CN102063778A

CN102063778A - 一种基于单片机的视力保护警示***

Info

Publication number: CN102063778A
Application number: CN 201010536999
Authority: CN
Inventors: 史景伦; 陈灿鑫; 韦岗; 翁昌智
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2010-11-08
Filing date: 2010-11-08
Publication date: 2011-05-18

Abstract

本发明公开了一种基于单片机的视力保护警示***，包括依次连接的超声波测距模块、接口电路模块和计算机；超声波测距模块包括单片机、超声波发射电路和超声波接收电路；超声波发射电路和超声波接收电路分别与单片机信号连接；单片机产生控制信号，控制超声波发射电路发射出超声波，单片机内部的定时器启动，超声波遇到计算机的显示屏反射回来，经超声波接收电路接收，测量出超声波信号从发出到接收所花的时间；进而计算得到人脸和屏幕之间的距离；计算机将获得测量的距离与设定的阈值进行比较，如该距离小于允设定的阈值，在计算机屏幕上弹出警告信息，达到保护用户眼睛的目的，为用户带来健康、完善的使用体验。

Description

一种基于单片机的视力保护警示***

技术领域

本发明涉及视力保护***，特别是涉及一种基于超声波测距的视力保护***，该***用来保护电脑用户的眼睛。

技术背景

人的眼睛是大脑与外界景象联系的窗口，保护眼睛的视力非常重要。随着电脑的普及和物质生活水平的提高，人们对电脑的使用时间越来越长，要求也越来越高，有必要设计一种设备，提供人性化的应用功能，在一定程度上达到保护用户眼睛的目的，从而为用户带来更健康、更完善的使用体验。

目前市场上测距的主要技术有通过聚焦测距，2008年1月10日，中星微电子全球首推PC摄像头智能“测距”新技术，实现人性化的保护用户眼睛的功能，该技术运用聚焦测距实现保护用户视力的功能，但该项技术成本较高，价格比较昂贵，而且获取图像后的处理也比较麻烦，并且修改参数时也不支持密码使用。

目前，超声波传感器大致可以分为两类：一类是用电气方式产生的超声波，一类是用机械方式产生的超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。在工程中，目前较为常用的是压电式超声波传感器。压电式超声波传感器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。压电式超声波发生器的内部有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，且其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时即为超声波接收器。

发明内容

本发明的目的就是在基于超声波的基础上，提供一种基于超声波测距的视力保护***，该***在达到保护用户眼睛的目的同时，为用户带来更健康、更完善的使用体验，该***对人体有益，使人感觉放松，能减轻现代人学习工作生活的压力。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种基于单片机的视力保护警示***，包括依次连接的超声波测距模块、接口电路模块和计算机；所述接口电路模块为USB接口电路、串行接口电路或并行接口电路；所述超声波测距模块包括单片机、超声波发射电路和超声波接收电路；所述超声波发射电路和超声波接收电路分别与单片机信号连接；单片机产生控制信号，控制超声波发射电路发射出超声波，单片机内部的定时器启动，超声波遇到计算机的显示屏反射回来，经超声波接收电路接收，超声波接收电路产生接收信号用作单片机内部的定时器的输入捕捉标志，测量出超声波信号从发出到接收所花的时间；进而计算得到人脸和屏幕之间的距离；计算机将获得测量的距离与设定的阈值进行比较，如该距离小于允设定的阈值，在计算机屏幕上弹出警告信息。

为进一步实现发明目的，所述超声波测距模块还包括显示电路和温度补偿电路；所述显示电路和温度补偿电路分别与单片机信号连接。

所述阈值优选为50-70cm。所述阈值进一步优选为60cm。

所述超声波发射电路优选采用NE555定时器多谐振荡器电路方式连接。

所述接口电路模块优选为USB接口电路、串行接口电路或并行接口电路。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)本发明在基于超声波测距的基础上，提供具有为大众所接受的电脑眼睛保护***。该***提供人性化的应用功能，一定程度上达到保护用户眼睛的目的，从而为用户带来更健康、更完善的使用体验。

(2)小功率间歇性的超声波对人体有益，使人感觉放松，能有效减轻人们学习工作生活的压力。

(3)本***低耗能、低成本。本产品批量生产成本能控制在15元以内。

(4)本***可以设计为USB接口或者直接集成到显示器上，提供多样化的产品，以供用户选择。

(5)本***的界面设计较为人性化，警示界面友好，并且提供数据修改、密码保护等功能，更加完善。

附图说明

图1为基于单片机的视力保护警示***结构框图；

图2为图1中超声波测距模块结构框图；

图3为图2的超声波发射电路；

图4为图2的超声波接收电路；

图5为图2的单片机控制电路；

图6为单片机控制程序流程；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围。

如图1所示，基于单片机的视力保护警示***，包括依次连接的超声波测距模块、接口电路模块和计算机；通过一个超声波测距电路间歇性地发出小功率的超声波，利用时间差原理计算得到人脸和算机的显示屏之间的距离；通过接口电路模块连接超声波测距模块和计算机，使计算机获得超声波测距模块测量的距离；计算机将获得测量的距离与设定的阈值进行比较，如该距离小于设定的阈值，在计算机的显示屏上弹出相应警告信息，从而达到保护用户眼睛的目的。该阈值为眼睛到计算机的显示屏合理的距离，优选50-70cm，进一步优选60cm。

接口电路模块根据需要可以设计成USB接口、串行接口或并行接口。USB接口支持热插拔，可以提供电源，而且移动性强，比较为大众所接受；串行接口在当今的计算机上越来越少应用，虽然它比较简单，但是不太适用；并行接口的好处是可以将超声波测距模块内置在显示器上，利用显示器与主机的并行接口与计算机进行通信，也是一个不错的选择。

如图2所示，超声波测距模块包括单片机3、超声波发射电路1、超声波接收电路2、显示电路5和温度补偿电路4。超声波发射电路1、超声波接收电路2、显示电路5和温度补偿电路4分别与单片机3信号连接；在单片机3产生复位信号后，产生一个控制信号，控制超声波发射电路1产生间歇性的40kHz的驱动方波，加到超声波发射器后发射出频率为40kHz的超声波。同时，单片机3内部的定时器启动，超声波遇到计算机的显示屏反射回来后，经超声波接收电路2接收，由超声波接收电路2处理后产生一个接收信号，用来作为单片机内部的定时器的输入捕捉标志，从而测量出超声波信号从发出到接收所花的时间，进而测量出人脸和屏幕之间的距离。同时，由于电路温度对声速的影响，若不进行补偿，将会带来一定的测量误差，为提高***的测量精度，设计了温度补偿电路。温度补偿电路主要包括常见的数字温度传感器。由温度补偿电路4测得当前的环境温度，读入单片机3，然后经单片机3处理，计算出更为精确的声速，以获得更为精确的距离，并在显示电路5上显示相应的距离测量值以及当前温度。为提高用户对距离的感知程度，超声波测距模块中增加了显示电路，显示电路主要是数码管或者液晶显示屏等小型显示器件，在获得距离的同时，可以让用户获得室温信息，一举两得。

如图3所示，超声波发射电路利用NE555定时器产生40kHz的驱动方波。采用经典的NE555多谐振荡器电路连接方式。超声波发射电路的NE555定时器的4号引脚与单片机3连接，振荡频率f₀由电阻R₁、R₂和电容C₁决定，即f₀＝1.44/[(R₁+2R₂)C₁]，占空比＝[(R₁+R₂)/(R₁+2R₂)]100％。各个元件采用图中的参数，NE555定时器可产生超声波发射的40kHz驱动方波信号，在3号引脚(OUT)输出。单片机3的控制信号由NE555定时器的4号引脚(RESET)输入，可控制产生间歇的驱动方波，从而驱动超声波发射器产生间歇的超声波。NE555定时器5号引脚外接电容C₂，仅仅起到去耦合的作用，一般取0.01uF。此电路简单实用，发射功率也不会太高，但实验表明，发射距离可达4m。

如图4所示，超声波接收电路采用与发射器配对的超声波接收器，将超声波调制脉冲变为交变电压信号。接收信号的处理采用红外接收芯片CX20106A，接收信号由1号引脚输入，信号的增益由2号引脚外接的电阻R₃ 和电容C₃决定，电阻R₃越小电容C₃越大，增益越高，但电容C₃过大会造成频率特性变差，一般取1uF。3号引脚连接检波电容，检波电容C₄过大则灵敏度过低，电容过小虽灵敏度较好，却容易造成误检测，一般取值3.3uF。5号引脚外接电阻R₄，用来设置带通滤波器中心频率，阻值越大频率越低，图中取220kΩ，中心频率为38kHz，与40kHz超声波的频率相近。6号引脚外接积分电容C₅，其取值过大会使检测距离缩短，一般取330pF。7号引脚为输出引脚，当输入信号的幅度落在其中心频率上时，该引脚由高电平跃变为低电平，此电平作为接收的中断信号。

单片机实现控制发射接收，温度测量，距离测量，显示以及与电脑通信的***性功能。单片机还设有常用的***电路，如供电电路，复位电路，单片机3型号选择STC89C51；显示电路可以采用数码管或者液晶显示屏，也可省掉这一硬件模块，利用用户界面显示在计算机的显示器上；数字温度传感器采用数字温度传感器DS18B20；USB接口电路方面，由于设备只需把测量到的数据传送到USB接口，而不需要从计算机那里获取数据，因此可以使用USB转串口芯片CP2101，该芯片可将计算机的USB接口变成单片机可直接使用的串口。

如图5所示，单片机控制过程为：首先，***进行初始化，然后，每2秒钟执行以下操作：

1.读取温度传感电路测得的温度值，转化成数据格式并存储起来。

2.单片机控制超声波发射电路发射2ms的超声波，同时启动T₀计时器。

3.等待中断信号，即等待回波的接收信号。

4.单片机接收到中断信号后，进入中断服务程序，关闭T₀，计算超声波发射到接收的时间，再利用温度信息对声速进行补偿，算出最终测得的距离。

5.单片机将测得的距离发送到USB接口。

6.每隔4ms执行一次显示子程序，刷新数码管。

如图6所示，定义一个计数器，计算机3不断读取USB口的数据，有数据送来时将它与设置好的最小距离比较，如果连续十次或十次以上(即超过20s)小于最小距离时，弹出警示窗口，否则返回后计数器清0，这样可以避免用户偶然进入警示距离时产生误报，又可保证对用户起到警示作用。另外，用户界面还提供数据修改、密码保护等功能，并可以根据需要选择是否在显示器上显示距离。

本发明还有其它的实施方案，如超声波发射可以采用其它方波发生电路，超声波接收处理可以采用音频译码集成芯片；显示电路可以采用液晶显示屏或者直接在电脑屏幕上显示；接口电路可以根据需要采用串行接口或者并行接口，也可以直接集成到显示器中。

以上内容时是结合具体的优选方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应视为由本发明所提交的权利要求书确定的专利范围内。

Claims

1.一种基于单片机的视力保护警示***，其特征在于，包括依次连接的超声波测距模块、接口电路模块和计算机；所述接口电路模块为USB接口电路、串行接口电路或并行接口电路；所述超声波测距模块包括单片机、超声波发射电路和超声波接收电路；所述超声波发射电路和超声波接收电路分别与单片机信号连接；单片机产生控制信号，控制超声波发射电路发射出超声波，单片机内部的定时器启动，超声波遇到计算机的显示屏反射回来，经超声波接收电路接收，超声波接收电路产生接收信号用作单片机内部的定时器的输入捕捉标志，测量出超声波信号从发出到接收所花的时间；进而计算得到人脸和屏幕之间的距离；计算机将获得测量的距离与设定的阈值进行比较，如该距离小于允设定的阈值，在计算机屏幕上弹出警告信息。

2.根据权利要求1所述的基于单片机的视力保护警示***，其特征在于：所述超声波测距模块还包括显示电路和温度补偿电路；所述显示电路和温度补偿电路分别与单片机信号连接。

3.根据权利要求1所述的基于单片机的视力保护警示***，其特征在于：所述阈值为50-70cm。

4.根据权利要求3所述的基于单片机的视力保护警示***，其特征在于：所述阈值为60cm。

5.根据权利要求1所述的基于单片机的视力保护警示***，其特征在于：所述超声波发射电路采用NE555定时器多谐振荡器电路方式连接。

6.根据权利要求1所述的基于单片机的视力保护警示***，其特征在于：所述接口电路模块为USB接口电路或并行接口电路。