智能視力保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作

沈陽(yáng)工學(xué)院 肖鍵 鄭昊 陳玉玲

1 引言

在現(xiàn)階段，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，網(wǎng)絡(luò)、電視高速發(fā)展，很多培訓(xùn)機(jī)構(gòu)都采用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)內(nèi)容豐富多彩，視頻、動(dòng)畫(huà)、圖片、文字等多姿多彩，都需要用到眼睛，對(duì)視力有非常大影響，造成很多青少年近視，對(duì)大部分的孩子身心影響巨大，尤其是在中小學(xué)青少年成長(zhǎng)和發(fā)育的關(guān)鍵期，學(xué)生缺少自我保護(hù)意識(shí)，雖有家長(zhǎng)和老師的監(jiān)督，但效果不夠明顯，不良的閱讀、寫(xiě)字習(xí)慣一旦形成，青少年早早戴上眼鏡，對(duì)青少年的生活會(huì)有一定的影響。

學(xué)生近視在現(xiàn)階段已成為一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題。國(guó)家有些部門(mén)對(duì)一些職業(yè)有明確的視力要求，青少年一旦出現(xiàn)近視，即使花再多的錢(qián)醫(yī)治，想恢復(fù)原來(lái)視力的可能性也是非常低的。一些專(zhuān)家研究發(fā)現(xiàn)，造成青少年近視的最重要因素讀書(shū)寫(xiě)字姿勢(shì)不正確。國(guó)家教委規(guī)定：學(xué)生在讀寫(xiě)時(shí)，應(yīng)在一定亮度下，眼睛離讀物一尺，身離書(shū)桌一拳[1]。在如今學(xué)習(xí)中，青少年課業(yè)壓力非常大，學(xué)習(xí)看書(shū)時(shí)間非常多，有一個(gè)智能視力的提醒裝置便顯得越來(lái)越重要。因此本次課題研究主要是針對(duì)如何能夠提醒和監(jiān)督青少年用眼健康，端正坐姿，時(shí)刻提醒青少年養(yǎng)成良好的讀寫(xiě)習(xí)慣，有效防止出現(xiàn)駝背、脊椎彎曲、近視等情況，從而保護(hù)青少年的身心健康。

基于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有硬件設(shè)備，致力于研究多功能視力保護(hù)裝置設(shè)計(jì)與制作，主要研究分為硬件設(shè)計(jì)與制作、軟件設(shè)計(jì)、硬件與軟件綜合調(diào)試幾個(gè)部分[2]。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與制作

結(jié)合實(shí)際，硬件設(shè)計(jì)主要由超聲波檢測(cè)與測(cè)距電路設(shè)計(jì)、光線(xiàn)檢測(cè)與報(bào)警設(shè)計(jì)、定時(shí)報(bào)警電路設(shè)計(jì)、按鍵電路設(shè)計(jì)、聲光警示電路,顯示電路等組成，系統(tǒng)的硬件電路原理框圖如圖1所示。

圖1 硬件原理框圖

測(cè)距原理利用I/O口TRIG觸發(fā)脈沖測(cè)距，發(fā)出10us的高電平觸發(fā)信號(hào)，檢測(cè)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)返回到系統(tǒng)，當(dāng)有信號(hào)返回時(shí)，通過(guò)I/O口輸出高電平，采集到高電平的持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)送到返回的時(shí)間[3]。測(cè)試距離公式1所示：d=公式中d為檢測(cè)距離；v為聲速340m/s；t檢測(cè)的高電平持續(xù)時(shí)間。

設(shè)計(jì)電路時(shí)，當(dāng)檢測(cè)的距離小于設(shè)定的數(shù)值時(shí)，觸發(fā)信號(hào)檢測(cè)后，電路出現(xiàn)聲光報(bào)警、語(yǔ)音播報(bào)、LCD模塊顯示距離，從而提醒和警示學(xué)生調(diào)整角度，端正坐姿，適當(dāng)休息，保護(hù)視力。

光線(xiàn)檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)時(shí)，利用光敏電阻特性，當(dāng)光敏電阻控制電路檢測(cè)條件滿(mǎn)足時(shí)發(fā)出脈沖，該脈沖作用于單片機(jī)的I/O，通過(guò)檢測(cè)I/O是否為高電平持續(xù)時(shí)間，利用中斷控制，給出滿(mǎn)足報(bào)警條件的脈沖，再由電路發(fā)出警示語(yǔ)音，及時(shí)調(diào)整光線(xiàn)，由此達(dá)到保護(hù)青少年視力的目的[4]。

打開(kāi)電源，電路工作中，光敏電阻與超聲波測(cè)距同時(shí)工作，當(dāng)光線(xiàn)較暗，青少年眼睛與桌面距離小于設(shè)定的規(guī)定距離時(shí)，都會(huì)觸發(fā)語(yǔ)音報(bào)警，語(yǔ)音報(bào)警提示會(huì)發(fā)出“請(qǐng)注意保護(hù)視力”的警示語(yǔ)音。該音頻的錄入來(lái)自本項(xiàng)目的成員。電路原理圖如圖2所示。

圖2 電路原理圖

電路原理圖中核心模塊為STC89C52單片機(jī)，J1模塊為ISD語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)可以錄制真人語(yǔ)音，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)，J3、J4模塊為超聲波收發(fā)模塊，J3模塊與單片機(jī)的P1.7相連，J4模塊與單片機(jī)的P2.2，P2.3相連，實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距功能。電路中設(shè)置了按鍵模塊，K1按鍵與單片機(jī)的P3.4口相連，實(shí)現(xiàn)功能選擇，K2按鍵與單片機(jī)的P3.5相連，實(shí)現(xiàn)“加”功能設(shè)置，K3按鍵與單片機(jī)的P3.6相連，實(shí)現(xiàn)“減”功能設(shè)置，K4按鍵與單片機(jī)的P3.7相連，實(shí)現(xiàn)復(fù)原功能。電路中設(shè)置的LCD顯示，語(yǔ)音報(bào)警，聲光顯示功能，通過(guò)設(shè)計(jì)與制作，硬件已完成，基本功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。主要用到的設(shè)備清單如表1所示。

表1 智能視力保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件清單

圖3 系統(tǒng)的主流程

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試

程序設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，規(guī)劃出超聲檢測(cè)子程序、光線(xiàn)檢測(cè)子程序、語(yǔ)音報(bào)警子程序等設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的主體流程圖如圖3所示。

系統(tǒng)開(kāi)始后，首先初始化，然后進(jìn)行超聲波測(cè)距與光線(xiàn)檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)擦好過(guò)視力保護(hù)閾值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警，并發(fā)生語(yǔ)音播報(bào)提醒，系統(tǒng)周而復(fù)始循環(huán)進(jìn)行。超聲波測(cè)距程序段為

4 結(jié)語(yǔ)

智能視力保護(hù)系統(tǒng)主要由超聲波測(cè)距與光線(xiàn)檢測(cè)裝置組成，通過(guò)設(shè)定測(cè)試距離，實(shí)踐制作并調(diào)試，設(shè)定距離為10～40厘米可調(diào)，當(dāng)已選擇10厘米報(bào)警時(shí)，身體與超聲波測(cè)距距離小于10厘米時(shí)報(bào)警，同時(shí)語(yǔ)音模塊開(kāi)啟，并播報(bào)“請(qǐng)注意保護(hù)視力”。當(dāng)外部光線(xiàn)較暗時(shí)，光敏模塊工作，光敏電阻的報(bào)警閾值設(shè)定為472，光線(xiàn)較暗時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，語(yǔ)音模塊工作。智能視力保護(hù)系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單可行、測(cè)試方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。硬件制作中還存在不足，需要進(jìn)一步改進(jìn)測(cè)距精度。