自助式视力检测仪器的设计

许剑锐　何伟浩　叶铭铭

摘 要：本团队致力于研制一套自助式视力测试仪器，以实现使用者独自在该智能仪器的辅助下可以对自身的视力状况进行检测。本设计采用STM32F103RCT6型单片机作为控制单元的核心芯片，结合屏幕显示图标输出以及按键输入进行仪器硬件整体的搭建，软件采用C语言编程设计，实现了便捷进行视力检测的效果，包括远近视视力度数检测、色盲检测、散光检测等，同时拥有眼保健操、视力小游戏、视力小知识等功能板块。实验测试与调查结果表明，该仪器体积小，使用方便、检测结果准确、运行可靠；与传统的检测视力方式相比，该仪器的使用能够有效地避免人为机械记忆视力表的现象发生，同时节省了部分眼科医护人力资源。

关键词：自助式；视力测试；STM32；屏幕显示；图标

中图分类号：TP273+.5

0 引言

视力是指视觉系统对影像的分辨能力，我国利用国际视力表和标准对数视力表的检测方法对视力进行测试。但传统的视力检测方法在使用时并不方便，而当前市场上的视力检测仪器价格昂贵、操作复杂也不利于视力检测的顺利实现。因此，设计一款价格低廉、操作方便的自助式视力检测仪器，有助于普及全民检测自身视力、关注自身视力，对缓解我国目前严重的视力问题具有重大意义。

自助式视力检测仪器是以单人独自检测自身视力情况为主要应用目的，利用可调控的硬件器件、模块进行搭建并结合可设计的软件程序制作的系统平台。硬件采用高性价比的STM32F103RCT6型单片机，在满足系统基本控制要求的同时还能预留一定的扩展功能的接口，以备功能后续开发和完善[1-2]。软件采用C语言编制，全部程序在单片机支持控制下研发完成。显示部分采用彩色液晶（LCD）生成效果展示，主要功能检测视力部分以国际标准对数视力表GB 11533-2011 “E”字表为图标，图标共14行，每屏随机显示一行中的一个，视力检测距离为5m[3]。该仪器避免了人为机械记忆视力表的现象发生，检测操作简单，被检测者只需选择按键就能完成视力检测结果，同时，仪器体积小，制作精密，制作成本低，使用范围广。

1 自助式视力检测仪器原理及总体设计

自助式，即被检测者能够在独自一人的情况下完成视力检测。所以，自助式视力测试仪器的实现原理就是通过运用一系列电子器件模块设计搭建一个智能化的电子产品，将传统的视力检测方案中的医疗人员取而代之。因此，本设计并没有改变传统的视力检测视力的医学原理，而是在测试形式方案上发展提供了新型设计。

上以该仪器中远近视视力度数检测功能板块为例，把一整版国际标准对数视力表GB 11533-2011 “E”字符按大小有规律进行拆解，并逐一在液晶屏幕上给出显示。屏幕上的“E”字符大小根据国标按测试距离进行计算，每屏随机显示一行中的一个，以人机交互的模式模拟真实测试环境完成对视力情况的检测。

基于这一目标的探讨论述，随即则提出如下研究工作内容。首先，要求仪器能维持自身工作系统的稳定性，包括对自我工作状态、性能的检测；其次，在中央处理器的调控处理下，系统具有按键控制输入以及显示输出功能；最后，若系统长期没有反应或者因为不可知情况而崩溃，可以通过键入调整快速恢复或者能自动结束并退出。

针对上述工作内容，本设计选用了ARM先进架构的Cortex-M3内核的32位MCU --STM32F103RCT6型单片机芯片作为仪器系统的核心芯片设计STM32单片机控制模块，STM32具有优异的实时性能、杰出的功耗控制和出众及创新的外设[]。总体设计的系统框图如图1所示。

2 自助式视力检测仪器模块化电路设计

根据自助式视力检测仪器所需的硬件器件条件，为了便于分析，将整个仪器系统硬件电路模块化，主要分为4部分：STM32处理微控制器模块、液晶显示输出模块、按键输入信号模块及供电模块。

2.1 STM32微处理控制器模块

STM32微控制器模块主要对按键输入信号采集模块传来的键位信号进行解析并展开相应的处理，根据软件设计过程中定义的工作流程，将其转换为编辑好的各种控制指令，通过蓝牙通讯无线技术传输到液晶显示输出模块，控制液晶显示系统做出相应的显示。微控制器最小系统电路如图2所示。

采用STM32系列芯片作为主芯片MCU，在有源进品振荡方面，利用STM32的外部时钟源来对自主视力检测仪器提供驱动系统时钟（SYSCLK），并通过芯片组内部PLL电路，最终为整个仪器系统的正常模式功能提供工作频率；在调试接口方面，则利用STM32芯片组提供的UART调试接口对系统进行必要的调试和开发工作。

2.2 液晶显示输出模块

液晶显示输出模块主要用于针对STM32微控制器模块弹射的指令进行给定视标图像的显示。电路接口按主控板相应位置连接即可。

在自助式检测视力仪器设计中，重点需要使用液晶面板将被测试的图标直观地呈现给受检者，而为达到最佳的人机交互效果，本设计采用了8寸屏、分辨率600*800屏上带电阻式触摸屏。Thin Film Transistor（薄膜场效应晶体管），是指液晶显示器上的每一液晶像素点都是由设计集成在其后的薄膜晶体管来实现驱动，从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕图像信息[4]。

2.3 按键输入信号采集模块

为达到人机交互并通过受检者的判断引领仪器测试进程的目的，使用了按键输入来确定检测者的方向选择。键盘部分分为上下左右四个方向按键和确定、选择两个功能按键。方向按键是在测试过程中，让受检者输入自己所选择的图标方向而给出研究展示的，功能按键的设计则是为了完成对整个系统运行的控制和使用模式的选择。键位输入模块电路如图3所示，一旦有实验测试规定的按键动作发生，则键盘模块动作的按键对应的引脚的电平立即降为低电平，微处理器即提取對应键位信息。

2.4 供电模块

电源电路的设计原则是在满足仪器系统的正常工作的情况下尽可能地减少仪器在使用中的功耗。大体来说，主要是为2部分供电：一个是STM32微控制器及键盘输入模块，二是可触控液晶面板。

研究可知，电源电路的功能实现过程可阐析概述如下：

1）利用变压器将输入220V电压变换成12V电压；

2）通过整流二极管对电源电流进行整流，将交流电转化为直流电；

3）利用一个3300UF的電解电容器过滤掉无用的多余信号；

4）使用集成模块LM2596S稳压操作即可，该5V稳压电路如图4所示。

其中，STM32微处理器的额定工作电压（VDD）为2.0～3.6V，在设计过程中使用AMS117-3.3稳压芯片后输出恒定的3.3V电压作为一个直流稳压的电源而为其供电。

3 实现自助式视力检测功能的软件设计

自助式视力检测仪器的软件设计主要是按键切换图片的规则程序设计

依据其功能板块可分为两大类。一类是远近视视力度数检测及小游戏板块程序设计，一类则是除此之外其他的功能板块程序设计。

其中，远近视视力度数检测板块整体上主要可划定为4个部分，展开来说就是：获取随机数、图片切换、图片判断、判断错误。

具体的工作流程简图如图5所示，当测试者看到屏幕上显示的字符、并在键盘上选按出相应的方向后，蓝牙无线传输模块将发送该采集参数给中央处理器进行处理，当识别的按键方位与屏幕显示字符的方向相符合时，屏幕随机显示出下一级字符，测试者观察字符后继续比划手势，以此循环。当识别的按键方位与屏幕显示字符的方向不相符合时，中央处理器指令操纵屏幕显示所测眼睛视数，测试者随之更换另一只眼睛再次进行视力检测，最终中央处理器结合2次检测结果，生成特征综合视力检测报表，且将其在屏幕上有效呈现出来。

在此基础上，小游戏的程序设计方案也是参考了图5的设计方案，其他模块的设计实现却主要是运用了系统的按键切换图片功能。

4 结束语

本次研究开发的基于STM32单片机控制技术及屏幕显示技术的自助测视力仪器即是一套技术先进、操作方便、适用于大众的高性价比的测试视力设备。自助式的检测方案独具特色，而且预期设计的基本功能都已实现。该仪器可用于学校等教育机构，以及公园等基础建设，自助测视力设备在应用上不仅可独自完成视力测试，同时还可获得精准测试结果等特点。以往国民定期测试视力仍颇显现实欠缺，这套自助测视力设备普及推广使用将能大大改善这一现象，人们若能时时掌握自己的视力健康情况，必能优势避免患上近视或者远视等眼疾。这也将有效缓解国民视力健康的严峻问题，并使其进一步趋于合理改善。

参考文献：

[1] 陈鑫，秦宏伟，陈春丽，等.基于Cortex-M3内核的STM32微控制器研究与电路设计[J].大庆师范学院学报，2013，33（6）： 44-47.

[2] 周江. STM32单片机原理及硬件电路设计研究[J].数控技术与应用，2015（11）：1.

[3] GB 11533-2011，标准对数视力表[S].北京：中国国家标准化管理委员会，2011.

[4] 王波. 基于STM32单片机的数码相框显示系统设计[J].电脑知识与技术，2016，12（17）：241-242.