基本信息
- 项目名称：
- 一种基于超声波测距的视力保护系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本系统是一个基于超声波的电脑眼睛保护系统，首先，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屏幕之间的距离；接着，由一个接口电路把测距模块和计算机连接起来，让计算机可以通过所获得测量的距离；最后，设计程序把获得数据进行后续处理工作，当发现接连一段时间收到的数据小于允许的最小距离时，在屏幕上都会弹出相应警告信息，从而达到保护用户眼睛的目的。
- 详细介绍：
- 本系统由硬件和应用软件两大部分组成，硬件部分有超声波测距模块和接口模块，软件部分有单片机的控制程序和警示处理界面构成。 超声波测距模块的具体工作过程如下，在单片机产生复位信号后，产生一个控制信号，控制超声波发射电路产生间歇性的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，单片机内部的定时器启动，超声波遇到障碍物反射回来后，经超声波接收器接收，由超声波接收电路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，完成一次超声波测距的时间操作。同时，由温度补偿电路测得当前的环境温度，读入单片机，然后经其处理，计算出更为精确的声速，以获得更为精确的距离，并在显示模块上显示相应的距离测量值以及当前温度。 超声波发射电路利用555定时器产生40kHz的驱动方波。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。 单片机作为系统控制核心，其外围电路有供电电路，复位电路，振荡电路，即单片机最小系统，与显示模块电路，温度传感电路，以及USB接口电路，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。单片机选择STC89C51即可满足处理要求；显示器件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；温度传感器采用数字温度传感器DS18B20，测量精度高，应用方便；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，该芯片可以轻松地将计算机的USB接口变成单片机可直接使用的串口。 单片机控制程序流程如下：首先，系统进行初始化，然后，每2秒钟主要执行以下操作： 1.读取温度传感电路测得的温度值，转化成一定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。 系统应用软件流程如图6所示，定义一个计数器，之后不断读取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。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明的目的：通过小功率的间歇性的超声波，实现精确测距，设计一个简单灵活操作的视力保护系统，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，从而为当前众多的电脑用户带来更健康、更完善的使用体验。 基本思路：首先，通过一个超声波测距电路，计算得到人脸和屏幕之间的距离；接着，通过USB接口向计算机发送测量的距离；最后，设计程序把获得数据进行后续处理工作，当发现接连一段时间收到的数据小于允许的最小距离时，在屏幕上都会弹出相应警告信息，从而达到保护用户眼睛的目的。另外，软件界面进行了功能扩展，包括修改参数、密码保护等。 具体实现： 创新点： (1)着重于现实的应用价值和意义，设计出人性化的电脑使用眼睛保护系统，满足人们日益增长的物质需求； (2)提供良好的用户界面，用户可自行调整适合自己的距离和时间，更加人性化，并且修改参数需要密码，使得功能更加完善； (3)本项目技术实现简单易行，测距技术低耗能、低成本，操作控制智能化、人性化。 技术关键：本系统是一个基于超声波测距的电脑眼睛保护系统，由硬件和应用软件两大部分组成，硬件部分有超声波测距模块和接口模块，应用软件部分有单片机的控制程序和警示处理界面构成；因此，核心技术是超声波测距技术、单片机控制技术和界面处理设计。 主要技术指标：在本设计中，最核心技术是超声波测距技术，应用场景是个人PC端，故有效测量距离在0.3m至2m即可。本产品为短距离测距，对精度要求较高，测距精度不超过1cm。
科学性、先进性
- 本发明与现有技术相比，可以说具有如下自身的技术和优点： 1.本发明在基于超声波测距的基础上，设计了一个有一定应用价值的、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、串行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.本系统的软件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。
获奖情况及鉴定结果
- 作品于2009年9月在中山大学由中山大学信息科学与技术学院举办的第五届科技创新大赛中获得优秀项目奖。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 合作生产
作品可展示的形式
- 实物、现场演示、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 产品说明： 本系统是一个基于超声波的电脑眼睛保护系统，由硬件和应用软件两大部分组成，硬件部分有超声波测距模块和接口模块，应用软件部分有单片机的控制程序和警示处理界面构成。 超声波测距模块主要由单片机最小系统、超声波发射电路和超声波接收电路组成。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。单片机程序设计最主要的是对距离的计算和与接口的通信，而软件应用程序主要是对接收到的数据进行比较处理，警示条件达到时，提醒用户用眼健康；另外，软件还支持数据的修改，以及密码保护等功能。 市场分析： 本系统是一个有一定应用价值的电脑眼睛保护系统，提供人性化应用功能，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。另外，小功率间歇性的超声波对人体有益，使人感觉放松，对学习工作生活压力日益增大的现代人来说是个福音。另外，本产品批量生产，成本低于15元，价格更加便宜，可以变身为电脑的一个小型外设，配以吸引人眼球的设计，一定可以获得大众的亲睐。
同类课题研究水平概述
- 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聚焦测距、超声波测距、红外线测距、激光测距等，而基于对人体的保护，前两种测距方式比较合适。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，通过摄像头图像采集芯片捕捉含有人脸的图像，并采用先进的人脸检测和眼睛定位技术自动对图像进行分析，进而测定出眼睛距显示器的距离，实现人性化的保护用户眼睛的功能,但该项技术需要运用处理功能比较强的摄像头芯片，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，本产品通过简单实用的超声波测距，设计了一种简单实用的大众化产品，来实现保护眼睛视力的功能。
