II摘要：視力保護器具備保護視力，預防青少年們近視以及患眼睛疾病等功能。本文設計的視力保護器是以集成電路為核心，采用了各種工藝，如模擬/數(shù)字電路及復合各種電子元器件等，從而具有距離警報功能、燈光警報功能、定時警報功能來達到對用戶眼睛的防護和近視的防治。利用超聲波檢測技術接收頭對接受來的超聲檢測技術信號進行調制輸出，然后再分別接受并發(fā)出的超聲檢測技術，在經過分析了定時器的光敏電阻的功能及其各自的功能后，由這些原器件組合而成的距離測量電路，光強測量電路，報警控制電路和定時器電路來完成了這些功能。因本文設計的視力保護器是基于電路來設計的，因此電路簡明、合理，功率損耗低，易于維護，用途很廣，適用于人們日常學習與工作的需求。關鍵詞：視力保護器；集成電路；控制1引言青少年是國家未來的主力軍，然而青少年近視問題已經成為我國現(xiàn)階段的一個重大問題，學生們的視力問題一直是家庭、學校以及社會的重點話題。要改善青少年近視問題，不應在過亮或過暗的地方學習、學習時不應靠書本過近、學習一定時間應適當休息。文章中闡述了選題的基本目的和含義,重點闡述了目前已知的保護視力的有效手段以及視力保護器中出現(xiàn)的主要問題和缺點,并說明了研制新式視力保護器的重要性和緊迫性。其設計以集成電路為核心，采用了各種工藝,如模擬/數(shù)字電路及復合各種電子元器件等，電路簡明、合理，功率損耗低，易于維護，用途很廣。本設計中主要是強調了這種視力保護器的距離警報功能，燈光警報功能以及定時警報功能，即當在使用者面部與書寫桌之間的距離不足三十五厘米時控制“距離”的指示燈發(fā)光，并且有蜂鳴報警器發(fā)出類似“嘀嘀嘀”的尖銳的報鳴聲，以提示用戶抬高面部并及時調節(jié)坐姿。當外界的光照強度在設定的值一百照度以下時，控制“光線”的指示燈發(fā)光，同時蜂鳴報警器發(fā)出響聲，提醒使用者光線過暗，應將燈光調亮。當預先設定好的學習時間達到后，控制“時間”的指示燈發(fā)光，同時報警器發(fā)出響聲，從而達到提醒使用者休息一會兒的目的。1.1選題目的及意義視力保護是日常生活中必不可少的一部分，隨著科技的快速發(fā)展，電腦、手機、平板等電子產品相繼出世，學生們寫字、看書姿勢不正確等因素，學生們視力下降的比率越來越多。為減少因上述問題而引起近視問題的產生，本設計提出了三種可行的視力保護器設計方案，經過對比，從中選取最佳方案，其目的是讓青少年們在周邊沒有他人監(jiān)督或是提示的情況下，獲得一個外界的提示與糾正。此視力保護器的職責是監(jiān)測使用者與寫字臺之間的距離，當前空間內的光照強度，使用者工作、學習的時間等，從而保證了在青少年日常學習和工作中，對于視力起到保護的作用，其中重點體現(xiàn)了該視力保護器的“監(jiān)測”與“報警”功能。這種功能不僅可以對近視進行預防，也能夠起到一定的督促作用，有利于使用者們的身體健康。此外，目前世界上大部分國家都在積極進行視力保護器的研討及設計，視力保護器的主要思想是以人為本，通過物理學、電子學以及人工智能之間相互結合，從而糾正青少年們的一些對頸椎不好的寫字姿勢，達到防止近視的效果，因此具有很大的研究意義。視力保護器對于人們的日常學習、工作以及生活有著極其重要的作用，可以適用于家家戶戶，從而使青少年近視發(fā)生率大大降低，具有十分廣闊的市場。1.2研究背景及現(xiàn)狀如今，國內外很多電子公司都自產視力保護器。以中國為例，位在廣東省的一家公司生產的一種名叫“金太子”的視力保護器可以在檢測到學生們的寫字姿勢不正確時進行語音警告。當前，在網(wǎng)上售賣的具有四個功能的視力保護器是中國唯一被評為國家教委和衛(wèi)生部提出的達到了具備四個功能的國家標準的視力保護器專利品牌。此外，還能夠矯正看書或寫字時不良的姿勢，從而有效的防止了近視的產生。但市場上的產品通常只關注于保護視力這個方面，功能較為單調，無法從多個方面的視角來保護青少年們的視力。因此，超聲波技術才是目前市場設計預防近視的保護器的最主要的理論依據(jù)。本課題主要介紹了視力保護系統(tǒng)最基本的理論知識及硬件的設計過程。本課題主要的研究內容包括：視力保護系統(tǒng)的硬件設計和硬件的制造。在產品的開發(fā)與設計中，怎么能更有效地保護眼睛，準確地調整硬件電路，是產品開發(fā)和設計的一個難題。在設計硬件產品時，針對采用結合了超聲波技術原理，研究和制作了一種多功能預防青少年近視的保護電路，即利用超聲波接收頭來調制和輸出超聲波信號，這對于研究聲光警報系統(tǒng)的工作原理具有重要的指導作用。通過實際應用表明，這種視力保護器安全可靠，且使用簡便，但同時也存在著一些問題，如沒有光照強度調節(jié)、報警等功能，并且光照強過強也是損害青少年們眼睛的一種重要因子。該設計通過對電子硬件的設計和技術研究，為今后設計的多功能視力保護器提供開發(fā)數(shù)據(jù)及理論依據(jù)，由此奠定了安全的有效數(shù)據(jù)源與信息基礎。根據(jù)市場調研得出，市面上的商品絕大多數(shù)僅側重于對視力的保護這一個方面，其功能較為單調，無法從多個方面的視角來保護青少年們的視力。除開通過物理方法來對視力進行保護的儀器外，也有運用合理的飲食搭配和使用一些對眼睛有益的藥物解決視力的保護問題。如多吃新鮮的蔬菜和水果，使用眼藥水等方法。但這些預防的辦法有很多不穩(wěn)定性，而且每個人產生的效果也略有差異。從對比以上檢測結果分析來看，現(xiàn)在國內市面上已開發(fā)出來了的幾種的防治青少年近視的視覺保護器，主要就是用來改善一些青少年們平日在看書閱讀、寫作時的錯誤坐姿，并可以提醒青少年們注意在日常在閱讀、寫作等過程中眼睛和寫字桌之間保持一定的間距，改善他們在平時上班、讀書寫字時房間內的光照強度，以及定時應用一些眼藥水，從而有效減輕自己用眼過度而導致的眼疲勞，但只是綜合比較了各種保護視力的主要儀器結構與計量方式，普遍存在著若干問題，如：功效單一、價位虛高、長期應用療效不穩(wěn)定等。而本設計提供的的視力保護器，主要用于生活中上學、上班、休閑等的場所。視力保護器不但具備了測量距離和計算時間的功能，同時還具備了檢測外部環(huán)境中的光照強度的功能。視力保護器通過測量光照強度和距離，以及時間的計時，使得視力保護儀在超出這些限制條件時，蜂鳴器發(fā)出鳴響來提醒使用者，從而實現(xiàn)了保護視力的目的。其所研制的視力保護器操作簡易、便捷，可以調節(jié)學生學習、閱讀的時間；室內光照強度；對于學生與書桌之間的距離進行測量等功能，從而可以達到保護視力的目標，所以有著很廣泛的現(xiàn)實意義和推廣前景性。REF_Ref25687\r\h[1]1.3本人主要工作首先找出一種最適合的方案來設計此電路，其次介紹系統(tǒng)的各個功能電路，以及重要元器件的原理，并設計出原理圖，然后通過實驗驗證本設計各部分電路的可行性。結論通過仿真電路觀察其功能，從而得出此視力保護器電路是否具有保護視力的功能。1.4論文組織與結構在本文中，將各部分的工作內容進行章節(jié)性的介紹，編排如下：第一部分，介紹總結了本篇論文的目的與意義，以及中國現(xiàn)階段研究領域的發(fā)展，以及國內外現(xiàn)狀，概述總結了本篇設計中所提出的保護器的設計想法、研究目的以及主要的研究內容。促使我們如何利用現(xiàn)階段的研究去不斷地進行深入研究。第二部分，從三種不同的角度設計視力保護器的電路，并選擇最有效的一種來進行分析，作為本文所設計的視力保護器的設計方案。第三部分，介紹了視力保護器的原理框圖，通過視力保護器的電路原理圖、各部分電路功能的分析，以及電路的總體原理來進行闡述該視力保護器工作時的原理及狀態(tài)。第四部分，描述制作此視力保護器的過程，調試器件步驟，以及調試后電路板儲存的方法。第五部分，結論部分，對全文進行總結，找到實驗中不足的地方，確定以后的研究進步方向。

2系統(tǒng)設計電路方案論述2.1方案一下圖是一款由定時器兩個以及晶振電路而構成的多功能視力保護儀電路。圖2.1方案一電路原理圖2.2方案二下圖是由集成電路——四二輸入的或非門；集成電路——四二輸入的與非門；集成電路——異或門等三部分構成，經由三個門電路中每個門的配合，構成了一個距離過近時提示，光線強度太強或太弱時提示，閱讀時間超過預期時提示于一體的預防近視的保護器電路。REF_Ref25766\r\h[2]圖2.2方案二電路原理圖2.3方案三下圖中主要是由一個定時用的振蕩器，一個超聲波發(fā)射器和一個報警聲振蕩器，一個超聲波接收器，一個光線控制電路以及各功能的控制與指示電路組成。圖2.3方案三電路原理圖通過對以上三種不同的電路方案進行對比和分析，發(fā)現(xiàn)用第三種方案來進行設計最為合理，方案三電路主要是由三個模塊電路組成，它們看起來是獨立的，但實際上是相互聯(lián)系的，通過合理利用電路板和芯片，從而同時實現(xiàn)了距離檢測功能，定時功能以及光線檢測功能。而且它基于電路原理為核心，電路簡明、合理，功率損耗低，造價便宜，易于運行維護，具有預防青少年近視、保護學生們視力等多重作用。第一種方案的結構設計思路過于簡單，因此往往達不到其設計功能的需求。第二種方案雖然功能設計合理，但內部結構設計復雜且制作成本過高。因此采用上述第三種方案最能滿足設計要求。

3電路的分析與設計3.1電路原理框圖此視力保護器一般由四個部分所組成，分別命名為：光線檢測電路、定時電路、警報電路以及顯示電路。如下圖3.1所示。圖3.1電路原理框圖3.2電路原理圖圖3.2電路設計原理圖上圖中介紹的保護器電路主要包括：超聲波發(fā)射器、報警聲振蕩器以及定時控制用振蕩器等三個主要振蕩器；一個超聲波接收器；一個光控電路還有各功能的控制與指示燈電路。REF_Ref25766\r\h[2]3.2.1超聲波控制電路超聲波控制電路系統(tǒng)由超聲波發(fā)射電路和超聲波接收控制電路組成。超聲波發(fā)射電路由超聲波發(fā)射器和內部的非門-，以及內部的或非門、和電阻-和電容、組成。超聲波接收控制電路由一個超聲波接收器，電阻、、，內部的非門-，內部的，電容-以及二極管、和晶體管構成。圖3.3超聲波發(fā)射接收電路圖超聲波控制電路的主要工作原理：當使用者臉部與寫字桌之間的相對移動距離大于三十五厘米時，超聲波接收器自身則無法完全的接收到來自于超聲波發(fā)射器所發(fā)出的信號，因此，此電路不能繼續(xù)工作。當使用者臉部與寫字桌之間的相對移動距離小于三十五厘米時，超聲波接收器則可以接收到來自超聲波發(fā)射器發(fā)出的信號，并將會自動將此信號直接轉化為一個電信號導通電路，從而使發(fā)光二極管發(fā)光，同時蜂鳴報警器響起，以此來提醒使用者注意自己的坐姿有不符合規(guī)范的動作或眼睛離寫字桌距離過近，需要注意及時調整坐姿，保持與寫字桌之間的有效距離。3.2.2光線測試電路本電路主要由電阻，電容器，光敏電阻以及內部的與非門構成。光線測試電路原理測光電路的原理一般表述為：當一個空間內的光照強度明顯變暗時，光敏電阻的阻值會顯著增大，從而導致電容中的分壓迅速增加，因此發(fā)光二極管兩端的電壓增大。相反，如果當一個空間內的光照強度突然變強時，則光敏電阻的阻值會大幅度降低，同時發(fā)光二極管上的電壓也會大幅度降低，因此發(fā)光二極管會變暗，從而實現(xiàn)了對光線強度的控制。下圖3.5為光線測試電路原理圖。圖3.5測光電路原理圖3.2.3定時電路本電路是指主要由定時器集成電路、電阻、；電容、而組成的定時控制電路，變阻器和內部的與非門組成。定時器是一個屬于555系列計時器中的另一種型號，555系列內的所有繼電器的引腳功能和使用全部都是相通的，只不過因為不同的繼電器的型號、結構、工藝都不一樣，價格也有所不同，從而導致其穩(wěn)定性、節(jié)電、能產生的振蕩頻率范圍也大不相同。三五定時器是一種應用非常廣泛而且又非常常見的脈沖定時器，僅僅需要幾個的簡單的電阻元件和電容，就已經基本可以同時用來實現(xiàn)多種脈沖產生與變換電路，如：多諧振蕩電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、及施密特觸發(fā)器控制電路等。定時器的引腳及功能下圖3.6為定時器引腳圖。圖3.6NE555定時器引腳圖各引腳功能：引腳功能描述1接地端接地，作為低電平2低觸發(fā)端電壓小于三分之一時有效3輸出端輸出高電平或低電平4直接清零端時基電路不工作時，低電平有效，但此時不論、在高電平還是低電平，時基電路輸出為“0”，正常工作時仍應接高電平5控制電壓端外接電壓時，就可以使內部兩個比較器的基準電壓反生改變；不用時，就必須將該腳串入一個0.01μF的瓷片電容并接地，為的是避免引入高頻干擾6高觸發(fā)端電壓大于三分之二時有效7放電端與放電管的集電極相連，用做定時器時的電容的放電引腳8外接電源提供高電平表3.1NE555定時器引腳功能（2）定時電路原理定時電路的原理為：當提前設定好的時間沒有到時，三五定時器的第三個引腳輸出信號為低電平，與非門輸出信號為高電平，因而不發(fā)光，二極管處于截止工作狀態(tài)，報警聲振蕩器暫停工作，蜂鳴報警器不發(fā)聲。當達到提前設定好的時間時，三五定時器的第三個引腳變?yōu)楦唠娖剑c非門輸出一個矩形的脈沖信號，從而能使發(fā)光二極管發(fā)光，報警聲振蕩器開始振蕩工作，蜂鳴報警器即發(fā)出報警聲。圖3.9定時電路原理圖3.3電路工作原理電源開關接通后，在整個電路中，各個部分的功能電路都開始運行工作。三五定時器的第三個引腳輸出的方波振蕩信號，有一路加至與非門~的一個輸入端上，另一個路經過加至非門的輸出端上，此方波振蕩信號在經過整形處理過后對由或非門、和、、組成的振蕩器信號進行整形調制，調制后的振蕩信號經過非門、驅動發(fā)射出超聲波。當人的面部與寫字桌之間的距離超過三十五厘米時，超聲波接收器無法接到超聲波發(fā)射器發(fā)射出的信號，二極管和晶體管均處于截止狀態(tài)，與非門輸出為高電平，控制距離的燈不發(fā)光，蜂鳴報警器不發(fā)出聲音。當人的面部與寫字桌之間的距離小于三十五厘米時，發(fā)射器發(fā)射的超聲波信號將通過被照人臉部反射了回來，超聲波接收器接收到了人臉反射回來后的超聲波信號，并據(jù)此將該信號迅速轉換為另一個相應的電信號，該電信號經過非門~的放大整形，以及、、、倍壓檢波等校正工作后，產生的一個為負波的直流電壓使晶體管導通，與非門輸出端矩形脈沖信號，控制距離的燈發(fā)光，同時二極管間歇信號進行導通，由或非門、和、、組成的音頻振蕩器也會始終在脈沖信號的控制及作用下振蕩工作，并使蜂鳴報警器發(fā)出尖銳的報警聲，以此來提醒使用者注意寫字姿勢或與寫字桌之間的距離。在一個空間內的光線強度達到可以正常學習、工作的環(huán)境時，光敏電阻的阻值比較小，與非門輸出為高電平，控制光線的燈不發(fā)光，二極管處于截止狀態(tài)，音頻振蕩器停止工作，蜂鳴報警器不發(fā)聲。當空間內的光照強度較弱而不能達到可以正常學習、工作的環(huán)境時，光敏電阻的阻值比較大，使與非門輸出一個矩形脈沖信號，控制光線的燈發(fā)光，間歇信號進行導通，因而使音頻振蕩器開始振蕩工作，蜂鳴報警器即發(fā)出尖銳的報警聲，以此來提醒使用者當前空間光線強度太弱，應立即打開照明設施。在沒有達到規(guī)定的定時時間時，三五定時器的第三個引腳輸出信號為低電平，與非門輸出信號為高電平，控制時間的燈不發(fā)光，二極管處于截止工作狀態(tài)，音頻振蕩器暫停工作，報警器不發(fā)聲。當規(guī)定的定時時間處于結束狀態(tài)時，三五定時器的第三個引腳變?yōu)楦唠娖?，與非門輸出一個矩形的脈沖信號，控制時間的燈發(fā)光，音頻振蕩器開始振蕩工作，報警器即發(fā)出響聲。

4仿真與實物測試元器件的焊接工作完成后，接通電源開始調試。首先應該是用一根導線把的輸入端與電源電壓接通，從而使三五定時器暫且停止工作。接著就是把該視力保護器擺放在一個光線強度比較弱的地方，調節(jié)變阻器，使控制光線的燈發(fā)光并且蜂鳴報警器發(fā)出了響聲。然后將此視力保護器擺放在一個光線強度相對較強的地方，調節(jié)變阻器，使控制光線的燈發(fā)光且蜂鳴報警器發(fā)出響聲。最后將視力保護器放置在一個光線強度既不強也不弱的地方，此時應該發(fā)光，蜂鳴報警器不發(fā)出響聲。如果此時控制其他功能的發(fā)光二極管也發(fā)光，微調變阻器或光敏電阻，從而使得僅有發(fā)光二極管發(fā)光。重復進行上述的步驟，調整幾次之后就行了。在調試完畢后，拆除導線，使定時器恢復工作狀態(tài)。圖4.1實物仿真圖接通電源后，電路開始工作，首先，檢測距離控制電路，將人靠近超聲波接收器，使其檢測到人體與視力保護器之間的距離，當小于設定的三十五厘米時，控制距離的燈發(fā)光，蜂鳴報警器發(fā)出響聲；此次，檢測光線測試電路，將視力保護器放置在一個較黑暗的地方，其光照強度小于規(guī)定的值時，控制光線的燈發(fā)光，同時蜂鳴器發(fā)出響聲；最后，檢測定時電路，當學習時間達到提前設定的時間時，控制時間的燈發(fā)光，同時蜂鳴報警器發(fā)出響聲。圖示4.1為實物仿真結果圖。5結束語現(xiàn)在社會中，有很多電子產品，它們在給人們學習、生活中帶來便利的的同時，也對人們產生了一些