超聲波傳感器在預防近視中的應用

（江蘇聯合職業技術學院無錫交通分院，江蘇 無錫 214151）

[摘 要] 如今網絡日益成為人們獲取信息的主要途徑，人均使用手機、電腦、平板等電子設備的時間呈急速上升的趨勢。據報道，全球有22%的近視發病率，亞洲地區特別是我國的近視發病率已達34.6%。由于兒童使用電子設備的機會和時間顯著增高，青少年及學齡兒童發病率居高不下，高中生近視率高達70%。可見，預防青少年近視具有社會意義。

[關 鍵 詞] 傳感器；近視眼；單片機

[中圖分類號] TP212 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）06-0171-01

一、引言

“創新”是人類發展的永恒課題。隨著科學技術的發展，現代化創新人才的培養在職業教育領域越顯重要。培養適合當今社會需要的具有創新性的人才成為職業教育的主要任務。為了適應這一形勢的發展，為學生創造良好的創新才能發揮環境，基于市場上預防近視的矯姿產品很多，傳統的機械式坐姿矯正器械曾經風靡一時，但經過市場的檢驗，人們發現無論是攜帶還是使用都較為繁復，護眼原理上也忽略了長時間用眼對眼睛造成的傷害。筆者結合學生實際情況和市場環境，開發了基于單片機的多功能電腦護眼系統。

二、系統總體設計

近距離長時間過度直視是近視患病的一個重要因素，人眼的明視距離為25cm，本系統是設計一個使用方便、多功能的電腦護眼系統，把它固定于電腦顯示屏上，多功能電腦護眼系統以單片機AT89C51為控制核心，超聲波傳感器T/R40-16為測距主體，主要由超聲波發射電路、超聲波接收電路、單片機電路、LCD顯示電路、語音提示模塊及防盜模塊組成，如圖所示。使用超聲波傳感器實現用眼距離的測量，光電池實現周圍光線的明暗調節，單片機計時定時器測算用眼時間，同時人性化的設計0.5h、1h、1.5h、2h四種不同時間段，供青少年、老年或成年人選擇，一旦使用時間超時，系統通過語音芯片實現報警提示。當使用者過度看近時（人眼離顯示器距離小于15cm），警告電路也會工作，提醒使用者調整坐姿。

（一）超聲波傳感器測距原理

按照不同的類型，此類傳感器分為四種，分別是磁滯式、電動式、電磁式和電動式。發射信號的發射模塊和接受信號的接收模塊共同組成了超聲波傳感器。此類系統在接收超聲波和發射超聲波時，其兩個探頭實現了電壓與超聲波之間的相互變換，最終該系統完成了數據的測算。本系統選用壓電式超聲傳感器T/R40-16，接收和發射探頭均安裝雙晶振子，發射超聲波時，發射模塊將電壓轉化成超聲波，聲波在空氣中傳播，遇到電腦顯示器反射回接收模塊，單片機模塊計算出來回時間T，其傳播速度C是已知的，故根據距離（L）=1/2傳播速度（C）×時間（T），得出測量距離。為了精確測量數據，還應考慮兩個因素以減少誤差，（1）由于聲波的傳播速度與溫度有關，顯著的溫差也應該被考慮；（2）若發射與接收探頭夾角過大也會影響最終數據。

（二）超聲波發射電路設計

發射電路由反相器和換能器組成，當I/O口P2.3=0時，發射電路模塊發出超聲波，I/O口P2.3=1時，其本身的電路振蕩立刻停止。核心部件的P3.5共輸出兩路方波信號，一路經過一級的反相器反相后給超聲波換能器的一個電極，另外一個經過兩級反相器反相后給它的另外一個電極。我們應用兩個不同級別的反相器輸出最終是想拉高它的驅動能力。另外，應用R2和R1兩個上拉電阻，更是提高了換能器的阻尼效果。

（三）超聲波接收電路設計

由CX2010A芯片組成的集成電路構成了超聲波接收電路主體，我們知道，超聲波接收電路功能強大，不僅可以對超聲波信號機型放大、比較等功能，還可以進行限幅、整形。測距系統在正常的工作狀態，其超聲波換能器所接收到的40kHz的方波信號是由單片機所發出的。它接收到信號后再將其發出。信號發出后由單片機負責計算時間。該信號在碰到測距目標后折返，接收端CX20106A將信息發給單片機進行比較處理，將其結果輸送給LCD顯示器。假如所測量的距離小于設定值時，單片機產生 3kHz信號，送到三極管基極，蜂鳴器發出蜂鳴警示。

三、工作流程

為了更好地將其結果調試出來，要將單片機定時器T0的模式更改為16位計數器的模式，并且要先把系統的環境恢復到最初的狀態。接著將超聲波發出的一個子程序輸送給一個超神博脈沖，稍等后再將外中斷0接收返回的信號。當單片機中的主要程序發現接收成功的標志位后，再將單片機定時器T0中的數按下計算，這樣就可以測量出他們之間的距離。設計取聲速為340m/s。L=170m/s*T0測出距離后將結果送往LCD顯示，然后再發出超聲波脈沖進行重復測量。

總之，現代社會電腦無處不在，不論是工作、學習，還是娛樂都能在互聯網上獲得需要的資料和數據，上網儼然成為現代人最重要的生活內容之一。本文所設計的多功能電腦護眼系統無論對中小學生人群矯正他們上網的不良習慣，還是依靠電腦工作的白領，都有著積極的提醒警示作用。

參考文獻：

[1]梁森.自動檢測與轉換技術[M].機械工業出版社，2007.

[2]童敏明，唐守鋒.檢測與轉換技術[M].中國礦業大學出版社，2008.

[3]吳旗.傳感器及應用[M].高等教育出版社，2002.

作者簡介：王光祥（1982—），男，講師，學士學位，研究方向：電氣自動化。