智能語音在視力保護器中的應用研究

安徽省蚌埠學院電子與電氣工程學院 郭從敏 辛 明 張 歡

目前，青少年視力低下，已成為國內外共同關心的公共衛生問題。而長期使用不正確的讀書寫字姿勢是導致近視的最大因素，還會有脊椎彎曲變形、駝背、斜視以及頸椎病等。為此，我們設計了一款基于單片機的智能語音視力保護器進行防范，從而糾正人們讀寫的不良姿勢、習慣等。視力保護器以單片機作為控制核心，應用光敏傳感模塊、語音播報模塊和其他功能模塊構建一個多功能視力保護裝置，還根據環境設置了靜音與非靜音模式。該裝置可檢測光線的亮暗、眼睛與書本的距離，光線和距離的過暗和過近會語音播報和LED燈報警提醒用戶調整，通過多方面的監測提示來給用戶提供良好的閱讀寫字體驗。

1 研究背景

我國是世界上近視發病率最高的國家之一，近視眼人數世界第一。據統計，由于近視導致的眼盲，已僅次于白內障、青光眼居第三位，近視已被列為三大疾病之一。在日常生活中，中國學生視力低下的狀況令人擔憂。寫字看書姿勢不正確和看書寫作業的時間太長是導致近視的主要原因，所以設計一款人性化的視力保護器意義重大。我們查閱了許多相關資料和文獻，國內市場上真正的多功能視力保護器其實并不是很多，大多數產品都只是側重某一個方面來進行視力保護，功能單一并不能從多個方面去保護視力。

于是，綜合各個單一的視力保護器的功能，在已有的基礎功能上，加入我們的特色點，使得最終的成品是一個功能更加齊全的，滿足大多數人需求的視力保護器就成了我們所研究的課題。

2 設計思路及創新點

我們通過距離傳感模塊、光敏傳感模塊、語音播報模塊和其他功能模塊構建一個多功能視力保護裝置，該裝置可檢測光線的亮暗、眼睛與書本的距離等。如果光線太亮或距離太近，會語音播報和LED報警提醒用戶調整。該裝置通過對外界各種數據的分析，可以判斷使用者所處環境信息，并給予適當的語音播報或燈光等提示信息。該裝置的定時功能可以判斷使用者是否應該休息并在休息時間播報眼保健操。另外，該裝置可以選擇不同的模式（靜音和非靜音）以適應用戶的不同需要。

整體思路如圖1所示。

本項目的創新性在于能夠在不同環境下可設置成不同的模式，包括靜音模式和非靜音模式，其中靜音模式是通過LED、12864顯示屏形式，非靜音模式是通過語音播報形式，最大程度的滿足了使用者對環境的需求，有效的避免了實用范圍小的弊端；并且能夠很好地結合用戶所處的環境。同時，本項目的定時電路在通過用戶設定后，經過一定時間的學習后進入休息時間，可以在休息時間播報眼保健操緩解眼睛疲勞，減緩長時間學習帶來的疲勞，充分體現了這些模塊的優勢，為人們可以更好的保護視力提供方便。

圖1 系統整體設計圖

本項目的科學性在于我們利用已有的技術和知識進行創新組合，理論上是可以實現目標的。我們就可行性進行分析：首先，現在的單片機系統原理以及各種芯片和傳感器已經很成熟了，因此可以直接借鑒利用；然后，就是各器件的組合連接、利用HC-SR04超聲波測距、液晶顯示LCD1602等、相關電路板的構建和連接、功能模塊軟件程序的代碼編寫和調試，這些我們可以通過學習進行實踐，本項目在理論上是完全可行的。

3 單元模塊介紹

3.1 測距模塊

超聲波測距的原理:先由超聲波發射裝置發出一段超聲波，然后根據接收器接到超聲波時的時間差，計算出兩點的距離。具體步驟為：超聲波發射裝置向某一方向發射出一段超聲波，在發射那一刻的同時開始計時，超聲波在空氣介質中傳播，途中一旦碰到障礙物就會立刻返回，超聲波接收裝置接收到反射波的那一刻就立即停止計時，以此測距。

本次仿真的超聲波測距電路，在考慮精度與各方面因素下我們選用了由一個HC-SR04的超聲波測距模塊來完成的。HC-SR04的超聲波測距模塊能夠提供2cm-400cm的非接觸式距離的感測功能，而且測距的精度高，可以高達3mm；并且，HC-SR04還具有性能穩定、盲區小的特點。此模塊還包括超聲波的發射器、超聲波的接收器與控制電路。該模塊一共具有四個引腳，引腳VCC接的是5v電源，引腳GND接地，引腳Trig口來輸出能夠觸發控制的信號，引腳Echo口能夠輸入回響信號。如圖2所示。

圖2 HC-SR04超聲波測距模塊實物圖

初始化時將trig和echo端口都置低，首先給trig發送至少10us的高電平脈沖（模塊自動向外發送8個40K的方波），然后等待，捕捉echo端輸出上升沿，捕捉到上升沿的同時，打開定時器開始計時，再次等待捕捉echo的下降沿，當捕捉到下降沿，讀出計時器的時間，這就是超聲波在空氣中運行的時間，按照測試距離=（高電平時間×聲速（340m/s））/2就可以算出超聲波到障礙物的距離。

圖3 光敏控制電路

3.2 光檢測模塊

在用戶處于不適于工作學習的光照強度情況下，該產品中的光強檢測模塊將檢測出這一點，并發出適宜的警報聲，從而提醒使用者以達到保護視力的目的。

圖3是光敏控制電路的原理圖，其利用了光敏電阻隨著外界光照強度的變化而自身阻值改變，并且光強和阻值呈負相關。我們先設置一個正常光強時光敏電阻的阻值為基準值，當外界光強增強，光敏電阻阻值變小，此時電壓比較器的輸出端輸出一個高電平。再經過一個A/D轉換器將模擬信號轉換成數字信號，再經過一個反相器將得到的低電平的數字信號傳送給單片機。同理，當外界環境光強較低，不適宜工作和學習時，該模塊將高電平傳輸給單片機，使單片機發出適宜的警報聲。

圖4 電壓比較器LM393引腳圖

圖5 LED報警電路

圖4是電壓比較器LM393的引腳圖，LM393是一個雙電壓比較器。具體情況：（1）它工作溫度范圍在0℃-70℃，可以在較高溫度下工作；（2）它工作的電壓范圍寬，且單電源、雙電源均可用，單電源時工作電壓在2V-36V；雙電源時工作電壓在±1V-±18V；（3）它消耗的電流小，ICC= 0.4mA；（4）輸入失調電壓小：VIO=±2mV；（5）共模輸入電壓寬：VIC= 0～Vcc-1.5V；（6）兼容性好，與TTL、DTL、MOS、CMOS等均可兼容，所以選用該電壓比較器。

3.3 語音播報模塊

當用戶的面部離書本的距離小于30cm時，或者用戶所處的環境不適合讀書時，對應的單片機I/O口會被賦值低電平，即可點亮LED燈。如圖5所示。

圖6 蜂鳴器報警電路

本系統采用5V的有源蜂鳴器進行聲音報警，當整個系統處于靜音模式下，該模塊不發生作用，當P2～3引腳為低電平，三極管Q1導通，三極管內阻較小，蜂鳴器兩端壓差較大，蜂鳴器發聲。如圖6所示。

11JQ6500是一個提供串口的MP3芯片；同時，軟件支持TF卡驅動、支持電腦直接更新spi flash的內容。有30級音量可以調，通過單片機發出簡單的串口指令即可完成播放指定的音樂，使用方便；同時，穩定可靠是此款產品的最大特點。

圖7 語音播報模塊電路圖

圖7是語音播報模塊電路圖。語音播報模塊是通過采用JQ6500-16P模塊構成的，將模塊通過USB線與電腦相連，我們需要播報的音頻直接通過上位機導入模塊當中，該芯片的K1到第K4是接入按鍵控制，SGND和GND是電源地管腳，BUSY管腳的高低電平代表當前有無音頻輸出，SPK+和SPK-接8Ω、1W的喇叭的正負極，DC-5V接的是電源，RX和TX接UART串行數據輸入輸出,由于采用的單片機電源是5V，所以接模塊的RX引腳需要接入1K的電阻，將模塊電路圖接好。