多功能眼部保護儀的研究與設計

郭林海 湯莉莉

摘? 要：本設計主要研究通過溫度傳感器收集外界環境中的溫度，并通過升溫模塊，加濕模塊和震動式按摩模塊做出相應的漸變式處理。研究的內容主要包括對于外界環境中的溫度信號采集和分析處理、震動、加溫、加濕模塊循環調動、STC89C2單片機的編程、繼電器的控制等。在系統硬件的設計上是采用了模塊化的設計，先對各個模塊進行單獨的測試，然后將其組裝一起來進行調試;在系統軟件設計上主要是采用了自下而上的一種模塊化編程技術，LCD液晶可以實時地顯示當前的天氣、時刻和溫度等相關數據，最終能夠實現智能多功能眼部保護儀的工作過程中所有相關數據的控制，并且實時地顯示溫度等數據。

關鍵詞：溫度傳感器? 震動按摩? 漸變式處理? 眼部保護

中圖分類號：TN923;TP399? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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

通常是一個被我們用來檢測光，并把所檢測得到的光直接轉換為存在于大腦里的神經元的一種機械器官，被認為是現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，據統計研究，現在每10個人中就有7個佩戴眼鏡，近視、老視眼、視力下降已經成為眼部的重要問題。為了緩解用眼過度的問題，眼部保護儀誕生了。普通的護眼儀只有按摩功能，在給眼睛按摩的同時用戶難免會產生干澀等不適感。而智能多功能眼部保護儀的設計在兼顧按摩功能的同時還新增了加溫噴霧功能，它能夠有效地緩解用戶在按摩時產生的酸澀感，同時加熱噴霧還能對眼部的穴位產生熱敷的功效，可以有效地緩解用眼過度等問題[1-2]。本設計中所實現的溫度控制就是當一個人帶上多功能智慧護眼儀的時候，溫度傳感器就會自動監視和檢測外部溫度，如果外部溫度太低，加熱模塊就可能會進行加熱，在0～4s時通過加熱電路自動檢測得到一個低電平的溫度信號，使得繼電器被吸合，加熱模塊和噴霧模塊同時啟動對眼部穴位進行加熱保濕處理，4～13s時繼電器斷開，加熱和噴霧模塊停止工作，時鐘電路輸出低電平信號，震動傳感器檢測到低電平信號后開始工作[3]。13s時，時鐘電路輸出高電平信號，復位電路開始工作，使整個電路復位重新從0s時開始工作。LCD1602液晶顯示屏能夠實現當前的工作時刻及其溫度等的顯示。

1? 總體設計方案

本自動控制系統主要由驅動硬件和控制軟件兩大組成部分綜合組成，由液壓震動控制模擬器和按摩自動控制系統模塊、噴霧自動控制系統模塊、單片式電機系統控制模塊、加熱自動控制系統模塊、按鍵自動控制系統模塊、溫度傳感器自動控制系統模塊、LCD液晶顯示模塊7個較小的控制模塊組合而成[4]。整體方案的設計框圖，如圖1所示。

1.1 震動模擬按摩模塊

本模塊采用直流電機震動馬達，震動效果明顯，mos放大驅動，可以通過Ard的數字口進行控制，亦可通過PWM控制馬達的震動強度[5]，通過此模塊可方便的完成電信號到機械震動感的轉換。

本控制模塊主要采用了直流直供電機械的震動馬達，震動時感應效果明顯，MOS放大器驅動，可以由控制Ard的一個控制數字口對其馬達進行震動控制，亦或者可以由控制PWM來直接控制馬達震動時的感應強度[5]，通過這個控制模塊能夠方便地直接完成從直流電信號進入輸出傳送到振動機械上的震動馬達傳感器的信號轉換，工作電壓在3.0～5.3V，其特點是易操作、靈敏度高、安全系數高且兼容性強。

1.2 加熱控制模塊

外界環境的溫度由DS18B20溫度傳感器進行接受，當其到達需要加熱的溫度時DS18B20溫度傳感器就會向傳感器輸出低電平信號，接收到低電平信號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來模擬噴霧效果，當接收到加熱控制模塊輸出的高電平信號時，噴霧控制模塊開始工作。噴霧控制模塊的總體設計，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復位控制電路，時鐘控制電路和STC89C2單片機3個部分共同組成，復位時鐘電路的主要作用是當作為控制整個時鐘電路的一個控制開關工作狀態。時鐘電路的主要工作是控制加熱電路，噴霧電路和震動模擬電路的工作順序，時鐘電路主要由HC-49S晶振控制，其特點是價格低廉、頻率范圍寬、老化率好，能夠很好地控制整個電路13s一次完成工作循環[7-8]。

2? 軟件系統

2.1 溫度傳感器程序流程圖

程序開始時，先對DS18B20溫度傳感器進行初始化。通過拉低單線產生復位脈沖信號，然后釋放該線，如果有應答脈沖，即發起ROM命令。當成功地執行操作后，就使用內存操作，即溫度轉換等，當轉換完后，又重新開始初始化DS18B20溫度傳感器，然后檢測是否有應答脈沖，若有就發起讀時隙命令，同時讀出第1，2個字節，即為溫度的數據。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，LCD1602初始化，LCD1602采取數字漢字不同的顯示方法，用LCD顯示一個字符時比較復雜，因為一個字符由6×8或8×8點陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個位置對應的顯示RAM區的8字節，還要使每字節的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點亮，為“0”的不亮。這樣一來就組成某個字符。但由于內帶字符發生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數找出顯示RAM對應的地址，設立光標，在此送上該字符。

漢字的自動顯示一般采用圖形方式，事先從微機中提取要顯示的漢字的點陣碼（一般用字模提取軟件），每個漢字占32B，分左右兩半，各占16B，左邊為1、3、5……右邊為2、4、6……根據在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數可找出顯示RAM對應的地址，設立光標，送上要顯示的漢字的第一字節，光標位置加1，送第二個字節，換行按列對齊，送第三個字節……直到32B顯示完就可以LCD上得到一個完整漢字，LCD屏幕顯示程序流程，如圖6所示。

3? 方案難點及關鍵技術

3.1 方案難點

（1）溫度傳感器對于采集外界溫度的信號比較微弱且及其不穩定，存在著許多不確定的因素;這對于傳感器的采集和信號處理電路的可靠性和穩定性提出了新的技術要求。（2）根據工作環境中的時間和空氣溫度不同，存在著溫度傳感器的檢測距離及其靈敏度的設定、測量和分析等技術上的困難。（3）在系統設計中采用了程序控制等方式，以實現對智能多功能眼部保護儀進行自動化控制，由于系統中的硬件電路設計對元器件的各種性能參數有較高要求，這就導致在系統中的電路設計、組裝和調試等工作上的難度增大。

3.2 關鍵技術

（1）通過一個時鐘控制電路來嚴格地控制多種模塊的工作順序和時間。（2）溫度傳感器信號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）在一個軟件設計中，多個中斷的同時運行且相互之間并沒有任何影響。

4? 系統的測試結果分析

（1）能夠較為靈敏地實現從加熱模塊到噴霧模塊再次震動等各個模塊的轉換與運行。（2）通過與普通護眼儀進行對比，多功能護眼儀具有明顯的按摩作用。（3）通過與普通護眼儀進行對比，多功能護眼儀的加熱噴霧式加濕功能在護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現當前時間、溫度等數據信息的實時顯示。

5? 結語

通過實物調試，測得0～4s內運行加熱和噴霧加濕功能，4～13s內運行震動按摩功能，用戶可以根據自己的實際情況進行加熱溫度與各功能的運行時間。該多功能護眼儀可適用于各年齡段的人群適用范圍廣且操作簡便。本款多功能眼部保護儀的成功研制不僅為人們提供了方便的生活，而且還達到了智能控制及護眼的目標，它可以被廣泛地應用在學習、生活和日常工作之中，并且具備一定的應用價值和良好的市場前景。

參考文獻

[1] 董曉博，張光旭.保護兒童視力從眼部按摩開始[J]. 中華家教月刊，2019（6）：24.

[2] Siyu， Zou， Jinping， et al. How eyelashes can protect the eye through inhibiting ocular water evaporation： a chemical engineering perspective.[J].Journal of the Royal Society， Interface，2019， 16（159）：20190425.

[3] Dda B ， Rd B .Addressing the corona virus pandemic： will a novel filtered eye mask help？ - ScienceDirect[J].International Journal of Infectious Diseases， 2020（95）：340-344.

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[5] 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].5版.北京：高等教育出版社，2015.

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[7] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程——入門、提高、開發、拓展全攻略[M].北京：電子工業出版社，2018.

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