張文玥， 王曉飛， 孫沛詩， 江 濤

(北京信息科技大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100192)

0 引 言

目前我國的近視率排名世界第二，小學生近視率達34.17%，中學生為56.59%，而大學畢業(yè)時的近視率高達73.9%，青少年的視力問題日趨嚴峻。權(quán)威研究指出，書寫、讀書的姿勢不正確、光線的過弱或過強是導致近視的最主要原因。若能將其學習和工作時的環(huán)境光照度和坐姿控制在保護視力的最佳條件下，將會大大降低近視率。

傳統(tǒng)的臺燈亮度是一定的，不能隨環(huán)境光的變化而自動進行調(diào)整；現(xiàn)階段的視力保護系統(tǒng)設計雖增加了檢測和報警功能，但未與臺燈相結(jié)合。本文的視力保護系統(tǒng)，使臺燈擁有根據(jù)環(huán)境光自動調(diào)節(jié)亮度、檢測人體坐姿、聲光報警等功能，從而保護了使用者的視力，降低近視率。

1 系統(tǒng)方案設計

視力保護系統(tǒng)整體設計框圖如圖1所示。系統(tǒng)硬件主要由光照度檢測傳感器、距離檢測傳感器、STC90C516RD+單片機測控電路、顯示電路和聲光報警電路組成，采用C語言編寫目標系統(tǒng)軟件。光照度檢測傳感器實時監(jiān)測環(huán)境光照度并轉(zhuǎn)換為電信號，信號調(diào)理電路對該信號進行濾波放大處理，然后通過A/DC采集并傳輸?shù)絾纹瑱C中。按鍵可實現(xiàn)自動模式和手動模式的切換。距離檢測感器檢測到的距離與設定值進行對比，若在規(guī)定范圍內(nèi)，則LCD顯示測量值；否則，顯示的同時進行聲光報警。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 光照度檢測電路

光照度檢測傳感器將光照度轉(zhuǎn)換成電流輸出，電流范圍大約為0.1～0.3 mA，設計一個流壓轉(zhuǎn)換電路，將電流轉(zhuǎn)換為電壓并進行放大，如圖2所示。

圖2 光照度檢測電路

光照度檢測傳感器輸出電流I和運算放大器輸出電壓U關系式為：

U=500×I

(1)

將光照度檢測傳感器產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)換為電壓同時將其放大，該信號進入后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換器及CPU，以實現(xiàn)光照度的采集與測量。

2.2 距離檢測電路

距離檢測電路(見圖3)采用HC-SR04模塊，模塊包括超聲波發(fā)生、接收與控制電路。其基本工作原理為I/O口TRIG觸發(fā)測距，給至少10 μs的高電平信號；模塊自動發(fā)送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過I/O口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。

圖3 距離檢測電路

計算公式為：

D=ct/2

(2)

式中:D為距離檢測傳感器與被測物之間的距離(m)；c為聲波在介質(zhì)中的傳輸速率(m/s)；t為發(fā)送超聲波到接收超聲波的時間(s)。

2.3 單片機數(shù)據(jù)采集及顯示電路

本設計是以STC90C516RD+單片機為控制核心，檢測高電平持續(xù)的時間，即超聲波從發(fā)射到返回的時間，進行運算處理得出距離，LCD實時顯示此時的距離。通過鍵盤輸入確定臺燈亮度調(diào)節(jié)模式，取樣測光電路輸出的電壓值，通過A/D轉(zhuǎn)換器饋送給單片機，單片機進行調(diào)整處理，將電壓值轉(zhuǎn)化為相應的光照度，液晶屏實時顯示此時的環(huán)境光照度。利用周期方波高電平持續(xù)的長短來改變輸出到臺燈的模擬電壓大小，實現(xiàn)控制臺燈的亮暗。圖4所示為單片機數(shù)據(jù)采集及顯示電路。

圖4 單片機數(shù)據(jù)采集及顯示電路

A/D轉(zhuǎn)換是通過PCF8591的I2C總線通信實現(xiàn)。PCF8591是一種具有I2C總線接口的8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，在與單片機的信息傳輸過程中僅靠時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA就可以實現(xiàn)，因PCF8591芯片內(nèi)部有時鐘電路，只要在外部它們分別與單片機的P2.1和P2.0口連接。設計中主要是將硅光電池光電轉(zhuǎn)換的來的電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，讓單片機進行讀取并判斷電壓大小，以此來反映光照度的大小。

設計中主要用到了4個按鍵，都是相互獨立按鍵，“Automatic”鍵控制自動模式，“Manual”鍵控制手動模式，進入手動模式后按下“+”鍵光亮增加，按下“-”鍵光亮減小。這4個鍵分別與單片機的P1.1～P1.4口連接。本設計液晶顯示選用了LCD1602液晶屏，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等點陣型液晶模塊。設計中主要通過此電路來顯示人體與臺燈之間的距離和環(huán)境光照度。LCD1602的數(shù)據(jù)線D0-D7口通過鎖存器分別和單片機的P0.1-P0.7口連接，其RS、E端口分別與單片機P2.6和2.7口相連。

2.4 聲光報警電路

如圖5所示，當傳感器測得距離值小于給定數(shù)值時,單片機給出一個低電平信號，三極管導通，蜂鳴器發(fā)出聲音報警，發(fā)光二極管被點亮，達到提醒臺燈使用者調(diào)整坐姿保護視力的目的。

圖5 聲光報警電路

3 軟件系統(tǒng)設計

軟件系統(tǒng)設計流程圖如圖6所示。首先，實時檢測傳感器到人體的距離(cm)并顯示，如果距離小于25 cm，進行聲光報警，提醒使用者調(diào)整坐姿；否則，僅進行距離顯示。

設置了自動和手動調(diào)節(jié)模式，通過單片機C語言編程，利用條件嵌套語句循環(huán)檢測按鍵，四個按鍵的功能設定如下：“Automatic”鍵——自動調(diào)節(jié)亮度模式，采用脈寬調(diào)制技術(shù)(Pulse Width Modulation，PWM)，通過周期方波高電平持續(xù)的長短來改變模擬電壓的大小，高電平持續(xù)的時間越長，模擬電壓越大；高電平持續(xù)的時間越短，模擬電壓越小。系統(tǒng)實時檢測環(huán)境光，判斷是否在700～1 000lx范圍內(nèi)，小于自動增加光亮，大于則減小光亮，使燈光亮度始終保持在最佳范圍?！癕anual”鍵——手動調(diào)節(jié)亮度模式，用戶根據(jù)自身對臺燈亮度的需求進行調(diào)節(jié)?！?”鍵——增強亮度，“-”鍵——減弱亮度。

圖6 軟件系統(tǒng)設計流程圖

4 測量數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

將光照度計檢測到的環(huán)境光照度作為相對值；光照度檢測傳感器通過液晶屏顯示的數(shù)值作為系統(tǒng)測量值，計算相對誤差，部分實驗數(shù)據(jù)如表1所示。多次測量結(jié)果表明：測量相對誤差<2%；700 lx和1 000 lx臨界點測量誤差<1%。

在自動模式下，環(huán)境光照度小于700 lx時，臺燈亮度自動變亮，大于1 000 lx時臺燈亮度自動變暗，在700～1 000 lx之間時，臺燈亮度不變；在手動模式下，臺燈亮度只通過“+”鍵、“-”鍵來調(diào)節(jié)。

表1 光照度測量數(shù)據(jù)

利用刻度尺測量人體與臺燈之間的距離，與坐姿檢測傳感器通過液晶屏顯示的數(shù)值進行比較，計算相對誤差。相對誤差<2%；臨界點25 cm測量誤差為零。當距離<25 cm時，實現(xiàn)聲光報警。實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 距離測量

5 結(jié) 語

視力保護系統(tǒng)的設計是將傳感器、單片機與臺燈有機結(jié)合，可將環(huán)境光照度控制在700～1 000 lx范圍內(nèi)，提供適于人眼的環(huán)境光照度；另外還可以提示人體保持適宜距離，從而達到保護視力的目的。