基于STM32 單片機的智能視力保護系統設計

周 健，徐興潔，周厚明

（貴州醫科大學 生物與工程學院，貴陽 550000）

新冠病毒感染疫情下，各地區學生在家“上網課”已成主流。大范圍的“云端”教學，對兒童青少年近視防控工作提出極大的挑戰?！毒C合防控兒童青少年近視實施方案》中提出了階段性的防控工作對象，分別針對家庭、學校和學生等不同的主體實施近視的防控舉措?；诖朔揽爻晒鸵咔橛醚蹘淼娜绿魬?，《兒童青少年近視防控光明行動工作方案（2021—2025 年）》發布，促進兒童和青少年視覺健康預防和控制，足以說明國家對于兒童和青少年的高度重視。2022 年“兩會”上，視覺健康的話題更是被反復提及，全民視覺健康已上升為國家戰略關注的高度，全方位、全流程、全周期地做好眼病防治工作具有十分重要的意義[1]。

在此情況下，急需設計一種可以對視力進行全方位保護的體系，以科學有效的方式使兒童和青少年學習環境得到最大限度的提升。本實用新型保護系統對學習環境進行實時探測，在準時提醒使用者戶外運動及適時休息的情況下，對視力狀況進行實時監控。最終在可以幫助兒童青少年在保護視力、維護身體健康的前提下，高效地學習，做到勞逸結合[2]。

1 系統總體方案設計

該系統針對全國范圍內每天都要閱讀和書寫的兒童及青少年，采用嵌入式技術、通信技術，設計了一套集提醒與監控功能于一體的視力保護方式，為兒童及青少年提供視力預防及保護。根據智能視力保護系統實現的特定功能及應用場景，構建該系統硬件平臺時需考慮如下幾個方面：硬件總體占用空間盡量小，功耗較低，運行穩定，操作方便。與傳統保護視力產品相比功能更豐富，使用體驗感更強。

該系統以STM32 單片機為核心控制單元，設計多功能視力保護器，利用光敏電阻獲取光線信號，利用超聲波傳感器獲取人眼與書本之間的距離，同時該系統的內部時鐘能夠自動計時并最終在TFT LCD 中實時地顯示光強、距離、時間和日期，如圖1 所示。在其中任一參數未達到設定值的情況下，系統會自動進行未達到項目的語音提示或蜂鳴報警。例如，按標準把用眼距離的設定值設定在33 cm 以上，在檢測到用眼距離小于33 cm的情況下，系統會發出“你學得太近了，請把它調正，然后接著學”的語音提示。如果用戶在5 min 之內未進行相應調整，則蜂鳴器發出蜂鳴聲，再一次提示用戶。按照標準配置用眼時長為180 min，其中45 min 內進行中間休息效果最好，每45 min 就會有語音提醒使用者注意休息或進行戶外運動。用眼環境光強值在200~400 lux范圍內最好，大于閾值時進行語音提示[3]。

圖1 系統總體設計框圖

2 系統硬件設計

2.1 STM32F407ZGT6 主控模塊

根據用戶和實際需要，在易用性，I/O 接口個數，系統功耗和主頻方面綜合考慮后最終選用ST 公司生產的STM32F407ZGT6 為主控芯片。該芯片采用ARM Cortex M4 內核，1 024 KB FLASH，主頻高達168 MHz。擁有3 個12 位的模數轉換器（ADC），2 個12 位數模轉換器（DAC），2 個16 路直接存?。―MA）控制器，17個定時器，1 個內存卡接口（SDIO），3 個集成電路總線（IIC），6 個串口，1 個帶日歷功能的時鐘源（RTC），1 個靜態存儲器控制器（FSMC）接口等。通過對相關信息的調閱，本芯片可以高效率地完成本設計中所有的功能。

2.2 超聲波測距模塊

社會在不斷發展，人們的需求在不斷變化，超聲波作為非接觸檢測技術在設計上更加精密，在應用上更加廣泛，其不會受到光線、被測物體色彩等因素的干擾。并且測量非常準確，極其便利，簡便易行，運行穩定，傳輸速度高。所述超聲波傳感器包括用于發射超聲波的發射器，用于探測物體物理物體反射波的接收器，控制電路及電源電路。本設計中使用的HC-SR04 超聲波測距模塊能夠提供2~400 cm 非接觸式距離感測，測距精度能夠達到3 mm 以上?；竟ぷ髟淼热缦隆?/p>

1）利用I/O 口Trig 觸發測距并為測距提供至少10 us 高電平信號。

2）該模塊對8 個40 kHz 方波進行自動發射并自動檢測有無信號返回。

3）有信號返回時，本模塊信號接收引腳（Echo）的I/O 口處于高電平，而STM32 內定時器則開始計時，高電平的持續時間即超聲波由發射至返回。試驗距離=（高電平時間×聲速（340 m/s））/2；為提高測量精度，在θ不容忽視的情況下，如圖2 所示。

圖2 超聲波測距原理

綜合考慮，選擇HC-SR04 為該系統測距模塊，其既具有較高性價比又能夠最大限度滿足系統設計需要。

2.3 光敏模塊

該系統采用光敏二極管（光敏電阻）作為光敏傳感器，對光的變化非常敏感，其功能類似于檢測開關。在沒有光照的情況下，會出現一個小飽和反向漏電流或暗電流，這時光敏二極管就會截止。在光照條件下，飽和反向漏電流顯著增大并形成了光電流，光電流隨著入射光的強度發生變化。當光照射到傳感器上形成空間電荷區（PN 結），能在PN 結內形成電子-空穴對，從而提高了少量載流子密度。這些載流子受到反向電壓的作用會發生漂移從而導致反向電流的增大。因此，光照強弱可用于改變電路電流。利用這種電流變化，串上電阻便可換算成電壓變化來由ADC 讀出電壓值來判斷外界光線強度，然后將其轉換并比對設置的標準閾值，大于閾值則觸發語音提醒[4]。

2.4 智能語音提示及報警模塊

模塊主要包括智能語音提示和蜂鳴報警2 個部分。語音提示模塊使用ES8388 芯片進行設計，主要包括高性能低功耗高性價比音頻編解碼器、麥克風放大器、耳機放大器、數字音效及模擬混合與增益功能等。ES8388 控制采用I2S 接口與微控制單元（MCU）傳輸音頻數據，并采用兩、三線接口方式配置。本實用新型系統可以對事先產生的WAV 語音提示文件進行有效解析，并在單片機控制下及時提示使用者應該休息或移動。

另外，蜂鳴器為電子訊響器一體化結構，由直流電壓提供電源，在計算機、打印機、復印機、報警器和電子玩具等設備中應用十分廣泛；并在汽車電子設備、電話機、定時器及其他電子產品中作為發聲器件使用。本設計使用了有源蜂鳴器，當語音提示5 min中未進行相應調節時，用戶會發出蜂鳴聲，再次提醒用戶進行調節。

2.5 TFT LCD 顯示及調節模塊

近年來，TFT LCD 在嵌入式系統上的應用日益廣泛。本次設計所使用的電容式TFT LCD，其功能完善、觸感良好、不需要校準、透光性強，支持多點觸摸，人機交互體驗感非常強。為了節省開發成本，2.8 英寸（1 英寸等于2.54 cm）TFTLCD 模塊完全可以滿足系統設計要求，支持65 K 色顯示、320×240 顯示分辨率、16 位8080 并口接口，自帶觸摸功能。用戶在選擇學習模式后可在屏幕上實時顯示超聲波測距的真實數值、真實使用時長、真實光照強度及相應閾值和當前日期等信息。同時，在該系統中設置了3 個單獨的按鍵來調整，其中1 個為復位鍵，1 個為加運算鍵和1 個為減運算鍵。用戶在45 min 內可按需自由設定學習時長。另外，若用戶所選模式為視力檢測模式，則在屏幕上顯示視力表標準圖標進行檢測，并在檢測結束時將檢測結果顯示出來。模塊連接如圖3 所示。

圖3 顯示模塊硬件連接

2.6 外圍電路模塊

該設計外圍電路設計主要有接口連接電路、觸發電路和同步電路。接通電源后系統即在通電狀態下工作，亦能正常工作，并在低電壓時工作。另外，出于對環保的考慮，沒有選擇電池供電而是選擇了5 V 電源，并且利用常見的安卓系統數據線就可以為系統提供電源。

3 系統軟件設計

本設計調試所用STM32F407ZGT6 單片機系統，程序設計的基本任務是對操作系統單片機內部硬件資源進行合理利用，對其有關應用程序進行了編程，通過與邏輯運算相結合，對內部單片機內部I/O 及硬件資源進行了重新調配。編程中具體的設計思路為：首先將單片機主要應用程序設計定下來；其次，針對各軟、硬件及電路模塊基本功能與要求分別設計軟、硬件及子程序；最后，各部分軟、硬件及子程序被直接植入主應用程序。系統應用程序設計與編寫及單片機軟件設計都是用簡單C 語言來完成的，C 語言應用程序設計中可以用簡化編程的方法使之快速、最大限度地為人了解并得到使用者的認可，運行起來也能快速上手。主程序工作流程如圖4 所示。

圖4 系統軟件工作流程

3.1 光照檢測子程序設計

該系統利用ADC 模數轉換器將光敏電阻傳感器從光線環境中反饋的電阻值、對應生成的電壓值變換為數字信號輸出給單片機STM32，最后通過預置光照檢測標準值針對工作狀態光線環境進行判斷，如果未滿足預設范圍值，系統發出報警提示[5]。

3.2 超聲波測距子程序

系統初始化超聲波測距模塊，通過STM32 承擔與超聲波傳感器端口相連，并將2 個指定頻率信號輸出到超聲波傳感器“控制端”界面，程序將單片機設置的超聲波定時器信號送給單片機開始工作，使其從此自動計時單片機及超聲波傳感器由要求發出至回來的時刻及頻率。經檢測獲得單片機及超聲波傳感器由請求并返回定時信號，單片機及超聲波傳感器控制“接收端”界面檢測到輸出低電平后，由單片機開始立即外部中斷請求相應定時模式，而負責此聲波測距模塊自動計數的超聲波定時器自動計數系統運行至此完成。所需的超聲波距離值，則由負責定時器進行自動計算，并顯示于畫面。當聲波距離傳感器檢測值低于自動計數程序設定值時，系統發出報警信號進行提示[6]。

3.3 定時子程序設計

對模塊進行編程，使定時器計時到達45 min 時進行報警提示。先初始化定時器，當定時器處于閑置狀態時，使定時器開啟定時功能，若這個定時器被打斷，在其執行對應數量的打斷后到達1 s，然后以秒變量增加至60 s，即1 min，這時分鐘亦逐次向上增加，直至45 min，即至程序設定值時電路報警。

3.4 視力檢測子程序設計

本設計使用了國家標準視力表進行檢測，在進入視力檢測模式時通過對圖標“E”開口方向進行判斷以反映視力狀況，TFT LCD 顯示屏隨機產生視力表中的4 個不同開口方向的圖標“E”，屏幕右下方顯示上下左右4 個按鈕，當使用者判斷出清晰可見的字母開口方向時，單擊對應的屏幕按鈕。然后，單片機把得到的鍵值和程序內視力表數組比較，如果用戶回答正確，則自動產生下一圖標進行比較，如果用戶誤判，程序自動對標志位進行記錄1 次，首次出現相同行次答錯數超過3 次時，回到前一行次繼續進行檢測，若下一行次再次出現判斷錯誤數超過3 次，系統將該行次視力值記錄并顯示于屏幕。

3.5 中斷子程序設計

單片機本能的運行狀態是中斷，中斷是在整個程序運行過程中，忽然碰到某一個程序有棘手問題要解決，正在執行任務的項目將馬上中止任務，首先去處理突發狀況項目，處理完畢后回到暫停執行的項目繼續執行。其中既有內部中斷，也有外部中斷。STM32 中斷源產生中斷信號，提交給向量中斷器（NVIC），經過判斷處理后將指令傳遞給CPU 執行。

4 系統仿真與調試

系統軟件與硬件全部設計完畢之后以Keil uVision5 為編程環境對編寫的程序文件進行HEX 格式的轉換，然后在單片機上進行燒錄，采用STLINK 仿真器對各模塊進行了仿真研究，對系統的運行效率和穩定性進行了觀測，并對各模塊做了優化和調整，最終觀測到了系統的總體運行狀態，從而實現了視力保護，實現視力檢測等各項指標的監測。

5 系統測試

為了驗證系統的功能實現，對系統進行實際測試并在上電后輸入系統初始界面單擊選擇學習方式，學習時間定為10 min，用眼距離定為33 cm，光線范圍定為200~400 lux。試驗結束時，系統發現對應模塊數值超出范圍時均有智能語音提醒，未做調整時間超過5 min 時系統會自動蜂鳴報警。點選視力檢測模式，當用眼距離、光照不在正常值范圍內時，語音提示測試環境不佳。經調整后，正常進入視力檢測，屏幕上的測試圖標顯示的大小及順序均正常，最終測得的左右眼視力檢測值分別為左眼5.1、右眼5.3。

6 結論

本研究通過分析現有兒童青少年視力狀況以及視力障礙產生的共同原因，從硬件與軟件兩方面進行設計。本系統不但可以實現學習環境、用眼距離和學習時間等信息的實時監控，并且實時校正無意識發生的不良用眼習慣，而且還可以實現沒有專業人員時使用者可以獨立檢測其視力變化，并做出及時調整，功能非常豐富，且STM32 系統工作穩定，可以幫助兒童和青少年更好地保護視力，顯著降低近視率和視力障礙率，有較大的推廣應用價值。缺點是各模塊聯合檢測精度有待提高，同時希望該系統能夠實現與用戶監護人的聯合使用，有望實現視力檢測數據的實時傳輸，同時做到讓監護人及青少年兒童共同保護視力。