多功能超聲波視力保護系統(tǒng)設計

李書婷

（商洛學院 電子信息與電氣工程學院，商洛 726000）

我國在1992年專門成立了近視眼專家小組，各種預防近視眼的產(chǎn)品層出不窮，從簡單到復雜、由單一到多元、科技也經(jīng)歷了一個由低到高的歷程。在此期間，科學家們經(jīng)過反復的調(diào)研開發(fā)，做出了多達幾百種產(chǎn)品，并推向了市場，讓無數(shù)近視眼患者看到了黎明的曙光。

在我國出現(xiàn)過很多種類的視力保護儀，比如國內(nèi)新疆烏魯木齊市旭之龍科技有限公司生產(chǎn)的“學生1.5視力保護器”又稱為“坐視寶”，它主要是對不良坐姿進行提示的一款產(chǎn)品。還有深圳市華恒電子有限公司生產(chǎn)的型號為MS-3023的坐姿矯正器，也是專門矯正坐姿的一款產(chǎn)品。但是總體來看，人們對眼保儀的要求比較高，不僅要起到保護眼睛的效果，還要美觀，現(xiàn)有產(chǎn)品跟人們的實際需求還有很大的差異，而且這些產(chǎn)品雖然也能起到一些效果，但是性能都比較單一。國外也有專門針對近視眼的研究，但是他們的側重點不同，更傾向于對于近視眼原因的研究，美國德克薩斯大學西南醫(yī)學中心何于光博士表示：可以通過改變飲食習慣來保護視力，比如吃魚和蔬菜能夠有效地降低近視率。國外更傾向于針對問題的本質(zhì)來做研究，跟國內(nèi)的出發(fā)點不同，但研究的目的都是一樣的。

通過對各個市場的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前市面上出現(xiàn)的產(chǎn)品，都比較單一，只能側重保護一方面，并不能全方位地保護視力。本文設計了一款新型的產(chǎn)品，可以從距離、光線強度、時間3個方面對讀者進行提醒，從而起到保護視力的效果。

1 系統(tǒng)結構與硬件設計

根據(jù)各種不同的器件的優(yōu)缺點，綜合分析，從實用、價格和系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性等各個方面進行了篩選，最終我們選定超聲波測距模塊、驅(qū)動顯示電路模塊、報警器模塊、控制模塊和溫度檢測模塊等構成的超聲波視力保護儀設計，其系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖Fig.1 System structure diagram

1.1 超聲波傳感器及測距原理

超聲波傳感器是將一種形式的能轉(zhuǎn)換成其他頻率相同的超聲能，或者把超聲能轉(zhuǎn)換成其他同等頻率形式的能所需要的器件，而這個器件就叫做超聲傳感器。現(xiàn)在市面上出現(xiàn)的超聲能傳感器主要分為兩種，一種是電聲型，另一種是流體動力型。本文采用的是壓電傳感器，它屬于電聲型的一種。壓電式超聲波的工作原理是：利用壓電晶體的諧振來達到效果的，它是由兩個壓電晶片和一個共振板組成的，給它的兩極外加上脈沖信號，當外加頻率等于壓電晶片的原始振蕩頻率時，發(fā)生共振，并且?guī)庸舱癜逭駝樱@樣就產(chǎn)生了超聲波。與之相反的，兩個電極間沒有外加電壓，但共振板卻接收到了超聲波，并且?guī)訅弘娋黄鹫駝?，這就是將機械能轉(zhuǎn)化成了電信號，此時，壓電傳感器就變了超聲波傳感器[1]。

超聲波測距是利用脈沖來回所用的時間來計算的，設脈沖由傳感器到障礙物所用的時間是t，聲音在空氣中所傳播的速度是c，那么從傳感器到障礙物的距離D就可以用公式D=ct/2來求出[2]。

1.2 驅(qū)動顯示電路

電路采用1602LCD液晶顯示屏來顯示各種檢測到的數(shù)據(jù)，當超過設置的距離時，蜂鳴器就進行報警提醒，當距離達到所設置的范圍的時候，蜂鳴器關閉。

1602LCD液晶顯示屏是一種工業(yè)的字符型液晶顯示器，而1602的意思是16*2，就是說顯示的是兩行，每行是16個字符。1602液晶內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器本來就已經(jīng)有160個不同的點陣字符圖形，這些字符都包括了阿拉伯數(shù)字、經(jīng)常用到的各種字符、日文和英文字母的大小寫等等，而每一個字符都代表了一個固定的代碼，例如，英文的大寫字母“A”，它的代碼是 01000001B（41H），在顯示的時候模塊會把地址中的41H中的點矩陣圖形顯示出來，顯示屏上就會顯示出字母“A”。

1.3 蜂鳴器報警電路

蜂鳴器是一種采用直流電壓供電的一體化電子訊響器，市面上的蜂鳴器主要有壓電式和電磁式兩種。通過比較，本課題采用的是電磁式，當距離超過預設的值時，蜂鳴器就開始工作，發(fā)生警報聲效。它的原理就是，當電流通過電磁圈的時候，電磁圈的線圈產(chǎn)生相應的磁場，使其振動膜發(fā)出聲響，所以，它需要有一定的電流流過才行，但是單片機的IO引腳輸出的電流比較小，不足以驅(qū)動蜂鳴器，而單片機的TTL電平也不行，因此，想要驅(qū)動電路，就必須額外再增加一個電流放大的電路，本課題采用的是經(jīng)過一個PNP型的三極管9012來放大驅(qū)動，原理圖如圖2所示。

圖2 蜂鳴器驅(qū)動電路圖Fig.2 Circuit diagram of buzzer drive

1.4 溫度檢測電路

超聲波屬于聲波的一種，屬于聲波就會不可避免地受到溫度的影響，因此，為了得到比較精準的測量結果，我們在整個電路中安裝了一個數(shù)字溫度傳感器DS18B20，檢測外界溫度，然后找到與之對應的聲速，用這個速度去計算兩者之間的距離，就可以把試驗誤差降低到最小，得到比較精準的距離。數(shù)字溫度傳感器DS18B20電路圖如3所示。

圖3 數(shù)字溫度傳感器DS18B20電路圖Fig.3 Circuit diagram of digital temperature sensor DS18B20

溫度傳感器的DQ腳和單片機的P1.4管腳相連，可以顯示當時的外界溫度。并且傳送回單片機中，通過固化在程序中的溫度速度表，找到最接近的溫度速度值，代入計算公式，得到相對精確的距離，提高測量結果的精度。

1.5 控制模塊

本次設計我們所采用的是STC89C52單片機，是一種帶8 k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能COMOS8的微處理器，該器件有40引腳，速度較快，價格便宜，燒錄方便，通過串口即可下載，還可以實現(xiàn)在線編程，采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容[3]。具有強大功能的STC89C52單片機，適合用于大多數(shù)較為復雜的控制應用場合[4]。它的外形封裝主要有雙列直插式40腳封裝（DIP）和方形 44腳封裝（PLCC）兩種，本文采用的是直插式。

1.6 單片機的復位電路

當電路出現(xiàn)問題的時候可以通過復位電路來使電路達到初始值，重新開始計時，它是確保電路正常運作的必要條件，基本功能是當系統(tǒng)通電時，復位電路工作，電源穩(wěn)定以后，復位電路停止工作。通常等電源穩(wěn)定后，經(jīng)過一段時間再使復位電路停止工作，這是為了避免電源分開閉合的過程中，電路的電壓不穩(wěn)造成抖動，進而影響復位。電路圖如圖4所示。

1.7 晶振電路

圖4 復位電路Fig.4 Circuit diagram of reset circuit

在單片機中晶振電路同樣是必不可少的，它能保證系統(tǒng)的正常運行，當振蕩器不起振的話，系統(tǒng)就不會工作。如果振蕩器不能正常運行的話，系統(tǒng)在執(zhí)行的時候就會不可避免的出現(xiàn)時間上的誤差，這個沒辦法避免，尤其是在通訊中體現(xiàn)的比較明顯，電路無法通信。

晶振電路由兩部分組成，晶振和兩個瓷片電容，它們是沒有正負之分的，但是兩個瓷片的電容相連的那一端一定要接地，如圖5所示。

圖5 晶振電路Fig.5 Circuit diagram of crystal oscillator circuit

此晶振電路工作是在并聯(lián)諧振狀態(tài)的，可以解釋為諧振電容的一個組成部分。選值是根據(jù)晶振的要求負載電容確定的，這樣可以最大期限的降低頻率的誤差，同時還能減少溫度誤差。整個系統(tǒng)的電路圖，如圖6所示。

2 系統(tǒng)程序設計

整個系統(tǒng)的流程主要分為主流程和子流程兩個部分，主流程是整個電路程序的工作流程，顯示器顯示當初始的檢測值，并檢測異常情況，子流程分為兩個部分，報警和顯示程序，顯示數(shù)據(jù)子程序的主要功能就是把超聲波模塊測量后的結果經(jīng)單片機處理完畢的距離顯示在LCD液晶顯示屏上。報警子程序的主要功能是在距離值超過預警值時，能夠使蜂鳴器發(fā)聲從而達到報警的目的。

2.1 主流程

主程序是控制整個電路程序的工作的程序，開機后系統(tǒng)檢測到障礙物存在，然后讀出它的距離值，進行數(shù)據(jù)處理，在沒有障礙物的存在時，顯示器上的距離值就會非常大，但不影響系統(tǒng)的正常工作，主程序流程如圖7所示。

圖6 系統(tǒng)電路圖Fig.6 Circuit diagram of system

圖7 主流程Fig.7 Main flow chart

2.2 子程序

子程序流程如圖8所示，分為顯示數(shù)據(jù)和報警程序兩個程序，顯示數(shù)據(jù)子程序的主要功能就是把超聲波模塊測量后的結果經(jīng)單片機處理完畢的距離顯示在LCD液晶顯示屏上。報警子程序的主要功能是在距離值超過預警值時，能夠使蜂鳴器發(fā)聲從而達到報警的目的。

3 實物測試

整個實物由顯示器、超聲波傳感器、光感傳感器、LED指示燈、按鍵、單片機、蜂鳴報警器等幾部分組成。對整個系統(tǒng)的不同情況進行測試，檢測每一個模塊是否正常工作，能否起到保護視力的效果，可分為以下幾種情況進行實驗測試：

圖8 子流程圖Fig.8 Sub flow chart

（1）當距離和時間都正常的情況下，改變光線的強度，調(diào)節(jié)光線，使其達到正常值，此時警報器不報警，然后調(diào)節(jié)光線的強度，先讓光線過弱，報警器報警，再讓光線過強，報警器也報警，工作正常。

（2）控制距離和光線，使其達到正常值，在設置的時間內(nèi)，警報器不報警，工作電路正常工作，在達到學習時間之后，報警器報警，提醒學習者休息。

（3）調(diào)節(jié)光線和時間的值，使其在正常的范圍內(nèi)，讓學習者在適當?shù)木嚯x內(nèi)學習，這時報警器不報警，讓學習者靠近讀物，使他們之間的距離小于設定的距離，這時報警器報警。

（4）電路正常工作的情況下，控制距離不變，同時改變時間和光線，使它們的都不在正常工作的范圍內(nèi)，這時報警器報警。

（5）電路在光線正常的范圍內(nèi)，同時改變距離和時間，使其不在正常范圍內(nèi)，這時報警器報警。

（6）同樣，控制時間因素不變，使其在正常的范圍內(nèi)，改變光線和距離，使其偏離正常范圍，報警器報警。

（7）在正常的情況下，報警器不報警，現(xiàn)控制光線，時間，距離，使它們?nèi)叨计x正常的數(shù)據(jù)，這時報警器報警。

4 結語

本文設計的超聲波視力保護儀通過STC89C51單片機寫入程序，再與相結合各個硬件串聯(lián)起來，軟硬結合，組成的一個多功能的超聲波視力保護儀，可以多方面的綜合性保護學習者的眼睛，經(jīng)過實驗測試發(fā)現(xiàn)，該設計可以完美地運行設定的程序，達到預期的效果。這個系統(tǒng)應用簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，使用靈活，可以根據(jù)自己的習慣和喜好來調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)，達到適合自己的模式，同樣一個產(chǎn)品，可以適應不同的人使用，方便快捷，易于操作，通過超聲波來控制學習者與讀物之間的距離，矯正學習者的不良坐姿與習慣，能更好地為學習者服務。