多功能视力保护装置及其使用方法与流程

本发明多功能视力保护装置及其使用方法，属于视力保护装置技术领域。

背景技术：

目前我国青少年近视率居世界之首，小学生近视率为26.96%，初中生为53.43%，高中生为72.8%，大学生为77.95%，学生视力低下的状况令人担忧，而写字看书姿势不正确、看书光线环境不符合要求、看书写作业时间太长是导致近视的主要原因。

近年来针对近视的治疗水平不断提高，但往往存在治疗风险大，治疗成本高，治疗效果不稳定的问题，因此解决近视问题最好的方法在于预防或缓解；目前市面上已出现一系列近视预防的用眼行为矫正产品，这些产品在使用过程中由于功能单一，并不能起到很好的近视预防作用，另外产品结构复杂，安装与使用过程困难，使其不利于推广，用户经常由于不会设置参数导致产品起不到应有的保护视力的作用；因此需要对现有视力保护装置进行一定程度的改进。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种多功能视力保护装置硬件结构及其使用方法的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：多功能视力保护装置，包括装置壳体，所述装置壳体的顶部设置有光线感应模块，所述装置壳体的正面设置有lcd显示屏，所述lcd显示屏的下侧设置有超声波测距模块和声光报警模块，所述装置壳体的底部还设置有控制按键和电源模块；

所述装置壳体的内部设置有控制电路板，所述控制电路板上集成有中央控制器，所述中央控制器通过导线与lcd显示屏、控制按键相连；

所述中央控制器的信号输入端与超声波测距模块相连；

所述中央控制器的信号输出端与声光报警模块相连；

所述中央控制器的电源输入端与电源模块相连；

所述中央控制器的信号输入端还连接有ad转换模块，所述ad转换模块与光线感应模块的信号输出端相连；

所述中央控制器还连接有无线通信模块，所述无线通信模块通过无线网络与监控终端相连。

所述中央控制器中使用的芯片为控制芯片u1，所述ad转换模块中使用的芯片为转换芯片u2；

所述中央控制器的电路结构为：

所述控制芯片u1的1脚至3脚、32脚至39脚均与lcd显示屏的信号输入端相连；

所述控制芯片u1的4脚与声光报警模块相连，所述控制芯片u1的4脚串接电阻r1后与三极管q1的基极相连，所述三极管q1的发射极与vcc电源输入端相连，所述三极管q1的集电极并接电阻r4的一端后与蜂鸣器b1的正极端相连，所述电阻r4的另一端与发光二极管d1的正极相连，所述发光二级管d1的负极并接蜂鸣器b1的负极端后接地；

所述控制芯片u1的5脚、6脚、7脚均与ad转换模块相连，所述控制芯片u1的5脚与转换芯片u2的1脚相连；

所述控制芯片u1的6脚与转换芯片u2的7脚相连；

所述控制芯片u1的7脚并接转换芯片u2的5脚后与转换芯片u2的6脚相连；

所述转换芯片u2的8脚与vcc电源输入端相连；

所述转换芯片u2的2脚并接电阻r6的一端后与光敏电阻gr1的一端相连，所述光敏电阻gr1的另一端与vcc输入电源相连，所述电阻r6的另一端接地；

所述控制芯片u1的9脚与复位电路相连，所述控制芯片u1的9脚并接电阻r3的一端，有极电容c1的负极后与复位开关s1的一端相连，所述复位开关s1的另一端并接有极电容c1的正极后与vcc输入电源相连，所述电阻r3的另一端接地；

所述控制芯片u1的12脚、13脚均与超声波测距模块相连；

所述控制芯片u1的15脚、16脚、17脚均与控制按键相连；

所述控制芯片u1的18脚并接晶振y1的一端后与电容c2的一端相连，所述控制芯片u1的19脚并接晶振y1的另一端后与电容c3的一端相连，所述电容c2的另一端并接电容c3的另一端后接地；

所述控制芯片u1的21脚、22脚均与无线通信模块相连。

所述无线通信模块中使用的芯片为无线通信芯片u3，所述无线通信模块的电路结构为：

所述无线通信芯片u3的4脚、5脚均与中央控制器相连；

所述无线通信芯片u3的7脚接3.3v输入电源；

所述无线通信芯片u3的8脚接地；

所述无线通信芯片u3的9脚并接晶振x1的一端，电阻r11的一端后与电容c11的一端相连，所述电容c11的另一端接地；

所述无线通信芯片u3的10脚并接晶振x1的另一端，电阻r11的另一端后与电容c12的一端相连，所述电容c12的另一端接地；

所述无线通信芯片u3的11脚依次并接电容c13的一端，电容c14的一端后与电感l3的一端相连，所述电容c13、c14的另一端均接地；

所述无线通信芯片u3的12脚并接电感l2的一端，电容c15的一端后与电感l3的另一端相连，所述电容c15的另一端接地；

所述无线通信芯片u3的13脚并接电感l2的另一端，电容c16的一端后与电感l1的一端相连，所述电感l1的另一端与电容c17的一端相连，所述电容c17的另一端并接电容c18的一端后接通信天线e1，所述电容c16、c18的另一端均接地；

所述无线通信芯片u3的14脚接地；

所述无线通信芯片u3的15脚并接无线通信芯片u3的18脚，电容c20的一端，电容c19的一端后接3.3v输入电源，所述电容c20、c19的另一端均接地；

所述无线通信芯片u3的16脚与电阻r12的一端相连；

所述无线通信芯片u3的17脚并接电阻r12的另一端后接地；

所述无线通信芯片u3的19脚与电容c21的一端相连；

所述无线通信芯片u3的20脚并接电容c21的另一端后接地。

所述电源模块中使用的芯片为稳压器u4，所述电源模块的电路结构为：

所述稳压器u4的3脚并接电容c22的一端后接5v输入电源，所述稳压器u4的2脚并接电容c23的一端，电容c24的一端后接3.3v电源输出端，所述稳压器u4的1脚并接电容c22的另一端，电容c23的另一端，电容c24的另一端后接地。

所述控制芯片u1的型号为stc89c52；

所述转换芯片u2的型号为adc0832；

所述无线通信芯片u3的型号为nrf24l01；

所述稳压器u4的型号为spx1117；

所述lcd显示屏的型号为lcd1602；

所述超声波测距模块的型号为hc-rs04。

多功能视力保护装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：将装置壳体放置在桌面上，使装置壳体距离用户身体为固定距离，同时使装置壳体上设置的光线感应模块可以采集到桌面环境的光照数据；

步骤二：用户打开装置电源，装置内部系统进行初始化操作，初始化完毕后，用户可以通过操作控制按键依次设定光线强度数据的上限值及下限值、用眼最长时间、身体与超声波测距模块距离数据的下限值；上述参数设定完毕后，操作控制按键的程序执行按键，装置即开始监控用户用眼状态；

步骤三：当出现用户用眼环境中的光线强度大于预设上限值，或小于下限值时，光线感应模块通过ad转换模块向中央控制器反馈采集到的光线数据存在异常，中央控制器将向声光报警模块发送报警信号触发声光报警；此时用户需要根据具体光线照射情况进行相应调整，使光线感应模块采集到符合预设参数的光线强度数据，使声光报警模块停止报警；

当用户学习时间超过预设的用眼最长时间时，中央控制器将向声光报警模块发送报警信号触发声光报警；此时用户需要进行一段时间的休息，同时重新调整设置新一轮用眼最长时间，使声光报警模块停止报警；

当出现用户身体与装置的超声波测距模块距离小于预设的下限值时，超声波测距模块向中央控制器反馈采集到的距离数据存在异常，中央控制器将向声光报警模块发送报警信号触发声光报警；此时用户需要让身体远离超声波测距模块一定距离，使超声波测距模块采集到符合预设参数的距离数据，使声光报警模块停止报警；

步骤四：当用户做出上述调整，实现控制声光报警模块停止报警后，视力保护装置进入新一轮用眼状态监控流程，继续对用眼光照环境、用眼时间、用眼距离数据进行实时监控。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明对现有近视预防装置及系统进行改进，同时将用眼环境光线感应，用眼坐姿矫正，用眼时间监控等功能集成在一部装置内，结构紧凑简单，生产成本低；用户结合使用上述功能可以达到预防近视的目的，本发明用非医药的方法去防范不良习惯对视力的影响，比如从用眼的时间、灯光的强度、眼睛与书本的距离等方面进行实时监控，从而解决因长期不健康的用眼习惯而导致的近视、斜视、脊椎弯曲变形等问题；用户通过操作装置上的按键预设监控的参数范围，使得在用眼过程中，当相应的用眼环境参数变化超出预设参数时装置自行报警，提示用户尽快做出相应调整，使用简单方便，可推广使用。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的电路结构示意图；

图3为本发明中央控制器的电路图；

图4为本发明无线通信模块的电路图；

图5为本发明电源模块的电路图；

图6为本发明的使用步骤流程图；

图7为本发明的使用状态示意图；

图中：1为装置壳体、2为光线感应模块、3为lcd显示屏、4为超声波测距模块、5为声光报警模块、6为控制按键、7为电源模块、8为中央控制器、9为ad转换模块、10为无线通信模块、11为监控终端。

具体实施方式

如图1至图5所示，本发明多功能视力保护装置，包括装置壳体（1），所述装置壳体（1）的顶部设置有光线感应模块（2），所述装置壳体（1）的正面设置有lcd显示屏（3），所述lcd显示屏（3）的下侧设置有超声波测距模块（4）和声光报警模块（5），所述装置壳体（1）的底部还设置有控制按键（6）和电源模块（7）；

所述装置壳体（1）的内部设置有控制电路板，所述控制电路板上集成有中央控制器（8），所述中央控制器（8）通过导线与lcd显示屏（3）、控制按键（6）相连；

所述中央控制器（8）的信号输入端与超声波测距模块（4）相连；

所述中央控制器（8）的信号输出端与声光报警模块（5）相连；

所述中央控制器（8）的电源输入端与电源模块（7）相连；

所述中央控制器（8）的信号输入端还连接有ad转换模块（9），所述ad转换模块（9）与光线感应模块（2）的信号输出端相连；

所述中央控制器（8）还连接有无线通信模块（10），所述无线通信模块（10）通过无线网络与监控终端（11）相连。

所述中央控制器（8）中使用的芯片为控制芯片u1，所述ad转换模块（9）中使用的芯片为转换芯片u2；

所述中央控制器（8）的电路结构为：

所述控制芯片u1的1脚至3脚、32脚至39脚均与lcd显示屏（3）的信号输入端相连；

所述控制芯片u1的4脚与声光报警模块（5）相连，所述控制芯片u1的4脚串接电阻r1后与三极管q1的基极相连，所述三极管q1的发射极与vcc电源输入端相连，所述三极管q1的集电极并接电阻r4的一端后与蜂鸣器b1的正极端相连，所述电阻r4的另一端与发光二极管d1的正极相连，所述发光二级管d1的负极并接蜂鸣器b1的负极端后接地；

所述控制芯片u1的5脚、6脚、7脚均与ad转换模块（9）相连，所述控制芯片u1的5脚与转换芯片u2的1脚相连；

所述控制芯片u1的6脚与转换芯片u2的7脚相连；

所述控制芯片u1的7脚并接转换芯片u2的5脚后与转换芯片u2的6脚相连；

所述转换芯片u2的8脚与vcc电源输入端相连；

所述转换芯片u2的2脚并接电阻r6的一端后与光敏电阻gr1的一端相连，所述光敏电阻gr1的另一端与vcc输入电源相连，所述电阻r6的另一端接地；

所述控制芯片u1的9脚与复位电路相连，所述控制芯片u1的9脚并接电阻r3的一端，有极电容c1的负极后与复位开关s1的一端相连，所述复位开关s1的另一端并接有极电容c1的正极后与vcc输入电源相连，所述电阻r3的另一端接地；

所述控制芯片u1的12脚、13脚均与超声波测距模块（4）相连；

所述控制芯片u1的15脚、16脚、17脚均与控制按键（6）相连；

所述控制芯片u1的18脚并接晶振y1的一端后与电容c2的一端相连，所述控制芯片u1的19脚并接晶振y1的另一端后与电容c3的一端相连，所述电容c2的另一端并接电容c3的另一端后接地；

所述控制芯片u1的21脚、22脚均与无线通信模块（10）相连。

所述无线通信模块（10）中使用的芯片为无线通信芯片u3，所述无线通信模块（10）的电路结构为：

所述无线通信芯片u3的4脚、5脚均与中央控制器（8）相连；

所述无线通信芯片u3的7脚接3.3v输入电源；

所述无线通信芯片u3的8脚接地；

所述无线通信芯片u3的9脚并接晶振x1的一端，电阻r11的一端后与电容c11的一端相连，所述电容c11的另一端接地；

所述无线通信芯片u3的10脚并接晶振x1的另一端，电阻r11的另一端后与电容c12的一端相连，所述电容c12的另一端接地；

所述无线通信芯片u3的11脚依次并接电容c13的一端，电容c14的一端后与电感l3的一端相连，所述电容c13、c14的另一端均接地；

所述无线通信芯片u3的12脚并接电感l2的一端，电容c15的一端后与电感l3的另一端相连，所述电容c15的另一端接地；

所述无线通信芯片u3的13脚并接电感l2的另一端，电容c16的一端后与电感l1的一端相连，所述电感l1的另一端与电容c17的一端相连，所述电容c17的另一端并接电容c18的一端后接通信天线e1，所述电容c16、c18的另一端均接地；

所述无线通信芯片u3的14脚接地；

所述无线通信芯片u3的15脚并接无线通信芯片u3的18脚，电容c20的一端，电容c19的一端后接3.3v输入电源，所述电容c20、c19的另一端均接地；

所述无线通信芯片u3的16脚与电阻r12的一端相连；

所述无线通信芯片u3的17脚并接电阻r12的另一端后接地；

所述无线通信芯片u3的19脚与电容c21的一端相连；

所述无线通信芯片u3的20脚并接电容c21的另一端后接地。

所述电源模块（7）中使用的芯片为稳压器u4，所述电源模块（7）的电路结构为：

所述稳压器u4的3脚并接电容c22的一端后接5v输入电源，所述稳压器u4的2脚并接电容c23的一端，电容c24的一端后接3.3v电源输出端，所述稳压器u4的1脚并接电容c22的另一端，电容c23的另一端，电容c24的另一端后接地。

所述控制芯片u1的型号为stc89c52；

所述转换芯片u2的型号为adc0832；

所述无线通信芯片u3的型号为nrf24l01；

所述稳压器u4的型号为spx1117；

所述lcd显示屏（3）的型号为lcd1602；

所述超声波测距模块（4）的型号为hc-rs04。

多功能视力保护装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：将装置壳体（1）放置在桌面上，使装置壳体（1）距离用户身体为固定距离，同时使装置壳体（1）上设置的光线感应模块（2）可以采集到桌面环境的光照数据；

步骤二：用户打开装置电源，装置内部系统进行初始化操作，初始化完毕后，用户可以通过操作控制按键（6）依次设定光线强度数据的上限值及下限值、用眼最长时间、身体与超声波测距模块距离数据的下限值；上述参数设定完毕后，操作控制按键（6）的程序执行按键，装置即开始监控用户用眼状态；

步骤三：当出现用户用眼环境中的光线强度大于预设上限值，或小于下限值时，光线感应模块（2）通过ad转换模块（9）向中央控制器（8）反馈采集到的光线数据存在异常，中央控制器（8）将向声光报警模块（5）发送报警信号触发声光报警；此时用户需要根据具体光线照射情况进行相应调整，使光线感应模块（2）采集到符合预设参数的光线强度数据，使声光报警模块（5）停止报警；

当用户学习时间超过预设的用眼最长时间时，中央控制器（8）将向声光报警模块（5）发送报警信号触发声光报警；此时用户需要进行一段时间的休息，同时重新调整设置新一轮用眼最长时间，使声光报警模块（5）停止报警；

当出现用户身体与装置的超声波测距模块（4）距离小于预设的下限值时，超声波测距模块（4）向中央控制器（8）反馈采集到的距离数据存在异常，中央控制器（8）将向声光报警模块（5）发送报警信号触发声光报警；此时用户需要让身体远离超声波测距模块（4）一定距离，使超声波测距模块（4）采集到符合预设参数的距离数据，使声光报警模块（5）停止报警；

步骤四：当用户做出上述调整，实现控制声光报警模块（5）停止报警后，视力保护装置进入新一轮用眼状态监控流程，继续对用眼光照环境、用眼时间、用眼距离数据进行实时监控。

本发明基于stc89c52型单片机为核心的主体电路，使用定时报警、光线强度报警以及测距等功能模块，相互配合可以达到对用眼视力保护的目的；其中定时报警功能由中央控制器内部时钟电路实现，光线强度报警模块是由光敏电阻和报警电路组成，测距模块是由超声波传感器组成。

本发明在使用时，对距离的检测功能主要体现在，当使用者身体与视力保护装置之间的距离小于设定的安全距离时，装置将发出报警提示，提醒使用者适当调整坐姿；对光线强度的检测功能主要体现在，当桌面读写环境光线照度过强或不足时，装置将发出报警提示，若发现报警原因在于光线强度不足，可自行选择开启护眼照明开关进行补光操作；对学习时间的检测功能主要体现在，当学习时间达到预设时间值后，装置同样会触发自动报警提示，提醒使用者注意休息，保护视力。

本发明采用stc89c52单片机作为整个系统的核心，控制使用简单、方便、快捷，结构简单，功能丰富，控制性能，价格低廉；本发明使用的中央控制器采用stc89c52型号的单片机系统，通过设置光敏电阻采集光线信号，并经过ad转换模块对采集到的光线数据进行模数转换，将光线强度等级化，通过预设光线报警等级来实现当出现光照不足或过足时发出报警信号。

本发明使用的超声波测距传感器可以实时检测用户身体与放置在桌面上的装置距离，当用户身体由于疲劳或其他惯性原因与桌面距离逐渐缩小，当距离小于设定的安全距离时装置将发出报警声提醒。

本发明提供的中央控制器同时支持内部时钟报警功能，用户通过操作控制按键，预设相应的报警时限，如用眼45至60分钟时进行休息，当到达预设时间后，装置内部自行发出报警提示，提醒使用者注意休息。

所述声光报警模块具体由三极管驱动蜂鸣器组成。

本发明可以由干电池进行供电，配合单片机使用的3.3v工作电源，通过电源模块实现工作电源稳压，提高装置在使用过程中的稳定性和可靠性。

本发明选择lcd1602液晶屏进行数据显示，lcd1602液晶显示模块属于光线透过液晶体成像，显示字母和数字方便,内容丰富、清晰，显示信息量大，控制简单，成本较低。

本发明使用的光线感应模块主要依靠光敏电阻对光线进行采集，当有光线照射光敏电阻时，光敏电阻内原本处于稳定状态的电子受到激发，成为自由电子，当光线越强，产生的自由电子也就越多，使得光敏电阻阻值变小；光敏电阻的优点在于其内部的光电效应和电极无关，即可以使用直流电源对其进行供电，光敏电阻的灵敏度和半导体材料、以及入射光的波长有关，采用光敏电阻实现对光线数据采集反馈价格低廉，性价比高。

本发明使用的超声波测距模块实际为一种坐姿检测模块，采用hc-rs04型号的超声波传感器对距离进行检测，可以通过测量人脸与桌面的距离来确定坐姿，当测量距离小于预设的安全距离时测距模块将向中央控制器发出警报信号；超声波体积小，重量轻，测距信号易于定向发射，方向稳定性好，强度易于控制，使用方便。

本发明另外设置有无线通信模块，可以将当前监控数据实时发送上传至预先匹配的监控终端中，使监控终端持有人实时了解视力保护装置的使用状态，并了解其是否报警。

进一步的，本发明使用的stc89c52单片机包含中央处理器、程序存储器(rom)、数据存储器(ram)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。

超声波模块采用现成的hc-rs04超声波模块，该模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm。测距模块内部具体还包括超声波发射器、接收器与相应控制电路。

光线强度报警电路具体分为光敏电阻控制电路和光线发声报警电路，其功能是完成由光敏电阻控制的电路在条件满足时发出脉冲，该脉冲作用于89c52单片机的p1.6口，系统通过检测p1.6口是否为高电平，由中断控制利用p1.3口给出满足发声电路需要的脉冲，再由发声电路发出声音提醒用户光线太弱或太强，需要调节光的亮度，进而达到保护视力的目的。

定时报警电路分为单片机控制电路和报警发声电路，它主要通过单片机的定时计数功能完成定时预设时间并使相应报警模块发出声光报警，提醒用户及时休息。

所述声光报警模块通过三极管放大驱动电流，从而可以让蜂鸣器发出声音，利用单片机的定时功能通过p1.3产生一个振荡脉冲方波，输出高电平，三极管导通，集电极电流通过蜂鸣器让蜂鸣器发出声音，当输出低电平时，三极管截止，没有电流流过蜂鸣器，使蜂鸣器不会发出声音。

如图6和图7所示，本发明实现监控功能主要基于控制器单片机内部预设的主程序，分别调用测光子程序、计时子程序、报警子程序、超声波子程序执行；针对本发明的功能应用第一要确定主程序，第二要根据各硬件电路功能去设计子程序模块，最终把各模块嵌入主程序中。

开始使用，系统开机后必须要进行初始化操作，用户可以操作控制按键调节光线强度大小、学习时间倒计时长短、超声波测距的距离长度等的参数范围，设置好需要的范围之后，按下执行键，将装置壳体放置在桌面上。

如果光线强度过强或过弱，蜂鸣器将进行报警提示并控制二极管闪烁，在调整为合适的光线后蜂鸣器的报警提示将停止，同理当超声波测距模块预设的侦测距离超出使用者当前的位置距离，将激发装置发出声光报警，提醒使用者调整坐姿，距离调整正确之后报警消失，同理当装置到达预设的使用时间后，装置同样会发出声光报警，提醒使用者休息停止使用；整个视力保护装置内部设置的这套报警激活及取消程序，可以达到帮助用户近视预防的目的。

装置壳体表面的控制按键包括四个功能按键，电源模块的电源开关按键设置在壳体最右侧，所述控制按键中包括一个单片机复位键，一个程序执行按键，一个数值增量键，一个数值减量键；例如用户可以将参数设定为如下数值，首先设置超声探测20厘米，则用户距离保护装置小于20厘米时装置则会发出报警，设置光线强度为20-76%，则当用户用手遮挡光线感应模块时，会导致光线不足，装置会发出报警，同理当外部光线过强时，装置也会报警，最后将装置的使用时间预设为45分钟，并按下程序执行按键，则当装置使用45分钟后则发出报警，提示用户停止使用进行一段时间的休息。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。