智能语音在视力保护器中的应用研究

安徽省蚌埠学院电子与电气工程学院 郭从敏 辛 明 张 欢

目前，青少年视力低下，已成为国内外共同关心的公共卫生问题。而长期使用不正确的读书写字姿势是导致近视的最大因素，还会有脊椎弯曲变形、驼背、斜视以及颈椎病等。为此，我们设计了一款基于单片机的智能语音视力保护器进行防范，从而纠正人们读写的不良姿势、习惯等。视力保护器以单片机作为控制核心，应用光敏传感模块、语音播报模块和其他功能模块构建一个多功能视力保护装置，还根据环境设置了静音与非静音模式。该装置可检测光线的亮暗、眼睛与书本的距离，光线和距离的过暗和过近会语音播报和LED灯报警提醒用户调整，通过多方面的监测提示来给用户提供良好的阅读写字体验。

1 研究背景

我国是世界上近视发病率最高的国家之一，近视眼人数世界第一。据统计，由于近视导致的眼盲，已仅次于白内障、青光眼居第三位，近视已被列为三大疾病之一。在日常生活中，中国学生视力低下的状况令人担忧。写字看书姿势不正确和看书写作业的时间太长是导致近视的主要原因，所以设计一款人性化的视力保护器意义重大。我们查阅了许多相关资料和文献，国内市场上真正的多功能视力保护器其实并不是很多，大多数产品都只是侧重某一个方面来进行视力保护，功能单一并不能从多个方面去保护视力。

于是，综合各个单一的视力保护器的功能，在已有的基础功能上，加入我们的特色点，使得最终的成品是一个功能更加齐全的，满足大多数人需求的视力保护器就成了我们所研究的课题。

2 设计思路及创新点

我们通过距离传感模块、光敏传感模块、语音播报模块和其他功能模块构建一个多功能视力保护装置，该装置可检测光线的亮暗、眼睛与书本的距离等。如果光线太亮或距离太近，会语音播报和LED报警提醒用户调整。该装置通过对外界各种数据的分析，可以判断使用者所处环境信息，并给予适当的语音播报或灯光等提示信息。该装置的定时功能可以判断使用者是否应该休息并在休息时间播报眼保健操。另外，该装置可以选择不同的模式（静音和非静音）以适应用户的不同需要。

整体思路如图1所示。

本项目的创新性在于能够在不同环境下可设置成不同的模式，包括静音模式和非静音模式，其中静音模式是通过LED、12864显示屏形式，非静音模式是通过语音播报形式，最大程度的满足了使用者对环境的需求，有效的避免了实用范围小的弊端；并且能够很好地结合用户所处的环境。同时，本项目的定时电路在通过用户设定后，经过一定时间的学习后进入休息时间，可以在休息时间播报眼保健操缓解眼睛疲劳，减缓长时间学习带来的疲劳，充分体现了这些模块的优势，为人们可以更好的保护视力提供方便。

图1 系统整体设计图

本项目的科学性在于我们利用已有的技术和知识进行创新组合，理论上是可以实现目标的。我们就可行性进行分析：首先，现在的单片机系统原理以及各种芯片和传感器已经很成熟了，因此可以直接借鉴利用；然后，就是各器件的组合连接、利用HC-SR04超声波测距、液晶显示LCD1602等、相关电路板的构建和连接、功能模块软件程序的代码编写和调试，这些我们可以通过学习进行实践，本项目在理论上是完全可行的。

3 单元模块介绍

3.1 测距模块

超声波测距的原理:先由超声波发射装置发出一段超声波，然后根据接收器接到超声波时的时间差，计算出两点的距离。具体步骤为：超声波发射装置向某一方向发射出一段超声波，在发射那一刻的同时开始计时，超声波在空气介质中传播，途中一旦碰到障碍物就会立刻返回，超声波接收装置接收到反射波的那一刻就立即停止计时，以此测距。

本次仿真的超声波测距电路，在考虑精度与各方面因素下我们选用了由一个HC-SR04的超声波测距模块来完成的。HC-SR04的超声波测距模块能够提供2cm-400cm的非接触式距离的感测功能，而且测距的精度高，可以高达3mm；并且，HC-SR04还具有性能稳定、盲区小的特点。此模块还包括超声波的发射器、超声波的接收器与控制电路。该模块一共具有四个引脚，引脚VCC接的是5v电源，引脚GND接地，引脚Trig口来输出能够触发控制的信号，引脚Echo口能够输入回响信号。如图2所示。

图2 HC-SR04超声波测距模块实物图

初始化时将trig和echo端口都置低，首先给trig发送至少10us的高电平脉冲（模块自动向外发送8个40K的方波），然后等待，捕捉echo端输出上升沿，捕捉到上升沿的同时，打开定时器开始计时，再次等待捕捉echo的下降沿，当捕捉到下降沿，读出计时器的时间，这就是超声波在空气中运行的时间，按照测试距离=（高电平时间×声速（340m/s））/2就可以算出超声波到障碍物的距离。

图3 光敏控制电路

3.2 光检测模块

在用户处于不适于工作学习的光照强度情况下，该产品中的光强检测模块将检测出这一点，并发出适宜的警报声，从而提醒使用者以达到保护视力的目的。

图3是光敏控制电路的原理图，其利用了光敏电阻随着外界光照强度的变化而自身阻值改变，并且光强和阻值呈负相关。我们先设置一个正常光强时光敏电阻的阻值为基准值，当外界光强增强，光敏电阻阻值变小，此时电压比较器的输出端输出一个高电平。再经过一个A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，再经过一个反相器将得到的低电平的数字信号传送给单片机。同理，当外界环境光强较低，不适宜工作和学习时，该模块将高电平传输给单片机，使单片机发出适宜的警报声。

图4 电压比较器LM393引脚图

图5 LED报警电路

图4是电压比较器LM393的引脚图，LM393是一个双电压比较器。具体情况：（1）它工作温度范围在0℃-70℃，可以在较高温度下工作；（2）它工作的电压范围宽，且单电源、双电源均可用，单电源时工作电压在2V-36V；双电源时工作电压在±1V-±18V；（3）它消耗的电流小，ICC= 0.4mA；（4）输入失调电压小：VIO=±2mV；（5）共模输入电压宽：VIC= 0～Vcc-1.5V；（6）兼容性好，与TTL、DTL、MOS、CMOS等均可兼容，所以选用该电压比较器。

3.3 语音播报模块

当用户的面部离书本的距离小于30cm时，或者用户所处的环境不适合读书时，对应的单片机I/O口会被赋值低电平，即可点亮LED灯。如图5所示。

图6 蜂鸣器报警电路

本系统采用5V的有源蜂鸣器进行声音报警，当整个系统处于静音模式下，该模块不发生作用，当P2～3引脚为低电平，三极管Q1导通，三极管内阻较小，蜂鸣器两端压差较大，蜂鸣器发声。如图6所示。

11JQ6500是一个提供串口的MP3芯片；同时，软件支持TF卡驱动、支持电脑直接更新spi flash的内容。有30级音量可以调，通过单片机发出简单的串口指令即可完成播放指定的音乐，使用方便；同时，稳定可靠是此款产品的最大特点。

图7 语音播报模块电路图

图7是语音播报模块电路图。语音播报模块是通过采用JQ6500-16P模块构成的，将模块通过USB线与电脑相连，我们需要播报的音频直接通过上位机导入模块当中，该芯片的K1到第K4是接入按键控制，SGND和GND是电源地管脚，BUSY管脚的高低电平代表当前有无音频输出，SPK+和SPK-接8Ω、1W的喇叭的正负极，DC-5V接的是电源，RX和TX接UART串行数据输入输出,由于采用的单片机电源是5V，所以接模块的RX引脚需要接入1K的电阻，将模块电路图接好。