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1、一种红外视力保护仪的设计方案 温美逊 张辉 张晋滔 广东第二师范学院 长沙师范学院 摘 要： 为了保持正确的阅读和书写姿势, 降低近视的发生率, 介绍了基于 STC15 单片机的一种红外视力保护仪的设计方案。以单片机作为主控制器, 采用电压比较器 LM393 和光敏电阻组成的光强检测电路、基于 MAX3100 的红外通信测距电路、蜂鸣器和发光二极管组成的报警电路等构成的一款视力保护仪。通过检测眼睛与书本或电子产品距离来调整坐姿, 以及对周围环境的亮度检测及时调节光源, 从而保护人们视力。实验证明, 在理想测试环境下, 该款仪器相对误差较小, 具有一定实用性。关键词： 红外测距; 视力保护; 光
2、强检测; 收稿日期：2017-10-31基金：广东第二师范学院 2017 年度大学生创新创业训练计划项目“基于单片机的红外视力保护仪的设计 (201714278020) ”支持Design of an Infrared Vision Protection InstrumentAbstract： A design of an infrared vision protection instrument based on STC15 microcontroller is introduced in this paper.Based on the single-chip processor as th
3、e main controller, the vision protection instrument consists of a light intensity detection circuit including a voltage comparator LM393 and a photosensitive resistor, an infrared communication ranging circuit based on MAX3100, an alarm circuit composed of a buzzer and a light-emitting diode, etc.By
4、 detecting the distance between eyes and books or other electronic products to adjust the sitting position, and detecting the brightness of surrounding environment, it can adjust the light source in time in order to protect peoples eyesight.Keyword： Infrared ranging; vision protection; light intensi
5、ty detection; Received： 2017-10-31本文提出了一种基于红外的视力保护仪的设计方案。1 系统的整体设计系统的整体设计包括 STC15 单片机组成的最小系统;由发射电路及接收电路组成简单的红外线测距电路, 作用是把接收到的红外转换成电信号输出, 是实现光电转换功能的灵敏器件;由光敏电阻和 LM393 变压器组成的光线检测电路;由蜂鸣器构成的报警电路。硬件的组成如图 1 所示。图 1 系统的组成框图 下载原图其中, STC15 芯片作为主控核心芯片控制各个模块, 红外测距传感器尾部有一个电位器, 可以调节感应距离, 050cm 左右。当红外测距传感器测的距离小于电位器
6、所调节距离时, 发光二极管发光, 同时蜂鸣器响提示, 提醒使用者眼睛靠近物体太近, 坐姿不合理。当光敏电阻接收过强或过弱的光线时, 蜂鸣器提示, 同时二极管发光;七段数码管用来显示时间, 当时间定时到 40 分钟时, 二极管自动发光, 蜂鸣器发音提示, 此刻提醒使用者应该休息。当使用者自行按下开关键, 系统又重新开始工作。2 硬件模块设计2.1 微处理器采用 STC15F2K60S2 作为系统的中央处理器。该单片机属于增强型的 8051 内核, 速度比传统 8051 单片机快 8 到 12 倍, 内部集成了 8 通道 10 位 ADC 和高精度的RC 时钟电路, 在常温工作时, 可以省略外部晶
7、振电路4。2.2 红外线传感器模块对于红外线传感器, 可以采用时间差距法、反射能量法、相位测距法、三角测距法四种常用的方法。其中时间差距法和反射能量法相比于相位测距法和三角测距法操作较简单、成本较低。由于人们在看书或是面对电子产品时, 眼睛跟物品的正确距离应保持 3035cm 的距离, 所要测的距离相对要小。而时间差距法是根据发射波与反射波之间的时间差来求出距离, 不适用于测量距离短的场合。因此本文采用结构简单、体积小、成本低的反射能量法来进行测距。反射能量法的工作原理是红外线传感器的发射电路采用脉时调制 PPM 方式, 将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列, 并驱动红外发射管以光脉冲的形
8、式, 发射 950mm 近红外波段的红外线, 经过物体表面反射后, 信号被红外接收管接收, 转换成电信号, 再经过放大、滤波等处理后送入解调电路进行解调, 还原为二进制数字信号, 并通过显示电路显示对应的距离。实现这个功能主要靠微处理器内部的计时器和时钟振荡器。红外线波长较长, 波长范围为 0.8100m, 不易被吸收, 易反射。设计中采用Maxim 公司生产的通用异步收发器 UART 芯片 MAX3100, 其光谱响应有选择性, 只对短于某一特定波长的红外辐射有响应。其测距公式5为:其中 C 为真空光速, t 为红外光线从发出到接收的传输时间。由于单片机本身并不具备红外通信接口, 但是可以利
9、用单片机的串行接口与片外的红外发射和接收电路组成一个应用于单片机系统的红外串行通信电路, 如图 2 所示。其中, 地址分配和连接安排如下:DIN 连接单片机的 P1.1 引脚, 串行数据输入;DOUT 连接单片机的 P1.0 引脚, 串行数据输出;SCLK 连接单片机的P1.2 引脚, 串行时钟输入;CS 连接单片机的 P1.3 引脚, 片选;IRQ 连接单片机的 INT0 引脚, 低电平中断申请输出。图 2 红外串行通信接口电路 下载原图2.3 光线强弱检测模块主要运用到 LM393 电压比较器、光敏电阻和发光二极管。光敏电路中, 光敏电阻 R2 的阻值变化跟电阻 R3 进行分压, 得到的电
10、压值传送给 LM393 进行电压比较, 再通过调节可变电阻 R1 就可以实现光线的调节。如图 3 所示, R1 两端的电压为基准电压 U1, 光敏电阻器两端电压为 U2, R3 的两端电压为 U3。其工作原理如表 1 所示。表 1 光照强度与 LED 灯状态关系 下载原表 图 3 光强检测电路 下载原图2.4 报警模块图 4 声光报警模块电路 下载原图报警模块主要用的是蜂鸣器, 在设计中, 如果视距小于调节设定的距离时或光线亮度不合理时, 蜂鸣器就会响。当 P1.3 输入为高电平时 (测出距离小于规定距离) , 晶体三极管截止。蜂鸣器不工作;当输入为低电平时, 蜂鸣器发出警报, 并伴随着二极管
11、发光。其原理图如图 4 所示。2.5 显示模块采用四位一体数码显示管和发光二极管。通过单片机对时间进行设定。一旦达到设定的时间, 数码管和发光二极管、蜂鸣器同时进行工作。能够快速显示出所测量的距离。可以使用一个集成显示译码器来控制数码管显示, 输入是8421BCD 码, 输出的是驱动七段发光二极管显示字形的信号。3 实测结果通过调节将红外测距的视距设置为 34cm, 也就是眼和书本的安全距离, 经过 29组的数据测量, 绘制测量数据折线图如图 5 所示。经过计算, 29 组数据的最大值为 35.6cm, 最小值为 32.5cm, 平均值为 34.20345cm, 相对误差为 0.598%, 效
12、果相当的好。以上数据是在传感器与书本表面呈固定夹角, 环境光线稳定不变动, 坐姿正确无偏移, 书本为白底黑字的传统纸质书等较为理想情况下测得的, 考虑到实际使用环境的多样性, 相对误差将有较大出入。图 5 视力保护仪实测误差分析 下载原图4 结束语设计充分应用 51 单片机加上一些外部电路, 成本低, 易于制作, 能够在一定程度上缓解人们因工作、学习和娱乐带来的视力问题。在使用者坐姿不合理, 工作、学习或电子设备娱乐时间过长的情况下能及时提醒, 使用者可以及时调整自己的坐姿, 并且进行适当的休息。参考文献1陈虎, 范丽第.第 6 次全国青少年体质与健康调研结果的研究与分析J.安徽体育科技, 2012, 33 (1) :42-45 2刘宇琛.北京市小学生视力情况的调查研究以北京市西城区某小学学生为调查样本J.考试周刊, 2017 (47) :194-196 3黄馨慧, 王明进, 何鲜桂, 等.184 名 812 岁儿童不同阅读距离及阅读时间调节滞后和调节反应的观察J.川北医学院学报, 2017, 32 (1) :33-37 4许粲羚.红外防近视仪的设计研究J.科技传播, 2012 (6) :52-53 5谢锋云.基于红外测距技术的预防近视系统设计J.齐齐哈尔大学学报 (自然科学版) , 2011, 27 (6) :1-3
