新型智能化超聲波視力保護(hù)系統(tǒng)

胡景勤

摘要：為了保護(hù)青少年視力，實(shí)現(xiàn)視力保護(hù)智能化，采用STC89C52主控制器，HC-sr04超聲波傳感器測(cè)距原理，主控制器和報(bào)警裝置，溫度測(cè)量和時(shí)鐘功能，LCD1602液晶顯示屏。利用C語言編寫程序，包括顯示、超聲波測(cè)距、光強(qiáng)檢測(cè)、記錄時(shí)間、語音報(bào)警、按鍵調(diào)光等模塊。在使用者與書本距離、環(huán)境光照強(qiáng)度及學(xué)習(xí)時(shí)間超過設(shè)定健康范圍，實(shí)施距離報(bào)警、光強(qiáng)報(bào)警及定時(shí)報(bào)警等功能，達(dá)到預(yù)防和保護(hù)視力目的。

關(guān)鍵詞：智能化;STC89C52;視力保護(hù);LCD1602;超聲波傳感器

中圖分類號(hào)：TN98 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）11-0040-02

1背景

中華醫(yī)學(xué)會(huì)楊智寬教授介紹，目前中國(guó)近視患者人數(shù)已多達(dá)6億，7-12歲小學(xué)生、13-15歲初中生、16-18歲高中生及19-22歲大學(xué)生，其視力不良率分別為45.7%、74.4%、83.3%和87.7%?？茖W(xué)研究證實(shí)，兒童持續(xù)近距離用眼和戶外活動(dòng)時(shí)長(zhǎng)等是造成近視的決定性因素，最關(guān)鍵問題是預(yù)防近視、控制低度發(fā)展為高度近視。本研究利用單片機(jī)控制超聲波傳感器等，時(shí)刻督促提醒要端正坐姿，眼睛距離書本一尺左右，胸前距離桌子一拳左右，握筆時(shí)手要握在離筆尖一寸處等，幫助青少年養(yǎng)成科學(xué)用眼習(xí)慣和視力保護(hù)意識(shí)。

2總體研究方案

2.1系統(tǒng)主控結(jié)構(gòu)

如圖1系統(tǒng)主控圖，采用STC89C52控制LCD1602顯示、DS13C887時(shí)鐘芯片、DS18b20溫度傳感器等，利用超聲波測(cè)距傳感器測(cè)量使用者與臺(tái)燈間距離。若使用者在一定范圍內(nèi)則無任何提示;若低于最小閾值時(shí)傳感器發(fā)出一個(gè)反饋信號(hào)，單片機(jī)接受反饋信號(hào)則驅(qū)動(dòng)報(bào)警裝置提醒使用者;若高于最大閾值時(shí)臺(tái)燈會(huì)自動(dòng)切斷電源達(dá)到節(jié)約能源目的。

2.2超聲波測(cè)距原理

發(fā)射器發(fā)出超聲波，遇到障礙物被反射回來，接收器接收返回波。主控制器開始計(jì)時(shí)，計(jì)算接收到返回波時(shí)間，以空氣中波轉(zhuǎn)播速度計(jì)算測(cè)試距離。顯示當(dāng)前時(shí)間，記錄持續(xù)工作時(shí)間。顯示環(huán)境溫度，有效調(diào)控工作環(huán)境溫度。手動(dòng)調(diào)節(jié)燈光亮度，選擇一個(gè)眼睛舒適亮度，達(dá)到保護(hù)眼睛效果。實(shí)時(shí)監(jiān)控使用者坐姿，超聲波模塊實(shí)時(shí)測(cè)距;處于最低限度45cm以下，主控制器觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，提醒使用者及時(shí)調(diào)整自己坐姿;處于最大限度2m以上時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷燈光電源。

3系統(tǒng)電路功能模塊

3.1主控制器模塊

根據(jù)系統(tǒng)需求，采用STC89C52單片機(jī)，作為智能視力保護(hù)控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警提醒，處理超聲波采集信號(hào)，處理DS18820所采集溫度系數(shù)，顯示到LCD屏上。如圖2單片機(jī)最小系統(tǒng)，有中央處理器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行并行接口、和中斷系統(tǒng)等，三大總線為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，最核心是片內(nèi)掩膜ROM型程序存儲(chǔ)器。

3.2坐姿檢測(cè)和LED按鍵模塊

利用超聲波傳感器測(cè)距方案，以臺(tái)燈到使用者胸前距離為一邊，以使用者眼睛到桌面距離為另一邊，利用勾股定理計(jì)算出第三條邊。當(dāng)檢測(cè)到距離小于45cm時(shí)，觸發(fā)報(bào)警裝置提醒使用者及時(shí)調(diào)整坐姿，當(dāng)大于2m時(shí)自動(dòng)斷開電源達(dá)到節(jié)能效果。如圖3超聲波模塊電路，采用HC-SR04型號(hào)超聲波傳感器，包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路具有2cm-400cm非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到3mm。

3.3報(bào)警電路模塊

報(bào)警裝置，采用無源蜂鳴器，是一種電子發(fā)聲器，在電路中一般用字母‘H或‘HA表示。如圖4報(bào)警電路圖，利用三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，實(shí)現(xiàn)報(bào)警提示功能。當(dāng)檢測(cè)到距離小于設(shè)定距離發(fā)出報(bào)警提示音，當(dāng)大于最大設(shè)定距離斷開電源。利用單片機(jī)定時(shí)功能，產(chǎn)生一個(gè)震蕩脈沖方波，通過I/O口輸出一個(gè)高電平使三極管導(dǎo)通，電流通過蜂鳴器時(shí)發(fā)出聲音;當(dāng)無振蕩方波信號(hào)時(shí)，處于低電平三極管截止，沒有電流流過蜂鳴器，不會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音。

3.4溫度采集顯示模塊

溫度傳感器DS18820直接讀取數(shù)字，在傳感器上電狀態(tài)下默認(rèn)精度12位。如圖5溫度采集電路模塊，在啟動(dòng)前保持低功耗等待狀態(tài)，當(dāng)需要測(cè)量溫度或AD轉(zhuǎn)換時(shí)，總控制器發(fā)出命令，以兩個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)到高速暫存器中，傳感器則繼續(xù)保持等待狀態(tài)。

LCD1602點(diǎn)陣型液晶顯示，可以顯示數(shù)字、字母、符號(hào)等，內(nèi)部有復(fù)位電路及功耗較低等特點(diǎn)。LCD1602共16個(gè)管腳，在編寫程序中用到數(shù)據(jù)命令選擇端、R讀寫選擇端、使能信號(hào)端等引腳，主要圍繞這三個(gè)引腳進(jìn)行初始化寫命令寫數(shù)據(jù)。

3.5時(shí)鐘電路模塊

DS12C887時(shí)鐘芯片，是一款自帶晶體振蕩器和鋰電池的時(shí)鐘芯片，不會(huì)因外界斷電而停止計(jì)時(shí)。它有兩種總線模式，即MOTOROLA模式與INTEL模式，當(dāng)引腳M選擇接VCC選用MOTOROLA模式，當(dāng)引腳M懸空或接地選用INTEL模式。時(shí)鐘芯片也有兩種供電方式，當(dāng)VCC高于4.25V時(shí)接受外部程序控制，當(dāng)VCC低于4.25V時(shí)進(jìn)入寫保護(hù)狀態(tài)，同時(shí)輸出呈高阻狀態(tài)，當(dāng)VCC低于3V時(shí)自動(dòng)切換到內(nèi)部電池供電。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖5所示系統(tǒng)總流程圖，采用C語言編寫系統(tǒng)主體程序。當(dāng)系統(tǒng)開始初始化，接著點(diǎn)亮LED和LCD1602顯示屏，驅(qū)動(dòng)溫度傳感器和時(shí)鐘芯片，分別獲取兩個(gè)傳感器信息。通過主控制器分析顯示到LCD1602顯示屏上，驅(qū)動(dòng)HC-sr04開始測(cè)距，發(fā)射器發(fā)射信號(hào)，接收器收到反射信號(hào)，反饋給主控制器中計(jì)算被測(cè)距離。與程序所設(shè)定距離比較，如果小于設(shè)定距離給予報(bào)警器一個(gè)高電平，促使其發(fā)出警報(bào)并返回繼續(xù)監(jiān)測(cè);如果處于設(shè)定范圍則繼續(xù)檢測(cè);如果大于最大檢測(cè)范圍，則默認(rèn)為處于沒有使用狀態(tài)，自動(dòng)斷開電源達(dá)到節(jié)約能源的目的嘲。

5結(jié)束語

在硬件平臺(tái)上，制作了一類基于STC89C52單片機(jī)的視力保護(hù)器，進(jìn)行電路功能模塊化設(shè)計(jì)，采用C語言編寫程序易修改和挪用，可以運(yùn)用到其他控制器上。經(jīng)過系統(tǒng)測(cè)試后，可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊功能。利用單片機(jī)制作視力保護(hù)器思想，可以實(shí)現(xiàn)視力保護(hù)智能化。視力保護(hù)系統(tǒng)研究，主要考慮到寫字讀書方面，進(jìn)一步拓展開發(fā)應(yīng)用，也可以適用于其他造成近視因素，比如長(zhǎng)時(shí)間看電視、電腦，玩手機(jī)等。