多功能超声波视力保护系统设计

李书婷

（商洛学院 电子信息与电气工程学院，商洛 726000）

我国在1992年专门成立了近视眼专家小组，各种预防近视眼的产品层出不穷，从简单到复杂、由单一到多元、科技也经历了一个由低到高的历程。在此期间，科学家们经过反复的调研开发，做出了多达几百种产品，并推向了市场，让无数近视眼患者看到了黎明的曙光。

在我国出现过很多种类的视力保护仪，比如国内新疆乌鲁木齐市旭之龙科技有限公司生产的“学生1.5视力保护器”又称为“坐视宝”，它主要是对不良坐姿进行提示的一款产品。还有深圳市华恒电子有限公司生产的型号为MS-3023的坐姿矫正器，也是专门矫正坐姿的一款产品。但是总体来看，人们对眼保仪的要求比较高，不仅要起到保护眼睛的效果，还要美观，现有产品跟人们的实际需求还有很大的差异，而且这些产品虽然也能起到一些效果，但是性能都比较单一。国外也有专门针对近视眼的研究，但是他们的侧重点不同，更倾向于对于近视眼原因的研究，美国德克萨斯大学西南医学中心何于光博士表示：可以通过改变饮食习惯来保护视力，比如吃鱼和蔬菜能够有效地降低近视率。国外更倾向于针对问题的本质来做研究，跟国内的出发点不同，但研究的目的都是一样的。

通过对各个市场的调研发现，目前市面上出现的产品，都比较单一，只能侧重保护一方面，并不能全方位地保护视力。本文设计了一款新型的产品，可以从距离、光线强度、时间3个方面对读者进行提醒，从而起到保护视力的效果。

1 系统结构与硬件设计

根据各种不同的器件的优缺点，综合分析，从实用、价格和系统的协调性等各个方面进行了筛选，最终我们选定超声波测距模块、驱动显示电路模块、报警器模块、控制模块和温度检测模块等构成的超声波视力保护仪设计，其系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图Fig.1 System structure diagram

1.1 超声波传感器及测距原理

超声波传感器是将一种形式的能转换成其他频率相同的超声能，或者把超声能转换成其他同等频率形式的能所需要的器件，而这个器件就叫做超声传感器。现在市面上出现的超声能传感器主要分为两种，一种是电声型，另一种是流体动力型。本文采用的是压电传感器，它属于电声型的一种。压电式超声波的工作原理是：利用压电晶体的谐振来达到效果的，它是由两个压电晶片和一个共振板组成的，给它的两极外加上脉冲信号，当外加频率等于压电晶片的原始振荡频率时，发生共振，并且带动共振板振动，这样就产生了超声波。与之相反的，两个电极间没有外加电压，但共振板却接收到了超声波，并且带动压电晶片一起振动，这就是将机械能转化成了电信号，此时，压电传感器就变了超声波传感器[1]。

超声波测距是利用脉冲来回所用的时间来计算的，设脉冲由传感器到障碍物所用的时间是t，声音在空气中所传播的速度是c，那么从传感器到障碍物的距离D就可以用公式D=ct/2来求出[2]。

1.2 驱动显示电路

电路采用1602LCD液晶显示屏来显示各种检测到的数据，当超过设置的距离时，蜂鸣器就进行报警提醒，当距离达到所设置的范围的时候，蜂鸣器关闭。

1602LCD液晶显示屏是一种工业的字符型液晶显示器，而1602的意思是16*2，就是说显示的是两行，每行是16个字符。1602液晶内部的字符发生存储器本来就已经有160个不同的点阵字符图形，这些字符都包括了阿拉伯数字、经常用到的各种字符、日文和英文字母的大小写等等，而每一个字符都代表了一个固定的代码，例如，英文的大写字母“A”，它的代码是 01000001B（41H），在显示的时候模块会把地址中的41H中的点矩阵图形显示出来，显示屏上就会显示出字母“A”。

1.3 蜂鸣器报警电路

蜂鸣器是一种采用直流电压供电的一体化电子讯响器，市面上的蜂鸣器主要有压电式和电磁式两种。通过比较，本课题采用的是电磁式，当距离超过预设的值时，蜂鸣器就开始工作，发生警报声效。它的原理就是，当电流通过电磁圈的时候，电磁圈的线圈产生相应的磁场，使其振动膜发出声响，所以，它需要有一定的电流流过才行，但是单片机的IO引脚输出的电流比较小，不足以驱动蜂鸣器，而单片机的TTL电平也不行，因此，想要驱动电路，就必须额外再增加一个电流放大的电路，本课题采用的是经过一个PNP型的三极管9012来放大驱动，原理图如图2所示。

图2 蜂鸣器驱动电路图Fig.2 Circuit diagram of buzzer drive

1.4 温度检测电路

超声波属于声波的一种，属于声波就会不可避免地受到温度的影响，因此，为了得到比较精准的测量结果，我们在整个电路中安装了一个数字温度传感器DS18B20，检测外界温度，然后找到与之对应的声速，用这个速度去计算两者之间的距离，就可以把试验误差降低到最小，得到比较精准的距离。数字温度传感器DS18B20电路图如3所示。

图3 数字温度传感器DS18B20电路图Fig.3 Circuit diagram of digital temperature sensor DS18B20

温度传感器的DQ脚和单片机的P1.4管脚相连，可以显示当时的外界温度。并且传送回单片机中，通过固化在程序中的温度速度表，找到最接近的温度速度值，代入计算公式，得到相对精确的距离，提高测量结果的精度。

1.5 控制模块

本次设计我们所采用的是STC89C52单片机，是一种带8 k字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能COMOS8的微处理器，该器件有40引脚，速度较快，价格便宜，烧录方便，通过串口即可下载，还可以实现在线编程，采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容[3]。具有强大功能的STC89C52单片机，适合用于大多数较为复杂的控制应用场合[4]。它的外形封装主要有双列直插式40脚封装（DIP）和方形 44脚封装（PLCC）两种，本文采用的是直插式。

1.6 单片机的复位电路

当电路出现问题的时候可以通过复位电路来使电路达到初始值，重新开始计时，它是确保电路正常运作的必要条件，基本功能是当系统通电时，复位电路工作，电源稳定以后，复位电路停止工作。通常等电源稳定后，经过一段时间再使复位电路停止工作，这是为了避免电源分开闭合的过程中，电路的电压不稳造成抖动，进而影响复位。电路图如图4所示。

1.7 晶振电路

图4 复位电路Fig.4 Circuit diagram of reset circuit

在单片机中晶振电路同样是必不可少的，它能保证系统的正常运行，当振荡器不起振的话，系统就不会工作。如果振荡器不能正常运行的话，系统在执行的时候就会不可避免的出现时间上的误差，这个没办法避免，尤其是在通讯中体现的比较明显，电路无法通信。

晶振电路由两部分组成，晶振和两个瓷片电容，它们是没有正负之分的，但是两个瓷片的电容相连的那一端一定要接地，如图5所示。

图5 晶振电路Fig.5 Circuit diagram of crystal oscillator circuit

此晶振电路工作是在并联谐振状态的，可以解释为谐振电容的一个组成部分。选值是根据晶振的要求负载电容确定的，这样可以最大期限的降低频率的误差，同时还能减少温度误差。整个系统的电路图，如图6所示。

2 系统程序设计

整个系统的流程主要分为主流程和子流程两个部分，主流程是整个电路程序的工作流程，显示器显示当初始的检测值，并检测异常情况，子流程分为两个部分，报警和显示程序，显示数据子程序的主要功能就是把超声波模块测量后的结果经单片机处理完毕的距离显示在LCD液晶显示屏上。报警子程序的主要功能是在距离值超过预警值时，能够使蜂鸣器发声从而达到报警的目的。

2.1 主流程

主程序是控制整个电路程序的工作的程序，开机后系统检测到障碍物存在，然后读出它的距离值，进行数据处理，在没有障碍物的存在时，显示器上的距离值就会非常大，但不影响系统的正常工作，主程序流程如图7所示。

图6 系统电路图Fig.6 Circuit diagram of system

图7 主流程Fig.7 Main flow chart

2.2 子程序

子程序流程如图8所示，分为显示数据和报警程序两个程序，显示数据子程序的主要功能就是把超声波模块测量后的结果经单片机处理完毕的距离显示在LCD液晶显示屏上。报警子程序的主要功能是在距离值超过预警值时，能够使蜂鸣器发声从而达到报警的目的。

3 实物测试

整个实物由显示器、超声波传感器、光感传感器、LED指示灯、按键、单片机、蜂鸣报警器等几部分组成。对整个系统的不同情况进行测试，检测每一个模块是否正常工作，能否起到保护视力的效果，可分为以下几种情况进行实验测试：

图8 子流程图Fig.8 Sub flow chart

（1）当距离和时间都正常的情况下，改变光线的强度，调节光线，使其达到正常值，此时警报器不报警，然后调节光线的强度，先让光线过弱，报警器报警，再让光线过强，报警器也报警，工作正常。

（2）控制距离和光线，使其达到正常值，在设置的时间内，警报器不报警，工作电路正常工作，在达到学习时间之后，报警器报警，提醒学习者休息。

（3）调节光线和时间的值，使其在正常的范围内，让学习者在适当的距离内学习，这时报警器不报警，让学习者靠近读物，使他们之间的距离小于设定的距离，这时报警器报警。

（4）电路正常工作的情况下，控制距离不变，同时改变时间和光线，使它们的都不在正常工作的范围内，这时报警器报警。

（5）电路在光线正常的范围内，同时改变距离和时间，使其不在正常范围内，这时报警器报警。

（6）同样，控制时间因素不变，使其在正常的范围内，改变光线和距离，使其偏离正常范围，报警器报警。

（7）在正常的情况下，报警器不报警，现控制光线，时间，距离，使它们三者都偏离正常的数据，这时报警器报警。

4 结语

本文设计的超声波视力保护仪通过STC89C51单片机写入程序，再与相结合各个硬件串联起来，软硬结合，组成的一个多功能的超声波视力保护仪，可以多方面的综合性保护学习者的眼睛，经过实验测试发现，该设计可以完美地运行设定的程序，达到预期的效果。这个系统应用简单，系统稳定性高，使用灵活，可以根据自己的习惯和喜好来调节数据，达到适合自己的模式，同样一个产品，可以适应不同的人使用，方便快捷，易于操作，通过超声波来控制学习者与读物之间的距离，矫正学习者的不良坐姿与习惯，能更好地为学习者服务。