基于一种磁悬浮视力检测仪的探索

江门职业技术学院电子与信息技术系 梁季彝 李子华

该磁悬浮智能视力检测仪通过采用磁悬浮技术控制视力测试板的转动角度，结合智能测距传感器，从而提高视力测量的准确性；把原为人工指点视标（E）的测试改成用自动随机LED灯指点控制，配置一个遥控器由测试人员自行判断视标方向，使得视力检测工作智能化，不仅提高视力检测的工作效率，而且减少医务人员的工作量。

引言：经调查国内目前应用在视力检测方面的项目仍然是以人工为主导，这样会占据医护人员大量工作时间。目前医护人员短缺，如果此产品投入国内市场将会缓解医护人员短缺问题，有利国内体检事业的发展。

1 研究内容

该项目采用STM32单片机为控制平台，相比传统的人工操作大大的节约了人力，以及更加准确地检测视力，STM32单片机控制随机亮起视标板中每个视标下方的LED灯，这样来代替人工操作。大大节约了医护人员的资源，可以实现一个医护人员管理多台机器。

2 基本思路

以STM32为主控芯片，利用磁悬浮技术控制视力测试板的转动角度，结合测试人员头部上的测试头箍中心位置的超声波测距传感器发送装置和视力检测仪左右两边的接收装置，使视力测试板与人体头部处于同一水平直线上，从而保证视力测量的准确性；把原为人工指点视标（E）的测试改成用随机LED灯指点，配置一个遥控器由测试人员自行判断视标方向（即：测试人员看着视力测试表的视标方向选择相应的方向按键），通过无线通信模块实现遥控器与主控模块之间的数据交换，从而实现用智能化设备代替繁重的医护人员工作的目的。如下分别为磁悬浮智能视力检测仪系统框图（见图1）、视力检测仪（见图2）和测试头箍外观图（见图3）。

图1 磁悬浮智能检测仪系统框图

图3 测试头箍外观

3 磁悬浮技术应用

在磁悬浮的控制下，在测试人员头部上的测试头箍中心位置加装超声波测距传感器发送装置，对准视力检测仪左右两边的接收装置使收发信号形成等腰三角形态势，当头部转动时左边距离大于右边距离时磁悬浮控制视力测试板向右转动，右边距离大于左边距离时磁悬浮控制视力测试板向左转动，这样使得视力测试板跟着头部的转动始终处于同一水平直线上，达到减少测量误差的目的。

3.1 测试流程

把原为人工指点视标（E）的测试改成用随机LED灯指点，配置一个遥控器由测试人员自行判断；每级别如三个以下视标（E）要判断全对才能进行下一级别测试，否则退回上一级别测试；每级别如三个以上的视标（E）则随机抽取三个视标进行检测，正确判断两个以上则进行下一级别测试，否则往上一个级别测试，如果累计两次同一级别则输出本级别测试结果并在级别指示灯处显示绿灯。

3.2 磁悬浮技术原理分析

（1）探究常温下和不同条件下冷却的超导体和永磁体之间的相互作用力关系；掌握超导体的基本特性，超导体与永磁体之间的磁力特性。

（2）超导体和永磁体之间为什么可以实现稳定的磁悬浮？

第一，超导体处于完全抗磁效应状态；两者之间只有斥力，不能实现稳定磁悬浮，如图4所示。

第二，超导体处于混合状态，具有非完全抗磁性；两者之间同时具有吸引力和排斥力，可以实现自稳定磁悬浮，如图5所示。

图4 超导体抗磁状态

图5 超导体混合状态

（3）利用磁极交错排列的方式组合，如图6所示，形成具有非匀称磁场分布的组合磁体，超导体可稳定悬浮在轨道之上，如图7所示，但不能运动，只能静止悬浮在一个位置，也不能旋转；利用这种原理，可制作的分离超导磁悬浮电机，同时也可以通过改变磁体分布，设计制作了可分离超导磁悬浮电机，如图8所示。该电力的风轮悬浮在空中，不仅很容易分离，而且可实现隔空动力传输。

图6 非均匀磁场组合

图7 改变磁体分布

图8 利用磁场隔空传输动力

（4）磁悬浮底座设计及其视力检测板对于视力测试仪左右转动角度的控制，代替了传统的机械结构，使仪器变得更加灵活准确轻便。

（5）磁悬浮上下浮原理（以钢球为悬浮对象）。下浮原理：以沿轴向均匀磁化圆环（或盘）形永久磁体产生的磁场作为磁场源，使被悬浮钢球和辅助钢球磁化，由于被悬浮钢球和辅助钢球均在圆盘（或环）形磁体的同一侧，且垂直于其中轴线，所以，被悬浮钢球和辅助钢球具有相同的磁化方向。在这种情况下，圆环（或盘）形永久磁体会对被悬空钢球产生一个向上的吸引力，靠近圆环（或盘）形永久磁体的辅助钢球会对被悬浮产生一个向下的斥力。当作用在被悬浮钢球上的吸引力于斥力及其重力达到平衡时，被悬浮的钢球就可以稳定的悬浮在空中。当圆环（或盘）形永久磁体沿着转动时，被悬浮的小钢球就随之悬浮运动。上浮原理：以沿轴向均匀磁化圆环形永久磁体产生的磁场作为磁场源，圆环形永久磁体产生的磁场，在磁体的上部接近圆孔的空间范围是向下的，而在其上部则是向上的。这样的磁场分布，使得钢球磁化行为更复杂，可分为三个区域：第一，当钢球在磁体上部接近圆孔的空间范围时，其磁化方向是向下的；第二，当钢球在磁体在其上部远离圆孔的区域内时，其磁化方向是向上的；第三，当钢球在磁体上部介于这两个区间时，被悬浮钢球则同时具有向上向下的磁化现象。在第三种情况下，当钢球向下的磁化分量与磁体向上的磁场产生的向上的斥力，与钢球向上的磁化分量与磁体向上的磁场产生的向下的吸引力及重力打到平衡时，上悬浮钢球就会被稳定的悬浮在空中，从而实现钢球的稳定上悬浮（如图9所示）。

图9 钢珠重力与磁体的磁力达到平衡时

4 应用技术

本检测仪是采用单片机、磁悬浮技术和传感器应用，以智能化为目的，为视力检测的工作提供极大的便利。该项目可以在多种场合上应用，能快速准确地得到测量结果，无需太多的人力，该测试仪不仅节省了人力而且提高了效率。该系统在测试头箍上加装超声波测距传感器发送装置，与视力测试板左右两端的接收装置形成等腰三角形收发态势，通过超声波测距比较等腰边长，利用磁悬浮技术控制视力测试板转动，使得等腰边长始终相等，从而视力测试板与人体头部始终处于同一水平直线上，这样可以避免反光对测试结果的影响，并且提高视力测试的准确度。

结论：综上所述本项目利用单片机控制LED的随机发光顺序来让被检测人进行判断，然后收集数据进行判断被检测人是否具有视力上的问题，采用红外线传感器和先进的磁悬浮技术来进行调整视标板的角度。该磁悬浮智能视力检测仪内置电池和USB充电供电，将检测仪做到轻量化，以便携带，利用单片机对整台检测仪进行控制，利用反馈的数据进行判断。以STM32为主控芯片，利用磁悬浮技术控制视力测试板的转动角度，结合测试人员头部上的测试头箍中心位置的智能测距传感器发送装置和视力检测仪左右两边的接收装置，使视力测试板与人体头部处于同一水平直线上，从而保证视力测量的准确性；通过无线通信模块2262发射编码芯片和2272（L4、M4）接收解码芯片的配合实现遥控器与主控模块之间的数据交换，从而实现用智能化设备代替繁重的医护人员工作的目的。