多功能超聲波視力保護系統設計

李書婷

（商洛學院 電子信息與電氣工程學院，商洛 726000）

我國在1992年專門成立了近視眼專家小組，各種預防近視眼的產品層出不窮，從簡單到復雜、由單一到多元、科技也經歷了一個由低到高的歷程。在此期間，科學家們經過反復的調研開發，做出了多達幾百種產品，并推向了市場，讓無數近視眼患者看到了黎明的曙光。

在我國出現過很多種類的視力保護儀，比如國內新疆烏魯木齊市旭之龍科技有限公司生產的“學生1.5視力保護器”又稱為“坐視寶”，它主要是對不良坐姿進行提示的一款產品。還有深圳市華恒電子有限公司生產的型號為MS-3023的坐姿矯正器，也是專門矯正坐姿的一款產品。但是總體來看，人們對眼保儀的要求比較高，不僅要起到保護眼睛的效果，還要美觀，現有產品跟人們的實際需求還有很大的差異，而且這些產品雖然也能起到一些效果，但是性能都比較單一。國外也有專門針對近視眼的研究，但是他們的側重點不同，更傾向于對于近視眼原因的研究，美國德克薩斯大學西南醫學中心何于光博士表示：可以通過改變飲食習慣來保護視力，比如吃魚和蔬菜能夠有效地降低近視率。國外更傾向于針對問題的本質來做研究，跟國內的出發點不同，但研究的目的都是一樣的。

通過對各個市場的調研發現，目前市面上出現的產品，都比較單一，只能側重保護一方面，并不能全方位地保護視力。本文設計了一款新型的產品，可以從距離、光線強度、時間3個方面對讀者進行提醒，從而起到保護視力的效果。

1 系統結構與硬件設計

根據各種不同的器件的優缺點，綜合分析，從實用、價格和系統的協調性等各個方面進行了篩選，最終我們選定超聲波測距模塊、驅動顯示電路模塊、報警器模塊、控制模塊和溫度檢測模塊等構成的超聲波視力保護儀設計，其系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖Fig.1 System structure diagram

1.1 超聲波傳感器及測距原理

超聲波傳感器是將一種形式的能轉換成其他頻率相同的超聲能，或者把超聲能轉換成其他同等頻率形式的能所需要的器件，而這個器件就叫做超聲傳感器。現在市面上出現的超聲能傳感器主要分為兩種，一種是電聲型，另一種是流體動力型。本文采用的是壓電傳感器，它屬于電聲型的一種。壓電式超聲波的工作原理是：利用壓電晶體的諧振來達到效果的，它是由兩個壓電晶片和一個共振板組成的，給它的兩極外加上脈沖信號，當外加頻率等于壓電晶片的原始振蕩頻率時，發生共振，并且帶動共振板振動，這樣就產生了超聲波。與之相反的，兩個電極間沒有外加電壓，但共振板卻接收到了超聲波，并且帶動壓電晶片一起振動，這就是將機械能轉化成了電信號，此時，壓電傳感器就變了超聲波傳感器[1]。

超聲波測距是利用脈沖來回所用的時間來計算的，設脈沖由傳感器到障礙物所用的時間是t，聲音在空氣中所傳播的速度是c，那么從傳感器到障礙物的距離D就可以用公式D=ct/2來求出[2]。

1.2 驅動顯示電路

電路采用1602LCD液晶顯示屏來顯示各種檢測到的數據，當超過設置的距離時，蜂鳴器就進行報警提醒，當距離達到所設置的范圍的時候，蜂鳴器關閉。

1602LCD液晶顯示屏是一種工業的字符型液晶顯示器，而1602的意思是16*2，就是說顯示的是兩行，每行是16個字符。1602液晶內部的字符發生存儲器本來就已經有160個不同的點陣字符圖形，這些字符都包括了阿拉伯數字、經常用到的各種字符、日文和英文字母的大小寫等等，而每一個字符都代表了一個固定的代碼，例如，英文的大寫字母“A”，它的代碼是 01000001B（41H），在顯示的時候模塊會把地址中的41H中的點矩陣圖形顯示出來，顯示屏上就會顯示出字母“A”。

1.3 蜂鳴器報警電路

蜂鳴器是一種采用直流電壓供電的一體化電子訊響器，市面上的蜂鳴器主要有壓電式和電磁式兩種。通過比較，本課題采用的是電磁式，當距離超過預設的值時，蜂鳴器就開始工作，發生警報聲效。它的原理就是，當電流通過電磁圈的時候，電磁圈的線圈產生相應的磁場，使其振動膜發出聲響，所以，它需要有一定的電流流過才行，但是單片機的IO引腳輸出的電流比較小，不足以驅動蜂鳴器，而單片機的TTL電平也不行，因此，想要驅動電路，就必須額外再增加一個電流放大的電路，本課題采用的是經過一個PNP型的三極管9012來放大驅動，原理圖如圖2所示。

圖2 蜂鳴器驅動電路圖Fig.2 Circuit diagram of buzzer drive

1.4 溫度檢測電路

超聲波屬于聲波的一種，屬于聲波就會不可避免地受到溫度的影響，因此，為了得到比較精準的測量結果，我們在整個電路中安裝了一個數字溫度傳感器DS18B20，檢測外界溫度，然后找到與之對應的聲速，用這個速度去計算兩者之間的距離，就可以把試驗誤差降低到最小，得到比較精準的距離。數字溫度傳感器DS18B20電路圖如3所示。

圖3 數字溫度傳感器DS18B20電路圖Fig.3 Circuit diagram of digital temperature sensor DS18B20

溫度傳感器的DQ腳和單片機的P1.4管腳相連，可以顯示當時的外界溫度。并且傳送回單片機中，通過固化在程序中的溫度速度表，找到最接近的溫度速度值，代入計算公式，得到相對精確的距離，提高測量結果的精度。

1.5 控制模塊

本次設計我們所采用的是STC89C52單片機，是一種帶8 k字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能COMOS8的微處理器，該器件有40引腳，速度較快，價格便宜，燒錄方便，通過串口即可下載，還可以實現在線編程，采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容[3]。具有強大功能的STC89C52單片機，適合用于大多數較為復雜的控制應用場合[4]。它的外形封裝主要有雙列直插式40腳封裝（DIP）和方形 44腳封裝（PLCC）兩種，本文采用的是直插式。

1.6 單片機的復位電路

當電路出現問題的時候可以通過復位電路來使電路達到初始值，重新開始計時，它是確保電路正常運作的必要條件，基本功能是當系統通電時，復位電路工作，電源穩定以后，復位電路停止工作。通常等電源穩定后，經過一段時間再使復位電路停止工作，這是為了避免電源分開閉合的過程中，電路的電壓不穩造成抖動，進而影響復位。電路圖如圖4所示。

1.7 晶振電路

圖4 復位電路Fig.4 Circuit diagram of reset circuit

在單片機中晶振電路同樣是必不可少的，它能保證系統的正常運行，當振蕩器不起振的話，系統就不會工作。如果振蕩器不能正常運行的話，系統在執行的時候就會不可避免的出現時間上的誤差，這個沒辦法避免，尤其是在通訊中體現的比較明顯，電路無法通信。

晶振電路由兩部分組成，晶振和兩個瓷片電容，它們是沒有正負之分的，但是兩個瓷片的電容相連的那一端一定要接地，如圖5所示。

圖5 晶振電路Fig.5 Circuit diagram of crystal oscillator circuit

此晶振電路工作是在并聯諧振狀態的，可以解釋為諧振電容的一個組成部分。選值是根據晶振的要求負載電容確定的，這樣可以最大期限的降低頻率的誤差，同時還能減少溫度誤差。整個系統的電路圖，如圖6所示。

2 系統程序設計

整個系統的流程主要分為主流程和子流程兩個部分，主流程是整個電路程序的工作流程，顯示器顯示當初始的檢測值，并檢測異常情況，子流程分為兩個部分，報警和顯示程序，顯示數據子程序的主要功能就是把超聲波模塊測量后的結果經單片機處理完畢的距離顯示在LCD液晶顯示屏上。報警子程序的主要功能是在距離值超過預警值時，能夠使蜂鳴器發聲從而達到報警的目的。

2.1 主流程

主程序是控制整個電路程序的工作的程序，開機后系統檢測到障礙物存在，然后讀出它的距離值，進行數據處理，在沒有障礙物的存在時，顯示器上的距離值就會非常大，但不影響系統的正常工作，主程序流程如圖7所示。

圖6 系統電路圖Fig.6 Circuit diagram of system

圖7 主流程Fig.7 Main flow chart

2.2 子程序

子程序流程如圖8所示，分為顯示數據和報警程序兩個程序，顯示數據子程序的主要功能就是把超聲波模塊測量后的結果經單片機處理完畢的距離顯示在LCD液晶顯示屏上。報警子程序的主要功能是在距離值超過預警值時，能夠使蜂鳴器發聲從而達到報警的目的。

3 實物測試

整個實物由顯示器、超聲波傳感器、光感傳感器、LED指示燈、按鍵、單片機、蜂鳴報警器等幾部分組成。對整個系統的不同情況進行測試，檢測每一個模塊是否正常工作，能否起到保護視力的效果，可分為以下幾種情況進行實驗測試：

圖8 子流程圖Fig.8 Sub flow chart

（1）當距離和時間都正常的情況下，改變光線的強度，調節光線，使其達到正常值，此時警報器不報警，然后調節光線的強度，先讓光線過弱，報警器報警，再讓光線過強，報警器也報警，工作正常。

（2）控制距離和光線，使其達到正常值，在設置的時間內，警報器不報警，工作電路正常工作，在達到學習時間之后，報警器報警，提醒學習者休息。

（3）調節光線和時間的值，使其在正常的范圍內，讓學習者在適當的距離內學習，這時報警器不報警，讓學習者靠近讀物，使他們之間的距離小于設定的距離，這時報警器報警。

（4）電路正常工作的情況下，控制距離不變，同時改變時間和光線，使它們的都不在正常工作的范圍內，這時報警器報警。

（5）電路在光線正常的范圍內，同時改變距離和時間，使其不在正常范圍內，這時報警器報警。

（6）同樣，控制時間因素不變，使其在正常的范圍內，改變光線和距離，使其偏離正常范圍，報警器報警。

（7）在正常的情況下，報警器不報警，現控制光線，時間，距離，使它們三者都偏離正常的數據，這時報警器報警。

4 結語

本文設計的超聲波視力保護儀通過STC89C51單片機寫入程序，再與相結合各個硬件串聯起來，軟硬結合，組成的一個多功能的超聲波視力保護儀，可以多方面的綜合性保護學習者的眼睛，經過實驗測試發現，該設計可以完美地運行設定的程序，達到預期的效果。這個系統應用簡單，系統穩定性高，使用靈活，可以根據自己的習慣和喜好來調節數據，達到適合自己的模式，同樣一個產品，可以適應不同的人使用，方便快捷，易于操作，通過超聲波來控制學習者與讀物之間的距離，矯正學習者的不良坐姿與習慣，能更好地為學習者服務。