多功能眼部保護(hù)儀的研究與設(shè)計(jì)

郭林海 湯莉莉

摘? 要：本設(shè)計(jì)主要研究通過溫度傳感器收集外界環(huán)境中的溫度，并通過升溫模塊，加濕模塊和震動(dòng)式按摩模塊做出相應(yīng)的漸變式處理。研究的內(nèi)容主要包括對(duì)于外界環(huán)境中的溫度信號(hào)采集和分析處理、震動(dòng)、加溫、加濕模塊循環(huán)調(diào)動(dòng)、STC89C2單片機(jī)的編程、繼電器的控制等。在系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)上是采用了模塊化的設(shè)計(jì)，先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行單獨(dú)的測(cè)試，然后將其組裝一起來進(jìn)行調(diào)試;在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上主要是采用了自下而上的一種模塊化編程技術(shù)，LCD液晶可以實(shí)時(shí)地顯示當(dāng)前的天氣、時(shí)刻和溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)，最終能夠?qū)崿F(xiàn)智能多功能眼部保護(hù)儀的工作過程中所有相關(guān)數(shù)據(jù)的控制，并且實(shí)時(shí)地顯示溫度等數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：溫度傳感器? 震動(dòng)按摩? 漸變式處理? 眼部保護(hù)

中圖分類號(hào)：TN923;TP399? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）06（a）-0038-05

Research and Design of Intelligent Multifunctional Eye Protector

Guo Linhai? Tang Lili*

（College of Computer and Information Engineering， Zhixing College of Hubei University， Wuhan， Hubei Province，? 430011? China）

Abstract： This design mainly studies the collection of temperature in the external environment through the temperature sensor， and makes the corresponding gradual processing through the heating module， humidifying module and vibrating massage module. The research contents mainly include the temperature signal acquisition and analysis processing in the external environment， vibration， heating， humidification module cycle transfer， STC89C2 MCU programming， relay control and so on. In the hardware design of the system， the modular design is adopted. First， each module is tested separately， and then assembled together for debugging; In the system software design， a bottom-up modular programming technology is mainly used. LCD can display the current weather， time， temperature and other related data in real time. Finally， it can realize the control of all related data in the working process of intelligent multi-functional eye protector and display the temperature and other data in real time

Key Words： Temperature sensor; Vibration massage; Gradual treatment; Eye protection

通常是一個(gè)被我們用來檢測(cè)光，并把所檢測(cè)得到的光直接轉(zhuǎn)換為存在于大腦里的神經(jīng)元的一種機(jī)械器官，被認(rèn)為是現(xiàn)代人類與世界相互接觸的重要手段。眼睛就像是心靈的窗口，據(jù)統(tǒng)計(jì)研究，現(xiàn)在每10個(gè)人中就有7個(gè)佩戴眼鏡，近視、老視眼、視力下降已經(jīng)成為眼部的重要問題。為了緩解用眼過度的問題，眼部保護(hù)儀誕生了。普通的護(hù)眼儀只有按摩功能，在給眼睛按摩的同時(shí)用戶難免會(huì)產(chǎn)生干澀等不適感。而智能多功能眼部保護(hù)儀的設(shè)計(jì)在兼顧按摩功能的同時(shí)還新增了加溫噴霧功能，它能夠有效地緩解用戶在按摩時(shí)產(chǎn)生的酸澀感，同時(shí)加熱噴霧還能對(duì)眼部的穴位產(chǎn)生熱敷的功效，可以有效地緩解用眼過度等問題[1-2]。本設(shè)計(jì)中所實(shí)現(xiàn)的溫度控制就是當(dāng)一個(gè)人帶上多功能智慧護(hù)眼儀的時(shí)候，溫度傳感器就會(huì)自動(dòng)監(jiān)視和檢測(cè)外部溫度，如果外部溫度太低，加熱模塊就可能會(huì)進(jìn)行加熱，在0～4s時(shí)通過加熱電路自動(dòng)檢測(cè)得到一個(gè)低電平的溫度信號(hào)，使得繼電器被吸合，加熱模塊和噴霧模塊同時(shí)啟動(dòng)對(duì)眼部穴位進(jìn)行加熱保濕處理，4～13s時(shí)繼電器斷開，加熱和噴霧模塊停止工作，時(shí)鐘電路輸出低電平信號(hào)，震動(dòng)傳感器檢測(cè)到低電平信號(hào)后開始工作[3]。13s時(shí)，時(shí)鐘電路輸出高電平信號(hào)，復(fù)位電路開始工作，使整個(gè)電路復(fù)位重新從0s時(shí)開始工作。LCD1602液晶顯示屏能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)前的工作時(shí)刻及其溫度等的顯示。

1? 總體設(shè)計(jì)方案

本自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)硬件和控制軟件兩大組成部分綜合組成，由液壓震動(dòng)控制模擬器和按摩自動(dòng)控制系統(tǒng)模塊、噴霧自動(dòng)控制系統(tǒng)模塊、單片式電機(jī)系統(tǒng)控制模塊、加熱自動(dòng)控制系統(tǒng)模塊、按鍵自動(dòng)控制系統(tǒng)模塊、溫度傳感器自動(dòng)控制系統(tǒng)模塊、LCD液晶顯示模塊7個(gè)較小的控制模塊組合而成[4]。整體方案的設(shè)計(jì)框圖，如圖1所示。

1.1 震動(dòng)模擬按摩模塊

本模塊采用直流電機(jī)震動(dòng)馬達(dá)，震動(dòng)效果明顯，mos放大驅(qū)動(dòng)，可以通過Ard的數(shù)字口進(jìn)行控制，亦可通過PWM控制馬達(dá)的震動(dòng)強(qiáng)度[5]，通過此模塊可方便的完成電信號(hào)到機(jī)械震動(dòng)感的轉(zhuǎn)換。

本控制模塊主要采用了直流直供電機(jī)械的震動(dòng)馬達(dá)，震動(dòng)時(shí)感應(yīng)效果明顯，MOS放大器驅(qū)動(dòng)，可以由控制Ard的一個(gè)控制數(shù)字口對(duì)其馬達(dá)進(jìn)行震動(dòng)控制，亦或者可以由控制PWM來直接控制馬達(dá)震動(dòng)時(shí)的感應(yīng)強(qiáng)度[5]，通過這個(gè)控制模塊能夠方便地直接完成從直流電信號(hào)進(jìn)入輸出傳送到振動(dòng)機(jī)械上的震動(dòng)馬達(dá)傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換，工作電壓在3.0～5.3V，其特點(diǎn)是易操作、靈敏度高、安全系數(shù)高且兼容性強(qiáng)。

1.2 加熱控制模塊

外界環(huán)境的溫度由DS18B20溫度傳感器進(jìn)行接受，當(dāng)其到達(dá)需要加熱的溫度時(shí)DS18B20溫度傳感器就會(huì)向傳感器輸出低電平信號(hào)，接收到低電平信號(hào)之后加熱控制模塊中的繼電器吸合，加熱模塊開始工作[6]。加熱模塊電路，如圖2所示。

1.3 噴霧控制電路

該噴霧控制電路主要由馬達(dá)來模擬噴霧效果，當(dāng)接收到加熱控制模塊輸出的高電平信號(hào)時(shí)，噴霧控制模塊開始工作。噴霧控制模塊的總體設(shè)計(jì)，如圖3所示。

1.4 主控電路

如圖4所示，主控控制電路主要部件包括開關(guān)復(fù)位控制電路，時(shí)鐘控制電路和STC89C2單片機(jī)3個(gè)部分共同組成，復(fù)位時(shí)鐘電路的主要作用是當(dāng)作為控制整個(gè)時(shí)鐘電路的一個(gè)控制開關(guān)工作狀態(tài)。時(shí)鐘電路的主要工作是控制加熱電路，噴霧電路和震動(dòng)模擬電路的工作順序，時(shí)鐘電路主要由HC-49S晶振控制，其特點(diǎn)是價(jià)格低廉、頻率范圍寬、老化率好，能夠很好地控制整個(gè)電路13s一次完成工作循環(huán)[7-8]。

2? 軟件系統(tǒng)

2.1 溫度傳感器程序流程圖

程序開始時(shí)，先對(duì)DS18B20溫度傳感器進(jìn)行初始化。通過拉低單線產(chǎn)生復(fù)位脈沖信號(hào)，然后釋放該線，如果有應(yīng)答脈沖，即發(fā)起ROM命令。當(dāng)成功地執(zhí)行操作后，就使用內(nèi)存操作，即溫度轉(zhuǎn)換等，當(dāng)轉(zhuǎn)換完后，又重新開始初始化DS18B20溫度傳感器，然后檢測(cè)是否有應(yīng)答脈沖，若有就發(fā)起讀時(shí)隙命令，同時(shí)讀出第1，2個(gè)字節(jié)，即為溫度的數(shù)據(jù)。溫度顯示流程圖，如圖5所示。

2.2 LCD屏幕顯示程序流程圖

程序開始時(shí)，LCD1602初始化，LCD1602采取數(shù)字漢字不同的顯示方法，用LCD顯示一個(gè)字符時(shí)比較復(fù)雜，因?yàn)橐粋€(gè)字符由6×8或8×8點(diǎn)陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個(gè)位置對(duì)應(yīng)的顯示RAM區(qū)的8字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點(diǎn)亮，為“0”的不亮。這樣一來就組成某個(gè)字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡(jiǎn)單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號(hào)及每行的列數(shù)找出顯示RAM對(duì)應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，在此送上該字符。

漢字的自動(dòng)顯示一般采用圖形方式，事先從微機(jī)中提取要顯示的漢字的點(diǎn)陣碼（一般用字模提取軟件），每個(gè)漢字占32B，分左右兩半，各占16B，左邊為1、3、5……右邊為2、4、6……根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號(hào)及每行的列數(shù)可找出顯示RAM對(duì)應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，送上要顯示的漢字的第一字節(jié)，光標(biāo)位置加1，送第二個(gè)字節(jié)，換行按列對(duì)齊，送第三個(gè)字節(jié)……直到32B顯示完就可以LCD上得到一個(gè)完整漢字，LCD屏幕顯示程序流程，如圖6所示。

3? 方案難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 方案難點(diǎn)

（1）溫度傳感器對(duì)于采集外界溫度的信號(hào)比較微弱且及其不穩(wěn)定，存在著許多不確定的因素;這對(duì)于傳感器的采集和信號(hào)處理電路的可靠性和穩(wěn)定性提出了新的技術(shù)要求。（2）根據(jù)工作環(huán)境中的時(shí)間和空氣溫度不同，存在著溫度傳感器的檢測(cè)距離及其靈敏度的設(shè)定、測(cè)量和分析等技術(shù)上的困難。（3）在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了程序控制等方式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能多功能眼部保護(hù)儀進(jìn)行自動(dòng)化控制，由于系統(tǒng)中的硬件電路設(shè)計(jì)對(duì)元器件的各種性能參數(shù)有較高要求，這就導(dǎo)致在系統(tǒng)中的電路設(shè)計(jì)、組裝和調(diào)試等工作上的難度增大。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）通過一個(gè)時(shí)鐘控制電路來嚴(yán)格地控制多種模塊的工作順序和時(shí)間。（2）溫度傳感器信號(hào)的處理電路及其處理方法。（3）加熱控制電路必須與繼電器一起配合。（4）在一個(gè)軟件設(shè)計(jì)中，多個(gè)中斷的同時(shí)運(yùn)行且相互之間并沒有任何影響。

4? 系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果分析

（1）能夠較為靈敏地實(shí)現(xiàn)從加熱模塊到噴霧模塊再次震動(dòng)等各個(gè)模塊的轉(zhuǎn)換與運(yùn)行。（2）通過與普通護(hù)眼儀進(jìn)行對(duì)比，多功能護(hù)眼儀具有明顯的按摩作用。（3）通過與普通護(hù)眼儀進(jìn)行對(duì)比，多功能護(hù)眼儀的加熱噴霧式加濕功能在護(hù)理眼部起到了較為明顯的緩解眼部疲勞的作用。（4）LCD顯示屏可以精確地實(shí)現(xiàn)當(dāng)前時(shí)間、溫度等數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)顯示。

5? 結(jié)語

通過實(shí)物調(diào)試，測(cè)得0～4s內(nèi)運(yùn)行加熱和噴霧加濕功能，4～13s內(nèi)運(yùn)行震動(dòng)按摩功能，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際情況進(jìn)行加熱溫度與各功能的運(yùn)行時(shí)間。該多功能護(hù)眼儀可適用于各年齡段的人群適用范圍廣且操作簡(jiǎn)便。本款多功能眼部保護(hù)儀的成功研制不僅為人們提供了方便的生活，而且還達(dá)到了智能控制及護(hù)眼的目標(biāo)，它可以被廣泛地應(yīng)用在學(xué)習(xí)、生活和日常工作之中，并且具備一定的應(yīng)用價(jià)值和良好的市場(chǎng)前景。

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