智能视力保护系统-专业论文-自动化应用案例

智能视力保护系统

发布日期：2021-05-01 来源：《智能机器人》19-05期作者：陈帅华浏览次数：14017

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【摘　要】：本系统以HT32单片机为主控芯片，系统由视力检测仪和机器式视力保护装置等两部分组成。视力检测仪部分与普通按键相配合，能以随机方式在液晶屏幕上出现视力测试符号，并根据用户应答结果，自动调整测试符号等级，以文件形式记录测试结果；机器式保护装置根据测试结果，用语音提示、机械式推杆等方式确保测试者的距离和坐姿，从而实现检测、保护视力的系统。

关键词：视力检测仪；HT32单片机；超声波；机械推杆

1. 引言

当前由于电视、网络的高速发展、学习压力的加重等诸多因素，使得青少年长时间不卫生、超负荷用眼，造成了青少年近视率大大提高。据国家统计局最近的一项调查显示，目前我国学生视力低下的状况令人担忧。小学生近视比例为34%，初中生为68%，重点高中生为90%左右，在校大学生视力合格者更少。而在高考体检中由于自身缺陷原因被限考的学生当中有74%为近视。据卫生部、教育部联合调查，目前我国学生近视发病率居世界第二，人数居世界之首，全国近视及眼疾患者近3亿人，已经成为全社会关注的公共卫生和社会问题。视力下降不仅影响青少年的日常生活和学习，对青少年的身心健康造成极大的影响，同时给青少年的成长与发育造成极大的障碍。在这种情况下，亟须开发一种智能视力保护器。通过创造健康的读写环境和科学方式^[1]，避免因长期读写而导致的近视、驼背、脊柱侧弯、斜视、颈椎病等疾病的发生和发展，用非医药的手段，防范和解除不良读写习惯，避免给人们身体带来伤害。

目前，国内生产的视力保护器功能特点比较单一，与人们的个性化需求尚有很大的差距。故不能很好的满足广大使用者的需求。国外也致力于对保护视力的研究，但是他们更侧重于对近视原因的研究。市场上真正的多功能视力保护器几乎没有，现有的产品只是侧重视力保护的一方面，功能比较单一，不能从多个角度保护使用者的视力。本作品经过分析了影响视

力的各方面因素——看书距离、坐姿、光线强

度、看书时间等。通过HT32单片机的智能控制，可以让使用者在学习的同时，还能更好地保护自己的视力。该作品安装方便，成本低廉，人性化设计，给使用者创造一个舒适的学习环境，这不论对于家庭还是学校，都非常适用。

2. 工作原理

该系统主要包括遥控部分、HT32单片机、超声波模块、位置检测模块，步进电机功率驱动电路，液晶显示控制等几大部分。将通过HT32单片机结合语音提示对学生坐姿加以纠正，非常富有人性化；智能补光，解决了因光线不足对学生视力的影响，视力测试，可以时时知道自己的视力视力状况。本作品集视力保护与视力测试为一体，以多功能方式保护视力。图1为整个系统结构电路结构框图。

图1 系统总体结构框图

2.1 视力测试模块

该视力测定仪采用液晶显器显示“E”视标，视力计的上下左右四个按键分别代表视标“E”的开口方向，当使用者需要视力测试时，只需按下与视标“E”开口方向对应的按键，再按下确认键确认结果，由此开始对自己的视力测量。注意：使用者要距离显示屏大于0.5m的距离。重复测量时，按测量仪右边的复位按键即可。视力测定仪是由硬件和软件两部分组成。视力仪硬件是由TFT测试信息液晶屏^[1]、HT32F1765单片机主控系统、应答输入按键等三部分组成。应答输入按键由测试者操作，实现人机互动。TFT液晶最小间距为0.235mm，且其背光亮度达80～320CD／m²，可以提高视标显示的准确度。输入按键类似游戏机使用的四向键盘，可以有四个方向按键(上、下、左、右)。测试者根据观察测试信息屏上闪出的“E”字方向，按下输入按键对应方向的按键以作应答。系统的软件程序获取到按钮的闭合信息，将进一步确认测试者的判断准确与否，并通过液晶屏输出信息，按照显示的数值范围，显示5.1～4.3不同的视力结果。

图2 按键电路

第一个键K1：“E”口向上；

第二个键K2：“E“口向左；

第三个键K3：“E”口向下；

第四个键K4：“E”口向右。

根据液晶屏上”E”的显示，按下与之相对应的按键应答。

2.2 超声波测距模块

测距采用HC-SR04超声波测距，该模块可提供2cm-250cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。

基本工作原理：采用I/O口TRIG触发测距^[3]，给至少10μs的高电平信号；模块自动发送8个40kHz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过I/O口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340m/s))/2。实物如图3所示。其中VCC供5V电源，GND为地线，TRIG触发控制信号输入，ECHO回响信号输出等四支线。

图3 超声波模块实物

（1）采用I/O口TRIG触发测距，给至少10μs的高电平信号；

（2）模块自动发送8个40kHz的方波，自动检测是否有信号返回；

（3）有信号返回，通过I/O口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平时间*声速（340m/s））/2。图4超声波时序图，以上时序图表明你只需要提供一个10μs以上的脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。当距离小于设定的距离时，触发报警发声电路工作，发出声音提醒该学生坐直^[2]，当报警超时时，学生还未退出安全区域，推杆将向上推出，提示学生离开报警区域，从而达到保护该学生视力，纠正学生坐姿的目的。

图4 超声波时序图

2.3 语音报警模块

该报警模块分为单片机控制电路和报警发声电路，其功能是当超声波测距测出人与读物的距离超出了视力安全距离时，则该报警系统将启动，发出报警声。当退出安全距离后，报警取消。语音提示模块中设定有固定的学习时间45分钟，当学习时间到达预订时间后，语音则提示”该休息了”的人性化报警。

图5 语音报警电路

2.4 推杆模块

在该模块中，其核心部分是步进电机^[4]，通过HT32单片机控制电机正反转，由此来带动推杆的推出和收缩。该模块与语音提示模块紧密相连，当语音报警超过3秒后，人物还未离开安全距离，推杆将推出，再次强制提醒人物离开。当超声波检测到人物推出安全距离后，推杆缩回。步进电机驱动仿真图如图6所示。

图6 推杆步进电机驱动仿真图

2.5 智能补光模块

智能感光补光模块功能是由HT32单片机控制光敏电阻完成。光敏电阻的工作原理是当有光线照射时，电阻内原本处于稳定状态的电子受到激发，成为自由电子，所以光线越强，产生的自由电子也就越多，电阻就会越小。光敏电阻的优点有内部的光电效应和电极无关，即可以使用直流电源。灵敏度和半导体材料、以及入射光的波长有关，价格低廉，性价比高。当电路在条件满足时发出脉冲，该脉冲作用于单片机的P1.0口，通过检测P1.0口是否为高电平，由中断控制利用P1.1口给出满足预设亮度的脉冲，驱动补光电路自动补光，达到舒适的亮度，进而达到保护学生视力的目的。

图7 光敏电阻控制电路

当光敏电阻受到较强的光线照射时，光敏电阻阻值变低，输出端输出高电平，为模拟信号，经1/4LM339（四电压比较器，用其中的一个即可）转换成数字信号然后经反相器传给单片机，此时，传过去的信号为低电平，即光线正常时输出信号为低电平；当光敏电阻受到较弱的光线照射时，光敏电阻阻值为无穷大，输出电压为V_CE=0.7V，为低电平，经比较器输出为零，再经反相器作用后输出为1，即光线较暗淡时，总的输出电压为高电平即1。反馈到单片机上，触发补光电路，灯光补光，解决因光线强弱对眼睛视力的影响，从而达到保护视力的效果。

3. 作品功能、特色

3.1 功能

该作品主要包括遥控部分、HT32单片机、液晶显示、存储器模块、超声波模块、位置检测模块、步进电机功率驱动电路等几大部分。将通过HT32单片机结合语音提示与推杆对学生坐姿加以纠正，非常富有人性化；智能补光，解决了因光线不足对学生视力的影响，视力测试表，由液晶屏显示，自动检测，可以时时知道自己的视力情况，以此做相应的保护。本作品集视力保护与视力测试功能集为一体，达到从多角度保护视力的效果。

3.2 特色

本设计相比市面上出售的视力保护器更具智能化和系统化。市面上大多数视力保护器都是通过使用一个挡杆或支架将学生和书桌的隔离一段距离，该方法是能起到保护视力的作用，但仍有诸多不足之处。本作品在总结市场视力保护装置功能单一、价格昂贵等情况，设计了一款集智能视力检测仪和视力保护装置为一体的智能视力保护系统，主要实现距离检测、智能感光补光、语音提示、推杆动作提示、液晶视力表随机显示等功能。实现了更高一步的智能化，增强了实用性和舒适度。

由于本作品是使用32位单片机控制，对于8位、16位单片机来说，其功能更强大，可以集成更多的功能模块。因此，本作品还有很大的扩展空间。

4. 软件部分

（1）本作品视力保护装置程序流程图，利用HT32单片机，C语言编程编程控制，程序流程图如图8所示。程序由各个结构的程序嵌套结合，达到能完美的控制本产品。

图8 视力保护程序流程图

图9 超声波程序流程图

测距功能开始后，首先判断定时是否到1s，如果已到1s，则超声波发射标志位置1，启动超声波发射，并开启定时器T1和外部中断0。若不到1s，则返回继续计时。如果外部中断被触发，则表示接收到了回波，停止定时器T1，计算距离。若外部中断未被触发，则返回继续发射超声波。计算距离时，如果算得距离小于设定距离，则报警。若算得距离大于设定距离，则返回主程序进行下一功能。

（2）视力检测仪，通过HT32单片机，以C语言编程控制，流程图如图10所示，以按键触发控制液晶屏。测试距离与E字大小是由国内标准视力测试距离按1:10比例缩小。在液晶屏上显示随机显示不同大小，不同方向的E，与标准视力测试表一样。该视力测试仪小型实用^[5]，便于携带，更容易安装。在电子产品智能化的今天，多种多样的智能化产品无处不在，其中也包括视力检测仪。但市面上的是按五米标准距离设定，显示部分是由大屏显示。本作品与其的不同之处就是距离小，设备小，便于携带等特点。