，為了實(shí)現(xiàn)低功耗，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法以提高軟件的執(zhí)行效率。

（2）Android終端控制軟件

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下，電子產(chǎn)品、智能設(shè)備在我們?nèi)粘Ｉ钪辛宅槤M目，人們使用的電子設(shè)備主要以手機(jī)、平板電腦、電視為主，在手機(jī)、平板電腦的操作系統(tǒng)中，又以Android操作系統(tǒng)最為普及，因此，考慮到用戶群的數(shù)量，最終選擇了Android平臺(tái)，本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一種Android操作系統(tǒng)控制終端軟件，軟件通過(guò)安卓設(shè)備自帶的藍(lán)牙功能與防近視系統(tǒng)硬件的藍(lán)牙模塊相互通信，不斷接收硬件上傳的指令和數(shù)據(jù)，根據(jù)指令和數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的動(dòng)作，震動(dòng)、熄屏、閃屏以提醒用戶，實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)與電子設(shè)備的有效結(jié)合。

四、總結(jié)與展望

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從傳感器材料出發(fā)，對(duì)壓電超聲傳感器材料進(jìn)行性能測(cè)試了分析，從材料分析理論中去了解壓電超聲傳感器的結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際用途對(duì)傳感器的頻率和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，要求傳感器即可以發(fā)射、又可以接收固有頻率的超聲波，而且必須要定向傳播，接著講設(shè)計(jì)可以使得測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能的硬件系統(tǒng)，以及將測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用到Android智能手機(jī)防近視功能當(dāng)中，使得材料結(jié)合多學(xué)科的應(yīng)用的變得有實(shí)際意義。最后，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析得出，當(dāng)前防近視系統(tǒng)的壓電超聲傳感器尺寸還需要進(jìn)一步縮小，Android客戶端的界面和防近視提醒功能還需要進(jìn)一步完善。在壓電超聲傳感器微型化研究方面，目前已經(jīng)有相關(guān)研究文獻(xiàn)研究將微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）應(yīng)用到壓電超聲傳感器當(dāng)中，一種新型的基于PZT厚膜的MEMS壓電超聲換能器尺寸約為2mm2mm，共振頻率約為120KHz，機(jī)電耦合系數(shù)最高達(dá)到6.39%[4]，因此對(duì)MEMS壓電超聲換能器的研究對(duì)微型化測(cè)距系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景，傳感器的微型化將加速推動(dòng)防近視系統(tǒng)的市場(chǎng)化應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]林書(shū)玉.超聲技術(shù)的基石——超聲換能器的原理及設(shè)計(jì)[J].物理，2009，38（03）：141-148.

[2]路宜明.基于PSoC的超聲相控陣高精度測(cè)距系統(tǒng)的研究[D].山東師范大學(xué)，2014.

[3]莫石鎂.超聲波測(cè)距在汽車(chē)倒車(chē)防撞系統(tǒng)中的應(yīng)用.電腦知識(shí)與技術(shù)，2007，l（4）：1083—108

[4]張晉弘，馬劍強(qiáng)，李保慶，馮艷，褚家如.MEMS壓電超聲換能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能表征[J].壓電與聲光，2010，32（04）：604-607.

作者簡(jiǎn)介：羅得寸（1994），男，廣西壯族自治區(qū)來(lái)賓市，壯族，學(xué)歷：在讀碩士研究生，研究方向：區(qū)塊鏈，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

指導(dǎo)老師（楊華斌）

基金項(xiàng)目：本文系區(qū)級(jí)創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201710595268）研究成果

項(xiàng)目名稱(chēng)：一種基于超聲測(cè)距的內(nèi)嵌式智能防近視系統(tǒng)