CN109633926A - 一种环境光强自适应遮光护目眼镜结构及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环境光强自适应遮光护目眼镜结构及控制方法，该结构包括眼镜框架和液晶玻璃镜片，液晶玻璃镜片的透光率可调节；当检测到变化的光强时，光线传感器接收端输出变化的电压信号，经过光线检测电路后送入微控制器进行采样处理，得到当前的光线强度；用户通过控制按键输入信息，按键检测电路将检测到的用户输入信息送入微控制器；微控制器根据光强变化，改变输出信号的占空比，液晶透光率调节电路进而输出调节控制量，液晶玻璃驱动电路根据调节控制量提供正确的驱动波形，实现液晶玻璃镜片的透光率调节。本发明能根据环境光线强度的变化自动调节镜片透光率为人眼提供一个稳定而舒适的光强环境，能有效保护人眼。

Description

一种环境光强自适应遮光护目眼镜结构及控制方法
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种环境光强自适应遮光护目眼镜结构及控制方法。
背景技术
眼睛是重要的感光器官，很多突变的强光对我们的眼睛是有害的，例如汽车驶入或出隧道时，和紫外线灯、原子弹爆炸等情形。在光线突然变强下若无特別的防护，极易使眼睛受伤，而光线突然变弱时会形成暂时性失明。针对以上种种对眼睛有害的情况，本发明采用PID闭环控制技术能够在不同的环境光强下始终保持镜片透过恒定的光照强度，从而能够在以上有害情况出现时，通过及时的调整镜片透光率来保持人眼所接收到的光照强度为给定的恒定值，从而减少光强变化对人眼的损害。目前市面上的遮光眼镜多为透光率不可自动调节型，无法实时改变镜片透光率使人眼始终处于一个给定的合适光线环境中。现有的变色眼镜变色原理多为一般镜片中掺入卤化物或氧化物型，其变色需经过较长时间的光照才能衰减强光，约为3分钟强光照射衰减50％，当镜片离开强光后3分钟恢复25％。其响应实时性较差，仍有很多的的强光进入人眼，无法满足人眼对光线舒适感的要求。本发明的响应速度为5ms，相较其他产品在响应时间上有着明显的优势，可以有效阻止绝大部分强光进入人眼，能可靠的为人眼提供一个舒适稳定的光线环境。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种环境光强自适应遮光护目眼镜结构及控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种环境光强自适应遮光护目眼镜结构，该结构包括眼镜框架和液晶玻璃镜片，液晶玻璃镜片的透光率可调节；眼镜框架的中间位置设置有眼镜主控部分；眼镜主控部分的顶部设置有控制按键，两侧分别设置有光线传感器接收端；其中：
眼镜主控部分内部设置有微控制器、光线检测电路、按键检测电路、液晶玻璃透光率调节电路和液晶玻璃驱动电路；
光线传感器接收端通过光线检测电路与微控制器相连，用于检测液晶玻璃镜片的光强变化；当检测到变化的光强时，光线传感器接收端输出变化的电压信号，经过光线检测电路后送入微控制器进行采样处理，得到当前的光线强度；
控制按键通过按键检测电路与微控制器相连，用户通过控制按键输入信息，按键检测电路将检测到的用户输入信息送入微控制器；
液晶玻璃镜片通过液晶玻璃透光率调节电路、液晶玻璃驱动电路与微控制器相连；微控制器根据光强变化，改变输出信号的占空比，液晶透光率调节电路进而输出调节控制量，液晶玻璃驱动电路根据调节控制量提供正确的驱动波形，实现液晶玻璃镜片的透光率调节。
进一步地，本发明的光线传感器接收端采用光敏电阻。
进一步地，本发明的控制按键的控制方式包括单击、双击和长按；单击控制按键时，减小液晶玻璃透光率的给定值；双击控制按键时，增大液晶玻璃透光率的给定值；长按控制按键时，护目镜进入待机状态。
进一步地，本发明的眼镜主控部分底部设置有充电接口，眼镜主控部分内部设置有电池供电模块，充电接口通过微控制器与电池供电模块相连。
本发明提供一种环境光强自适应遮光护目眼镜结构的控制方法，该方法包括以下步骤：
S1、用户通过控制按键设置液晶玻璃镜片的透光率给定值，液晶玻璃镜片的透光率给定值对应用户感受舒适的光线强度的给定值；
S2、光线传感器接收端实时检测透过液晶玻璃镜片的光线强度，光线传感器接收端输出电压信号，经过光线检测电路后送入微控制器进行采样处理，微控制器将采样到的一组数据去掉最大值和最小值后求剩下电压信号的平均值，根据电压信号换算出实际的光线强度；
S3、当微控制器检测到实际的光线强度不为光线强度的给定值时，调节液晶玻璃镜片的透光率；通过PID控制程序，输出PWM占空比的变化率，从而调节输出电压值，使液晶玻璃镜片的透光率维持在给定值。
进一步地，本发明的步骤S1中控制按键的设置方法为：当微控制器的外部中断引脚上产生外部中断时，微控制器进入中断处理函数，使按键次数标记为单按，同时启动定时器定时3秒，处理完中断函数程序延时300ms，若延时过程中发生相同外部中断，则将按键次数标记为双按，中断函数完成后输出按键状态；单击控制按键时，减小液晶玻璃镜片透光率的给定值；双击控制按键时，增大液晶玻璃镜片透光率的给定值；若定时3S检测该引脚为高电平，则按键标记为长按，进入微控制器低功耗模式。
进一步地，本发明的步骤S3中的PID控制程序的方法为：
调节液晶玻璃镜片的透光率，微控制器获取光线强度的反馈测试量；
调节液晶玻璃镜片的透光率，微控制器获取光线强度的反馈测试量；
计算光线强度的给定值与反馈测试量之间的检测误差E(k)，k为时间；
计算ΔUp(k)＝Kp[E(k)-E(k-1)]；
计算ΔUI(k)＝KIE(k)；
计算ΔUD(k)＝KD[E(k)-2E(k-1)]+E(k-2)]
计算ΔU(k)＝ΔUP(k)+ΔUI(k)+ΔUD(k)，输出ΔU(k)；
其中，设定的比例、积分、微分参数分别为KP、KI、KD；分别计算出ΔUP、ΔUI、ΔUD，ΔUP、ΔUI、ΔUD分别为比例增量、积分增量、微分增量，并得输出结果ΔU(k)，ΔU(k)为PID调节的变化量，根据ΔU(k)进行计算需要改变的PWM脉宽值。
本发明产生的有益效果是：本发明的环境光强自适应遮光护目眼镜结构及控制方法，使用简单，能够在环境光强变化的情况下为人们提供一种保持镜片人眼侧光照强度始终维持给定值的解决方案，以减少突变的强光对人眼的损害，使人眼能够工作在一个舒适的光照环境中；本发明响应速度快、控制精度高、稳定性能好、控制成本低等优点，能根据环境光线强度的变化自动调节镜片透光率为人眼提供一个稳定而舒适的光强环境，以保护人眼不受突发性强光环境的损害和突发性弱光环境的视觉干扰。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的结构框图；
图2是本发明实施例的采样数据程序框图；
图3是本发明实施例的按键检测据程序框图；
图4是本发明实施例的液晶玻璃亮度调节程序；
图5是本发明实施例的PID控制程序程序；
图6是本发明实施例的控制响应曲线；
图7是本发明实施例的结构示意图；
图中：1-眼镜框架，2-控制按键，3-眼镜主控部分，4-光线传感器接收端，5-液晶玻璃镜片，6-充电接口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例的环境光强自适应遮光护目眼镜结构，该结构包括眼镜框架1和液晶玻璃镜片5，液晶玻璃镜片5的透光率可调节；眼镜框架1的中间位置设置有眼镜主控部分3；眼镜主控部分3的顶部设置有控制按键2，两侧分别设置有光线传感器接收端4；其中：
眼镜主控部分3内部设置有微控制器、光线检测电路、按键检测电路、液晶玻璃透光率调节电路和液晶玻璃驱动电路；
光线传感器接收端4通过光线检测电路与微控制器相连，用于检测液晶玻璃镜片5的光强变化；当检测到变化的光强时，光线传感器接收端4输出变化的电压信号，经过光线检测电路后送入微控制器进行采样处理，得到当前的光线强度；
控制按键2通过按键检测电路与微控制器相连，用户通过控制按键2输入信息，按键检测电路将检测到的用户输入信息送入微控制器；
液晶玻璃镜片5通过液晶玻璃透光率调节电路、液晶玻璃驱动电路与微控制器相连；微控制器根据光强变化，改变输出信号的占空比，液晶透光率调节电路进而输出调节控制量，液晶玻璃驱动电路根据调节控制量提供正确的驱动波形，实现液晶玻璃镜片5的透光率调节。
光线传感器接收端4采用光敏电阻。控制按键2的控制方式包括单击、双击和长按；单击控制按键2时，减小液晶玻璃透光率的给定值；双击控制按键2时，增大液晶玻璃透光率的给定值；长按控制按键2时，护目镜进入待机状态。眼镜主控部分3底部设置有充电接口6，眼镜主控部分3内部设置有电池供电模块，充电接口6通过微控制器与电池供电模块相连。
当镜片内侧光敏电阻检测到变化的光强时，则检测模块输出变化的电压信号，经信号处理电路后送入微控制器进行采样处理后，得到当前的光线强度，当检测到透过镜片的光线强度不为设定值时，则根据设定值与检测值之间的误差值，微控制器控制液晶玻璃透光率调整模块改变输出电压值，并在正半波和负半波调节模块下作用下调制出正确的驱动信号形式使镜片内侧的光线强度至设定值，以保护人眼。当微控制器检测到按键为单击时，液晶玻璃透光率的给定值变小，当检测到按键为双击时，液晶玻璃透光率的给定值变大。当微控制器检测达到按键为长按时，则使整个控制系统进入待机状态。
本发明的硬件结构主要由四部分组成，分别为光线检测电路，按键检测电路，液晶玻璃透光率调节电路，液晶玻璃驱动电路。
光线检测电路主要是检测外界光强的变化,根据光强的变化产生变换的电信号。按键检测电路主要是检测用户的输入信息，传送给微控制器，微控制器根据用户输入的控制信息产生对应的控制效果。液晶透光率调节电路主要是根据微控制器输出的给定量来调节液晶玻璃的透光率。液晶玻璃驱动电路主要是为液晶玻璃提供正确的驱动波形。
本发明实施例的环境光强自适应遮光护目眼镜结构的控制方法，该方法包括以下步骤：
S1、用户通过控制按键设置液晶玻璃镜片的透光率给定值，液晶玻璃镜片的透光率给定值对应用户感受舒适的光线强度的给定值；
S2、光线传感器接收端实时检测透过液晶玻璃镜片的光线强度，光线传感器接收端输出电压信号，经过光线检测电路后送入微控制器进行采样处理，微控制器将采样到的一组数据去掉最大值和最小值后求剩下电压信号的平均值，根据电压信号换算出实际的光线强度；
S3、当微控制器检测到实际的光线强度不为光线强度的给定值时，调节液晶玻璃镜片的透光率；通过PID控制程序，输出PWM占空比的变化率，从而调节输出电压值，使液晶玻璃镜片的透光率维持在给定值。
步骤S1中控制按键的设置方法为：当微控制器的外部中断引脚上产生外部中断时，微控制器进入中断处理函数，使按键次数标记为单按，同时启动定时器定时3秒，处理完中断函数程序延时300ms，若延时过程中发生相同外部中断，则将按键次数标记为双按，中断函数完成后输出按键状态；单击控制按键时，减小液晶玻璃镜片透光率的给定值；双击控制按键时，增大液晶玻璃镜片透光率的给定值；若定时3S检测该引脚为高电平，则按键标记为长按，进入微控制器低功耗模式。
步骤S3中的PID控制程序的方法为：
调节液晶玻璃镜片的透光率，微控制器获取光线强度的反馈测试量；
调节液晶玻璃镜片的透光率，微控制器获取光线强度的反馈测试量；
计算光线强度的给定值与反馈测试量之间的检测误差E(k)，k为时间；
计算ΔUp(k)＝Kp[E(k)-E(k-1)]；
计算ΔUI(k)＝KIE(k)；
计算ΔUD(k)＝KD[E(k)-2E(k-1)+E(k-2)]
计算ΔU(k)＝ΔUP(k)+ΔUI(k)+ΔUD(k)，输出ΔU(k)；
其中，设定的比例、积分、微分参数分别为KP、KI、KD；分别计算出ΔUP、ΔUI、ΔUD，ΔUP、ΔUI、ΔUD分别为比例增量、积分增量、微分增量，并得输出结果ΔU(k)，ΔU(k)为PID调节的变化量，根据ΔU(k)进行计算需要改变的PWM脉宽值。
本发明的控制程序算法部分由采样数据处理程序，按键检测程序，液晶玻璃透光率调节程序以及液晶玻璃驱动程序和PID算法程序等部分来组成。
微控制器将采样到的一组数据去掉最大值和最小值后求剩下数据的平均值，以这种中间值滤波的方式去除干扰数据得到采集的稳定电压值，根据电压值换算出实际的光强。
当微控制器的外部中断引脚上产生外部中断时，微控制器进入中断处理函数，使按键次数标记为单按，同时启动定时器定时3秒，处理完中断函数程序延时300ms，若延时过程中发生相同外部中断，则将按键次数标记为双按，中断函数完成后输出按键状态。若定时3S检测该引脚为高电平，则按键标记为长按，进入单片机低功耗模式。
输入标记的按键次数，并判断按键次数为单按还是双按，当按键次数为单按时，则减小液晶玻璃透光率的给定值，当为双按的时，则增大液晶玻璃透光率的给定值。同时将该值送入PID控制程序中，输出PWM占空比的变化量，从而调节输出电压的值，使镜片透光率维持在给定值。
根据反馈量与给定量之间的误差，以及设定的比例、积分、微分参数KP、KI、KD分别计算出ΔUP、ΔUI、ΔUD，并得输出结果ΔU(k)进行计算需要改变的PWM脉宽值。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种环境光强自适应遮光护目眼镜结构，其特征在于，该结构包括眼镜框架(1)和液晶玻璃镜片(5)，液晶玻璃镜片(5)的透光率可调节；眼镜框架(1)的中间位置设置有眼镜主控部分(3)；眼镜主控部分(3)的顶部设置有控制按键(2)，两侧分别设置有光线传感器接收端(4)；其中：
眼镜主控部分(3)内部设置有微控制器、光线检测电路、按键检测电路、液晶玻璃透光率调节电路和液晶玻璃驱动电路；
光线传感器接收端(4)通过光线检测电路与微控制器相连，用于检测液晶玻璃镜片(5)的光强变化；当检测到变化的光强时，光线传感器接收端(4)输出变化的电压信号，经过光线检测电路后送入微控制器进行采样处理，得到当前的光线强度；
控制按键(2)通过按键检测电路与微控制器相连，用户通过控制按键(2)输入信息，按键检测电路将检测到的用户输入信息送入微控制器；
液晶玻璃镜片(5)通过液晶玻璃透光率调节电路、液晶玻璃驱动电路与微控制器相连；微控制器根据光强变化，改变输出信号的占空比，液晶透光率调节电路进而输出调节控制量，液晶玻璃驱动电路根据调节控制量提供正确的驱动波形，实现液晶玻璃镜片(5)的透光率调节。
2.根据权利要求1所述的环境光强自适应遮光护目眼镜结构，其特征在于，光线传感器接收端(4)采用光敏电阻。
3.根据权利要求1所述的环境光强自适应遮光护目眼镜结构，其特征在于，控制按键(2)的控制方式包括单击、双击和长按；单击控制按键(2)时，减小液晶玻璃透光率的给定值；双击控制按键(2)时，增大液晶玻璃透光率的给定值；长按控制按键(2)时，护目眼镜进入待机状态。
4.根据权利要求1所述的环境光强自适应遮光护目眼镜结构，其特征在于，眼镜主控部分(3)底部设置有充电接口(6)，眼镜主控部分(3)内部设置有电池供电模块，充电接口(6)通过微控制器与电池供电模块相连。
5.一种环境光强自适应遮光护目眼镜结构的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、用户通过控制按键设置液晶玻璃镜片的透光率给定值，液晶玻璃镜片的透光率给定值对应用户感受舒适的光线强度的给定值；
S2、光线传感器接收端实时检测透过液晶玻璃镜片的光线强度，光线传感器接收端输出电压信号，经过光线检测电路后送入微控制器进行采样处理，微控制器将采样到的一组数据去掉最大值和最小值后求剩下电压信号的平均值，根据电压信号换算出实际的光线强度；
S3、当微控制器检测到实际的光线强度不为光线强度的给定值时，调节液晶玻璃镜片的透光率；通过PID控制程序，输出PWM占空比的变化率，从而调节输出电压值，使液晶玻璃镜片的透光率维持在给定值。
6.根据权利要求5所述的环境光强自适应遮光护目眼镜结构的控制方法，其特征在于，步骤S1中控制按键的设置方法为：当微控制器的外部中断引脚上产生外部中断时，微控制器进入中断处理函数，使按键次数标记为单按，同时启动定时器定时3秒，处理完中断函数程序延时300ms，若延时过程中发生相同外部中断，则将按键次数标记为双按，中断函数完成后输出按键状态；单击控制按键时，减小液晶玻璃镜片透光率的给定值；双击控制按键时，增大液晶玻璃镜片透光率的给定值；若定时3S检测该引脚为高电平，则按键标记为长按，进入微控制器低功耗模式。
7.根据权利要求5所述的环境光强自适应遮光护目眼镜结构的控制方法，其特征在于，步骤S3中的PID控制程序的方法为：
调节液晶玻璃镜片的透光率，微控制器获取光线强度的反馈测试量；
计算光线强度的给定值与反馈测试量之间的检测误差E(k)，k为时间；
计算ΔUp(k)＝Kp[E(k)-E(k-1)]；
计算ΔUI(k)＝KIE(k)；
计算ΔUD(k)＝KD[E(k)-2E(k-1)+E(k-2)]
计算ΔU(k)＝ΔUP(k)+ΔUI(k)+ΔUD(k)，输出ΔU(k)；
其中，设定的比例、积分、微分参数分别为KP、KI、KD；分别计算出ΔUP、ΔUI、ΔUD，ΔUP、ΔUI、ΔUD分别为比例增量、积分增量、微分增量，并得输出结果ΔUk，ΔU(k)为PID调节的变化量，根据ΔU(k)进行计算需要改变的PWM脉宽值。
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