多功能眼部保护仪的研究与设计

郭林海 汤莉莉

摘  要：本设计主要研究通过温度传感器收集外界环境中的温度，并通过升温模块，加湿模块和震动式按摩模块做出相应的渐变式处理。研究的内容主要包括对于外界环境中的温度信号采集和分析处理、震动、加温、加湿模块循环调动、STC89C2单片机的编程、继电器的控制等。在系统硬件的设计上是采用了模块化的设计，先对各个模块进行单独的测试，然后将其组装一起来进行调试;在系统软件设计上主要是采用了自下而上的一种模块化编程技术，LCD液晶可以实时地显示当前的天气、时刻和温度等相关数据，最终能够实现智能多功能眼部保护仪的工作过程中所有相关数据的控制，并且实时地显示温度等数据。

关键词：温度传感器  震动按摩  渐变式处理  眼部保护

中图分类号：TN923;TP399              文献标识码：A                  文章編号：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

通常是一个被我们用来检测光，并把所检测得到的光直接转换为存在于大脑里的神经元的一种机械器官，被认为是现代人类与世界相互接触的重要手段。眼睛就像是心灵的窗口，据统计研究，现在每10个人中就有7个佩戴眼镜，近视、老视眼、视力下降已经成为眼部的重要问题。为了缓解用眼过度的问题，眼部保护仪诞生了。普通的护眼仪只有按摩功能，在给眼睛按摩的同时用户难免会产生干涩等不适感。而智能多功能眼部保护仪的设计在兼顾按摩功能的同时还新增了加温喷雾功能，它能够有效地缓解用户在按摩时产生的酸涩感，同时加热喷雾还能对眼部的穴位产生热敷的功效，可以有效地缓解用眼过度等问题[1-2]。本设计中所实现的温度控制就是当一个人带上多功能智慧护眼仪的时候，温度传感器就会自动监视和检测外部温度，如果外部温度太低，加热模块就可能会进行加热，在0～4s时通过加热电路自动检测得到一个低电平的温度信号，使得继电器被吸合，加热模块和喷雾模块同时启动对眼部穴位进行加热保湿处理，4～13s时继电器断开，加热和喷雾模块停止工作，时钟电路输出低电平信号，震动传感器检测到低电平信号后开始工作[3]。13s时，时钟电路输出高电平信号，复位电路开始工作，使整个电路复位重新从0s时开始工作。LCD1602液晶显示屏能够实现当前的工作时刻及其温度等的显示。

1  总体设计方案

本自动控制系统主要由驱动硬件和控制软件两大组成部分综合组成，由液压震动控制模拟器和按摩自动控制系统模块、喷雾自动控制系统模块、单片式电机系统控制模块、加热自动控制系统模块、按键自动控制系统模块、温度传感器自动控制系统模块、LCD液晶显示模块7个较小的控制模块组合而成[4]。整体方案的设计框图，如图1所示。

1.1 震动模拟按摩模块

本模块采用直流电机震动马达，震动效果明显，mos放大驱动，可以通过Ard的数字口进行控制，亦可通过PWM控制马达的震动强度[5]，通过此模块可方便的完成电信号到机械震动感的转换。

本控制模块主要采用了直流直供电机械的震动马达，震动时感应效果明显，MOS放大器驱动，可以由控制Ard的一个控制数字口对其马达进行震动控制，亦或者可以由控制PWM来直接控制马达震动时的感应强度[5]，通过这个控制模块能够方便地直接完成从直流电信号进入输出传送到振动机械上的震动马达传感器的信号转换，工作电压在3.0～5.3V，其特点是易操作、灵敏度高、安全系数高且兼容性强。

1.2 加热控制模块

外界环境的温度由DS18B20温度传感器进行接受，当其到达需要加热的温度时DS18B20温度传感器就会向传感器输出低电平信号，接收到低电平信号之后加热控制模块中的继电器吸合，加热模块开始工作[6]。加热模块电路，如图2所示。

1.3 喷雾控制电路

该喷雾控制电路主要由马达来模拟喷雾效果，当接收到加热控制模块输出的高电平信号时，喷雾控制模块开始工作。喷雾控制模块的总体设计，如图3所示。

1.4 主控电路

如图4所示，主控控制电路主要部件包括开关复位控制电路，时钟控制电路和STC89C2单片机3个部分共同组成，复位时钟电路的主要作用是当作为控制整个时钟电路的一个控制开关工作状态。时钟电路的主要工作是控制加热电路，喷雾电路和震动模拟电路的工作顺序，时钟电路主要由HC-49S晶振控制，其特点是价格低廉、频率范围宽、老化率好，能够很好地控制整个电路13s一次完成工作循环[7-8]。

2  软件系统

2.1 温度传感器程序流程图

程序开始时，先对DS18B20温度传感器进行初始化。通过拉低单线产生复位脉冲信号，然后释放该线，如果有应答脉冲，即发起ROM命令。当成功地执行操作后，就使用内存操作，即温度转换等，当转换完后，又重新开始初始化DS18B20温度传感器，然后检测是否有应答脉冲，若有就发起读时隙命令，同时读出第1，2个字节，即为温度的数据。温度显示流程图，如图5所示。

2.2 LCD屏幕显示程序流程图

程序开始时，LCD1602初始化，LCD1602采取数字汉字不同的显示方法，用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符。

汉字的自动显示一般采用图形方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5……右边为2、4、6……根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节……直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字，LCD屏幕显示程序流程，如图6所示。

3  方案难点及关键技术

3.1 方案难点

（1）温度传感器对于采集外界温度的信号比较微弱且及其不稳定，存在着许多不确定的因素;这对于传感器的采集和信號处理电路的可靠性和稳定性提出了新的技术要求。（2）根据工作环境中的时间和空气温度不同，存在着温度传感器的检测距离及其灵敏度的设定、测量和分析等技术上的困难。（3）在系统设计中采用了程序控制等方式，以实现对智能多功能眼部保护仪进行自动化控制，由于系统中的硬件电路设计对元器件的各种性能参数有较高要求，这就导致在系统中的电路设计、组装和调试等工作上的难度增大。

3.2 关键技术

（1）通过一个时钟控制电路来严格地控制多种模块的工作顺序和时间。（2）温度传感器信号的处理电路及其处理方法。（3）加热控制电路必须与继电器一起配合。（4）在一个软件设计中，多个中断的同时运行且相互之间并没有任何影响。

4  系统的测试结果分析

（1）能够较为灵敏地实现从加热模块到喷雾模块再次震动等各个模块的转换与运行。（2）通过与普通护眼仪进行对比，多功能护眼仪具有明显的按摩作用。（3）通过与普通护眼仪进行对比，多功能护眼仪的加热喷雾式加湿功能在护理眼部起到了较为明显的缓解眼部疲劳的作用。（4）LCD显示屏可以精确地实现当前时间、温度等数据信息的实时显示。

5  结语

通过实物调试，测得0～4s内运行加热和喷雾加湿功能，4～13s内运行震动按摩功能，用户可以根据自己的实际情况进行加热温度与各功能的运行时间。该多功能护眼仪可适用于各年龄段的人群适用范围广且操作简便。本款多功能眼部保护仪的成功研制不仅为人们提供了方便的生活，而且还达到了智能控制及护眼的目标，它可以被广泛地应用在学习、生活和日常工作之中，并且具备一定的应用价值和良好的市场前景。

参考文献

[1] 董晓博，张光旭.保护儿童视力从眼部按摩开始[J]. 中华家教月刊，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.

[4] 刘纪红，沈鸿媛.电子元器件应用[M].北京：清华大学出版社，2019.

[5] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].5版.北京：高等教育出版社，2015.

[6] 朱晓青.传感器与检测技术[M].2版.北京：清华大学出版社，2020.

[7] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程——入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2018.

[8] 沈卫红.单片机应用系统设计实例与分析[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.