一种分离式可佩戴视力保护器的设计

2016-11-30

传感器世界 2016年8期

南京医科大学基础医学院生物医学工程系，江苏南京 211166

一、前言

随着电脑、电视及各种视频多媒体的普及，社会压力的增加和居民受教育程度的逐步提高，青少年学生长期近距离工作、超负荷用眼、读写姿势不良等，导致视力低下，并发展成为常见病[1]。

近二十年来，中国青少年近视发生率逐年持续增长，近视率仅次于日本，位居世界第二位，近视总人数居世界第一位[2]，大中小学生视力不良检出率高达68.44%[3]。在无法减轻学生学业压力的情况下，保护视力需放在读写姿势纠正上。

目前，除了采用传统的食疗法和用眼药水缓解疲劳来保护视力外，国内外已针对性地开发多种类型的仪器。“眼保姆”[4]是采用电脑编码脉冲技术模拟传统针灸，作用于眼部穴位，消除眼疲劳，解决近视的外因；“坐视宝”[5]是采用耳挂式造型通过红外传感装置来监控坐读姿势，并发出提示音纠正；“智能感控视力保护仪”[6]是用于玩电脑和看电视等娱乐场合，监测距离、时间、光照强度等外界环境参数来控制娱乐时间，从而保护视力。以上视力保护器存在价格偏高、效果不确定等问题，并且影响戴在儿童身上的舒适性。

本文设计的儿童视力保护器操作简单、携带便利。采用耳挂式造型，利用超声测定书桌与眼球的距离、提醒装置可辅助调整坐读姿势，充分体现了智能化，符合创新的理念；参数采集与显示装置分离，使用蓝牙连接，方便检查学习状态，达到保护视力的目的。从长远来看，本视力保护器可以开发手机app，具有现实意义和良好的推广前景。

二、总体设计

视力保护器由佩戴器部分和显示控制装置两部分组成，系统框图如图1所示，以STC单片机为基础进行一系列的控制。

佩戴器部分的外形类似于无线蓝牙耳机，佩戴于单个耳朵上，较为小巧舒适，由光敏传感器、距离检测传感器、STC15F104E及Bluetooth发送模块组成，其主要作用是实时地采集传输光强信息以及距离信息。

STC15F104E的大小为17mm*10mm[7]，距离检测传感器的大小为35mm*20mm，光敏电阻的大小为27mm*14mm，Bluetooth发送模块大小为13.5mm*18mm，整个佩戴器部分的平面尺寸约为50mm*30mm。

显示控制装置部分由LCD显示屏、语音报警器、输入设置按键、STC89C52及Bluetooth接受模块组成，其主要作用是对接受到的光强信息和距离信息进行分析并给出应答，同时该部分也可对保护器的相关参数进行设置调整。

佩戴器部分和显示控制装置部分之间的信息传输采用蓝牙透传模块，负责信息采集的佩戴器部分的蓝牙负责发送数据，显示控制部分的蓝牙负责接收数据。两部分系统功耗都较低，均可采用电池供电。

三、硬件设计

1、光强检测

光强检测采用光敏电阻传感器模块，此模块由光敏电阻和比较器组成，灵敏度可以调节，比较器采用LM393芯片，工作稳定。如图2所示，使用时VCC外接3.3V，数字量输出接口OUT（0和1）接STC15F104E的P0.1口。输出0表示没有达到预先设定的光强值，输出1表示已达到预设定光强值。使用者可根据自身需求，通过旋钮调节滑动电阻R2的大小以此来设定不同的光强报警阈值，精确简易。

2、距离检测

测距采用HC-SR04超声波模块。其性能稳定，测度距离精确，盲区为2cm，精度可达0.3cm。此模块感应角度不大于15°，探测距离为2cm～450cm，足够满足写字使用时距离范围和精度。

超声波模块工作操作步骤和距离计算方法如下：

(1)采用Trig（接STC15F104E的P0.2口）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Echo（接STC15F104E的P0.3口）输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，测试距离为：

其中，L—测试距离；

t—接收信号高电平持续时间；

vs—声速 340m/s。

由于普通阅读距离是30cm左右，由公式（1）可获得超声来回时间约为1.75ms左右。因此，距离检测的时间量级为毫秒级，单片机的晶振频率为8MHz，也就是可计时精度为微秒级，完全满足这一运算要求。

3、蓝牙通信模块

采用主从一体HM-11 串口蓝牙透传模块，其使用TI CC-2540/1芯片符合蓝牙4.0 BLE协议，超低待机功耗 90μA～400μA，只有一角硬币大小，减少佩戴器部分体积和功耗。同时，其支持通过AT指令进行主从设置，显示设置部分也使用其作为接收数据主机。

4、显示控制报警模块

显示控制部分使用LCD 12864进行显示，其5V背光亮度可调，不需额外供电，且自带中英文字库，可进行串行和并行控制。由于显示控制部分实时性要求并不高，因此使用串行控制。

按键采用4x4行列式按键，支持数字、确认、取消等操作，满足使用者进行光强、距离和使用时间的设定，超过设定值即进行语音报警。

语音报警采用SYN6288，引脚连接简单，如图3所示，可直接连接单片机。但由于蓝牙模块也使用串口进行设置和通信，因此，实际电路中增加了二选一数据选择器74LS158。

5、控制器部分

佩戴器部分使用SOP8封装的STC15F104E。这是一种增强型8051内核MCU，内部集成了2个16位可重装载定时器，芯片不需要复位电路，上电自复位，内部集成了R/C时钟，省去了外部晶振，可在线烧写程序并在烧写时可任意定义频率支持串口下载。其引脚只有8个，除了电源外全部是I/O口（6个）。P0.1连接光强检测模块，P0.2控制超声模块进行测量，P0.3接收超声模块的时间信息，RXD和TXD连接蓝牙透传模块。由于STC15F104E可以省去传统单片机的复位电路、外部晶振电路，且采用贴片封装，因此占用电路板面积非常小。又由于其低功耗设计，以每天使用2小时计算，3节AA电池可使用一个月。

控制显示部分则使用STC89C52。其使用经典的8051内核，内部有在系统可编程8k字节Flash，512字节RAM，32 位I/O口线。可通过串口（RxD/P3.0，TxD/P3.1）直接下载用户程序，无需专用编程器，方便开发。内部带4K字节EEPROM存储空间，用于存储设置的参数。工作频率范围0～40MHz，相当于普通8051 的0～80MHz，在进行LCD显示时有足够快的显示刷新速度。

四、软件设计

软件部分也分为佩戴器部分的程序和显示控制部分的程序，从而实现保护器的相关功能。当启动视力保护器时，佩戴器部分向显示控制端发送检测数据，显示控制端接收到数据则说明开始用眼，进行计时，否则停止计时。在佩戴器部分和显示控制端的数据传输过程中需设定相关的数据传输格式，如图4所示。

当视力保护器进入正常工作状态时，佩戴器部分发送0XAA 0XAA作为数据流的间隔和同步码，加以区分不同的信息帧，而后紧跟的高8位代表光强信息，低8位数据值直接对应为检测到的距离的大小，其单位为厘米。

1、佩戴器部分对应距离及光强的检测程序

戴在使用者头部的装置会实时地监测周围的光强以及使用者眼睛距离桌面的距离，并将其检测到数据以上述格式传送给显示控制端。如图5所示，单片机STC15F104E先从P3.1口读取光敏电阻传感模块输出的数值；然后采用查询方式进行距离检测，即由P3.2口发送Trig触发信号，当检测到P3.3口由低电平向高电平跳变时，启动Timer开始计数，当检测到P3.3口由高电平向低电平跳变时（若无，则返回重新检测），读取Timer的值，并计算出距离的数值，同时关闭定时器。此时，单片机STC15F104E会将P3.1的数值及计算出的出数据按照图4格式发送给蓝牙，如此循环。

2、显示控制端对应程序

（1）距离及光强的接收

在程序刚启动时，先发送测试数据，若能成功接收则启动定时器，并设置相应的中断flag，并触发菜单功能进入菜单界面。若不能成功接受测试数据，则重新进行测试。在主菜单界面，可设置相应的参数值。该产品对不同的使用者来说，会存在一定的个体化差异，因此可以在主菜单界面设置符合自己条件的相应参数，包括光强阈值、距离阈值、定时时长等。

显示控制器端接受由佩戴器部分传送过来的相关信息，并在显示屏上实时地进行相关数据的显示。若接受到的数据超过保护器事先所设定的阈值，则触发报警器进行语音提醒使用者注意坐姿及周围光强的调节。

（2）时间提醒程序

使用者在长时间用眼后会产生一定的疲劳，需要定时地放松。因此，使用定时器实现该功能，但定时器每次进入中断的时间间隔较短，需使用多次计数的方式达到较长时间的准确定时。具体是当定时器计满后进入中断，根据进入的次数判断是否达到设定时间。当计算出的数值达到使用者事先所设定的时间时，则报警标志置位，以使主程序中触发语音报警器提醒使用者进行休息，若没有达到则继续计时。

五、系统测试部分

光强传感部分由于没有进行数值化设置，因此只是从人眼感觉上进行测试。主要进行了光线处于适合用眼和不适合用眼的临界值进行测试，符合设计情况，并且不会由于系统长时间的运行发生漂移。

距离检测进行了摆放测试和实际佩戴测试。其中摆放测试为无干扰情况下使用白纸摆放在佩戴器中超声测距模块的发射路线上进行测量，精度达到0.1cm，满足设计要求。实际佩戴测试是直接佩戴后在工作环境下进行测试，即在佩戴器周边会有其他物品干扰，佩戴器进行转动，并以佩戴器前端延伸距离为标准距离。共进行6组，每组20次测试，如表1所示是每组数据的平均值。