基于壓電超聲傳感器的智能防近視系統

羅得寸 唐藝玲 林星 唐新文 莫錦

摘要：功能陶瓷材料在我們的日常生活中越來越常見，而壓電陶瓷材料是功能陶瓷中運用相當廣泛的一類材料。采用傳統陶瓷制備工藝制備基于Sc改性的Mn摻雜BF-BT體系陶瓷壓電陶瓷，在實際生產應用中有著非常不俗的表現。使用XRD、SEM、阻抗等精密儀器對該體系陶瓷樣品進行性能測試，以應用為導向，分析BF-BT-BS陶瓷各項性能指標。將壓電陶瓷材料應用于超聲波換能器，經過設計的換能器產生的超聲波具有衍射現象小、方向指向性好、可以定向傳播的優點。基于超聲換能器的超聲波測距傳感器具有盲區小、精度高、指向性好、探測范圍大優點，廣泛應用于倒車檢測系統、導盲系統、室內精確定位等。本文將高性能無鉛壓電陶瓷材料制成的超聲測距傳感器應用于防近視系統，將超聲換能器應用于距離測量的傳感器，具有測量精度高、方向指向性好、測量量程大等特點，利用STC單片機進行測距與智能控制，以實現與現廣泛使用的Android設備終端相結合，并能夠在電子設備終端實時判斷人眼與設備屏幕的距離，根據實際情況在智能終端提醒用戶健康用眼，從而達到防近視的目的。

關鍵詞：壓電陶瓷性能；壓電超聲換能器；超聲測距；Android防近視系統

一、壓電材料的研究進展

（一）壓電效應

某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態，這種現象稱為正壓電效應。當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當在電介質的極化方向上施加電場，這些電介質也會發生變形，電場去掉后，電介質的變形隨之消失，這種現象稱為逆壓電效應

（二）壓電材料的發展歷程

自上個世紀40年代中期以來，壓電陶瓷材料在生產生活當中得到了相當廣泛的應用，關于壓電、鐵電材料等方面的研究也因此得到了不斷的發展。目前，壓電陶瓷材料是目前國際競爭極其激烈的高新技術材料之一。該材料不僅具有性質穩定、機電耦合系數高等優點，而且成本低廉、適合進行大批量生產。盡管壓電陶瓷材料上述不可比擬的優越性，但深入一些條件苛刻的領域內部的應用同時也不斷地對壓電陶瓷提出了更高的性能要求，目前，壓電陶瓷材料性能的改良可以通過摻雜、取代、改變工藝等方法，從而不斷地提高其各項性能，根據性能的不同可以將壓電陶瓷片應用到不同的產品。

二、壓電效應的原理

當電介質材料受到一定外力的作用時，電介質外表面發生微小的形變，同時，該電介質材料內部會產生電極化現象，在材料的兩個外表面產生相反電荷形成電勢差的現象，當外力去掉之后，電介質材料又能夠還原到原來不帶電、不變形的狀態，這種現象稱為正壓電效應。反之，電介質材料因外電場作用而產生微小形變的現象稱為逆壓電效應[1]。

三、超聲測距防近視系統的設計與實現

（一）超聲測距原理

目前，利用超聲波測距的原理主要有三種：相位比較法[2]、聲波幅值檢測法、渡越時間檢測法。渡越時間法原理比較簡單易懂，硬件電路也較容易實現，就是測量經超聲波發射器出發的超聲波反射后進入接收器的時間，這段時間就是稱為渡越時間[3]，已知空氣的聲速利用公式（1.1）便可以得出測試點與障礙物之間的距離值。

d=c×t÷2 （1.1）

式子中：d為距離，單位m，c為聲速，單位是m/s；t為超聲波在空氣中的傳播的時間，以秒為單位；

（二）防近視系統

1.硬件設計

設計單片機驅動超聲探頭的驅動電路，使得收發一體式的超聲傳感器能夠發射一定頻率的超聲波，以及能夠接收固有頻率的超聲波反射回波，回波經過運算放大器的濾波、放大、整形后傳入單片機中斷接口，單片機通過定時器計算出超聲波在發射后，經過障礙物的反射再傳回超聲探頭的時間間隔，從而可以計算出發射點與障礙物之間的距離值，通過低功耗藍牙4.0模塊上傳至電子終端設備。隨著電子信息工業的快速發展，微型化的硬件設計越來越離不開計算機的輔助設計，Altuim designer在PCB（印刷電路板）板的設計方面越來越成熟，具有高效、準確、高可靠等特點，是目前國內最為廣泛使用的PCB設計工具之一。實現硬件系統內嵌到其他電子設備當中，首先要考慮硬件電路的電源方案、功耗、尺寸、復雜程度等問題，其次利用Altuim designer 可以將電路板設計盡可能微型化。

2.軟件實現

（1）主控芯片程序

單片機內部軟件設計了一系列控制指令和算法，將測量的實際距離值與預設的標準值進行比較，若實際距離值小于標準值，則在一定時間內將相應的指令通過藍牙串口上傳到終端電子設備。低功耗是本次設計要考慮的范圍之一，為了實現低功耗，需要設計相應的算法以提高軟件的執行效率。

（2）Android終端控制軟件

移動互聯網時代下，電子產品、智能設備在我們日常生活中琳瑯滿目，人們使用的電子設備主要以手機、平板電腦、電視為主，在手機、平板電腦的操作系統中，又以Android操作系統最為普及，因此，考慮到用戶群的數量，最終選擇了Android平臺，本系統開發了一種Android操作系統控制終端軟件，軟件通過安卓設備自帶的藍牙功能與防近視系統硬件的藍牙模塊相互通信，不斷接收硬件上傳的指令和數據，根據指令和數據做出相應的動作，震動、熄屏、閃屏以提醒用戶，實現硬件系統與電子設備的有效結合。

四、總結與展望

本系統的設計從傳感器材料出發，對壓電超聲傳感器材料進行性能測試了分析，從材料分析理論中去了解壓電超聲傳感器的結構，根據實際用途對傳感器的頻率和結構設計進行討論，要求傳感器即可以發射、又可以接收固有頻率的超聲波，而且必須要定向傳播，接著講設計可以使得測距傳感器實現測距功能的硬件系統，以及將測距系統應用到Android智能手機防近視功能當中，使得材料結合多學科的應用的變得有實際意義。最后，經過實驗設計分析得出，當前防近視系統的壓電超聲傳感器尺寸還需要進一步縮小，Android客戶端的界面和防近視提醒功能還需要進一步完善。在壓電超聲傳感器微型化研究方面，目前已經有相關研究文獻研究將微機電系統（MEMS）應用到壓電超聲傳感器當中，一種新型的基于PZT厚膜的MEMS壓電超聲換能器尺寸約為2mm2mm，共振頻率約為120KHz，機電耦合系數最高達到6.39%[4]，因此對MEMS壓電超聲換能器的研究對微型化測距系統具有廣泛的應用前景，傳感器的微型化將加速推動防近視系統的市場化應用。

參考文獻：

[1]林書玉.超聲技術的基石——超聲換能器的原理及設計[J].物理，2009，38（03）：141-148.

[2]路宜明.基于PSoC的超聲相控陣高精度測距系統的研究[D].山東師范大學，2014.

[3]莫石鎂.超聲波測距在汽車倒車防撞系統中的應用.電腦知識與技術，2007，l（4）：1083—108

[4]張晉弘，馬劍強，李保慶，馮艷，褚家如.MEMS壓電超聲換能器的結構設計及性能表征[J].壓電與聲光，2010，32（04）：604-607.

作者簡介：羅得寸（1994），男，廣西壯族自治區來賓市，壯族，學歷：在讀碩士研究生，研究方向：區塊鏈，物聯網技術。

指導老師（楊華斌）

基金項目：本文系區級創業訓練項目（項目編號：201710595268）研究成果

項目名稱：一種基于超聲測距的內嵌式智能防近視系統