新型智能化超声波视力保护系统

胡景勤

摘要：为了保护青少年视力，实现视力保护智能化，采用STC89C52主控制器，HC-sr04超声波传感器测距原理，主控制器和报警装置，温度测量和时钟功能，LCD1602液晶显示屏。利用C语言编写程序，包括显示、超声波测距、光强检测、记录时间、语音报警、按键调光等模块。在使用者与书本距离、环境光照强度及学习时间超过设定健康范围，实施距离报警、光强报警及定时报警等功能，达到预防和保护视力目的。

关键词：智能化;STC89C52;视力保护;LCD1602;超声波传感器

中图分类号：TN98 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）11-0040-02

1背景

中华医学会杨智宽教授介绍，目前中国近视患者人数已多达6亿，7-12岁小学生、13-15岁初中生、16-18岁高中生及19-22岁大学生，其视力不良率分别为45.7%、74.4%、83.3%和87.7%。科学研究证实，儿童持续近距离用眼和户外活动时长等是造成近视的决定性因素，最关键问题是预防近视、控制低度发展为高度近视。本研究利用单片机控制超声波传感器等，时刻督促提醒要端正坐姿，眼睛距离书本一尺左右，胸前距离桌子一拳左右，握笔时手要握在离笔尖一寸处等，帮助青少年养成科学用眼习惯和视力保护意识。

2总体研究方案

2.1系统主控结构

如图1系统主控图，采用STC89C52控制LCD1602显示、DS13C887时钟芯片、DS18b20温度传感器等，利用超声波测距传感器测量使用者与台灯间距离。若使用者在一定范围内则无任何提示;若低于最小阈值时传感器发出一个反馈信号，单片机接受反馈信号则驱动报警装置提醒使用者;若高于最大阈值时台灯会自动切断电源达到节约能源目的。

2.2超声波测距原理

发射器发出超声波，遇到障碍物被反射回来，接收器接收返回波。主控制器开始计时，计算接收到返回波时间，以空气中波转播速度计算测试距离。显示当前时间，记录持续工作时间。显示环境温度，有效调控工作环境温度。手动调节灯光亮度，选择一个眼睛舒适亮度，达到保护眼睛效果。实时监控使用者坐姿，超声波模块实时测距;处于最低限度45cm以下，主控制器触发蜂鸣器报警，提醒使用者及时调整自己坐姿;处于最大限度2m以上时，系统会自动切断灯光电源。

3系统电路功能模块

3.1主控制器模块

根据系统需求，采用STC89C52单片机，作为智能视力保护控制器，实现系统自动报警提醒，处理超声波采集信号，处理DS18820所采集温度系数，显示到LCD屏上。如图2单片机最小系统，有中央处理器、程序存储器、数据存储器、定时/计数器、串行并行接口、和中断系统等，三大总线为数据总线、地址总线和控制总线，最核心是片内掩膜ROM型程序存储器。

3.2坐姿检测和LED按键模块

利用超声波传感器测距方案，以台灯到使用者胸前距离为一边，以使用者眼睛到桌面距离为另一边，利用勾股定理计算出第三条边。当检测到距离小于45cm时，触发报警装置提醒使用者及时调整坐姿，当大于2m时自动断开电源达到节能效果。如图3超声波模块电路，采用HC-SR04型号超声波传感器，包括超声波发射器、接收器与控制电路具有2cm-400cm非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm。

3.3报警电路模块

报警装置，采用无源蜂鸣器，是一种电子发声器，在电路中一般用字母‘H或‘HA表示。如图4报警电路图，利用三极管驱动蜂鸣器，实现报警提示功能。当检测到距离小于设定距离发出报警提示音，当大于最大设定距离断开电源。利用单片机定时功能，产生一个震荡脉冲方波，通过I/O口输出一个高电平使三极管导通，电流通过蜂鸣器时发出声音;当无振荡方波信号时，处于低电平三极管截止，没有电流流过蜂鸣器，不会发出报警声音。

3.4温度采集显示模块

温度传感器DS18820直接读取数字，在传感器上电状态下默认精度12位。如图5温度采集电路模块，在启动前保持低功耗等待状态，当需要测量温度或AD转换时，总控制器发出命令，以两个字节存储到高速暂存器中，传感器则继续保持等待状态。

LCD1602点阵型液晶显示，可以显示数字、字母、符号等，内部有复位电路及功耗较低等特点。LCD1602共16个管脚，在编写程序中用到数据命令选择端、R读写选择端、使能信号端等引脚，主要围绕这三个引脚进行初始化写命令写数据。

3.5时钟电路模块

DS12C887时钟芯片，是一款自带晶体振荡器和锂电池的时钟芯片，不会因外界断电而停止计时。它有两种总线模式，即MOTOROLA模式与INTEL模式，当引脚M选择接VCC选用MOTOROLA模式，当引脚M悬空或接地选用INTEL模式。时钟芯片也有两种供电方式，当VCC高于4.25V时接受外部程序控制，当VCC低于4.25V时进入写保护状态，同时输出呈高阻状态，当VCC低于3V时自动切换到内部电池供电。

4系统软件设计

如图5所示系统总流程图，采用C语言编写系统主体程序。当系统开始初始化，接着点亮LED和LCD1602显示屏，驱动温度传感器和时钟芯片，分别获取两个传感器信息。通过主控制器分析显示到LCD1602显示屏上，驱动HC-sr04开始测距，发射器发射信号，接收器收到反射信号，反馈给主控制器中计算被测距离。与程序所设定距离比较，如果小于设定距离给予报警器一个高电平，促使其发出警报并返回继续监测;如果处于设定范围则继续检测;如果大于最大检测范围，则默认为处于没有使用状态，自动断开电源达到节约能源的目的嘲。

5结束语

在硬件平台上，制作了一类基于STC89C52单片机的视力保护器，进行电路功能模块化设计，采用C语言编写程序易修改和挪用，可以运用到其他控制器上。经过系统测试后，可以实现各個模块功能。利用单片机制作视力保护器思想，可以实现视力保护智能化。视力保护系统研究，主要考虑到写字读书方面，进一步拓展开发应用，也可以适用于其他造成近视因素，比如长时间看电视、电脑，玩手机等。