专利名称：一种基于单片机的视力保护警示系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及视力保护系统，特别是涉及一种基于超声波测距的视力保护系统，该 系统用来保护电脑用户的眼睛。
背景技术：
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 系统，该系统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 系统对人体有益，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—种基于单片机的视力保护警示系统，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{曰息ο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 系统。该系统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)本系统低耗能、低成本。本产品批量生产成本能控制在15元以内。(4)本系统可以设计为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)本系统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。
图1为基于单片机的视力保护警示系统结构框图；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；
具体实施例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系统，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，为提高系统的测量精度，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&由电阻礼、&和电容C1决定，即& = 1.44/10^+2 )^],占空比 =
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(2，仅仅起到去耦合的作用，一般取O.OluF。此电路 简单实用，发射功率也不会太高，但实验表明，发射距离可达細。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&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IuF。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. 3uF0 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220kQ，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系统性功 能。单片机还设有常用的外围电路，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，系统进行初始化，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Ttl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Ttl，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^is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。
权利要求
1.一种基于单片机的视力保护警示系统，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系统，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系统，其特征在于所述阈值为 50-70cmo
4.根据权利要求3所述的基于单片机的视力保护警示系统，其特征在于所述阈值为 60cmo
5.根据权利要求1所述的基于单片机的视力保护警示系统，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系统，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。
全文摘要
本发明公开了一种基于单片机的视力保护警示系统，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。
文档编号G08B5/22GK102063778SQ201010536999
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月8日 优先权日2010年11月8日
发明者史景伦, 翁昌智, 陈灿鑫, 韦岗 申请人:华南理工大学