基于單片機的視力保護器設計

為了保護青少年的視力，現如今越來(lái)越多的公司都在研發(fā)生產(chǎn)各種視力保護產(chǎn)品，國內主要有眼保姆，坐姿矯正器和各種護眼燈;國外有法國艾斯·布魯斯研發(fā)的光明天使博士鏡，以及美國眼科專(zhuān)家威廉貝茨研發(fā)的阿瞳二代產(chǎn)品。但這些產(chǎn)品功能單一，不能滿(mǎn)足消費者的個(gè)性化需求。針對這一問(wèn)題，本文將單片機與視力保護相結合，利用單片機芯片的智能處理功能，結合超聲波測距原理，光敏電阻隨光強變化的特點(diǎn)，單片機定時(shí)器T0，T1的工作原理，以及LCD1602液晶顯示器的使用方法，設計了一個(gè)多功能視力保護器。該設計的技術(shù)要求是當學(xué)生的面部與書(shū)本或電腦的距離小于30 cm時(shí)，蜂鳴器產(chǎn)生聲光報警，提醒學(xué)生注意坐姿;當學(xué)生學(xué)習時(shí)間超過(guò)45分鐘時(shí)，蜂鳴器產(chǎn)生聲光報警，提醒學(xué)生休息片刻;當光線(xiàn)過(guò)強或過(guò)弱時(shí)，蜂鳴器產(chǎn)生聲光報警，提醒學(xué)生注意學(xué)習環(huán)境;能夠分辨是什么原因引起的聲光報警;并具有設置功能，能夠自行設定相應的數據。

1 總體設計

1.1 系統設計方案

本系統采用STC89C52RC DPIP40單片機作為核心控制單元，通過(guò)HC—SR04超聲波測距模塊測量人的面部到書(shū)本的距離，當測得距離小于30 cm或設定距離時(shí)產(chǎn)生聲光報警。利用光敏電阻的光電導效應采集光線(xiàn)模擬信號，并通過(guò)ADC0832模數轉換器轉換為數字信號，對數字信號進(jìn)行光強等級處理并用1602液晶顯示器顯示光的強弱，當光太強或太弱時(shí)產(chǎn)生報警。通過(guò)單片機內部定時(shí)器T1對學(xué)習時(shí)間進(jìn)行計時(shí)，當學(xué)習時(shí)間超過(guò)45分鐘或設定值時(shí)產(chǎn)生報警，其中報警電路由一個(gè)PNP型三極管驅動(dòng)。系統總體設計方框圖如圖1所示。

1.2 系統設計的基本步驟

本設計的主要步驟如下：

1)認真分析視力保護器的技術(shù)要求。

2)確定硬件設備，選好器件的型號。

3)畫(huà)電路原理圖。

4)根據硬件電路及各芯片的時(shí)序編寫(xiě)程序。

5)將程序輸入單片機進(jìn)行軟件測試，查找錯誤，使系統程序更加完善。

6)根據電路原理圖及相應元器件的焊接方法焊接硬件電路。

7)將程序寫(xiě)進(jìn)單片機進(jìn)行硬件調試。

2 硬件設計

STC89C52RC PDIP封裝單片機由宏晶科技推出，其指令代碼完全兼容傳統8051單片機，是一種增強型8051單片機。工作電壓為5. 5～3.3 V(5 V單片機)，有8 K字節的用戶(hù)應用程序空間，片上集成512字節RAM，內部帶2 K EEPROM的存儲空間。通過(guò)串口就可直接下載程序，且處理速度快，抗干擾能力強，功耗低，價(jià)格便宜，所以本設計采用STC89C52RC作為控制電路的主選芯片。

2.1 主控模塊設計

該主控模塊含有時(shí)鐘電路、系統復位電路、電源電路。其中時(shí)鐘電路由單片機內部反相放大器的輸入引腳跨接在晶振兩端和兩個(gè)微調電容組成，構成自激勵振蕩器，用來(lái)產(chǎn)生單片機工作時(shí)必須的時(shí)鐘信號。時(shí)鐘電路中電容選用20 pF，晶振選用12 MHz，因為頻率越高單片機的速度越快。系統采用按鍵復位的工作方式，其復位電路由復位按鍵、10μF電容和10kΩ電阻組成，單片機的復位時(shí)間由復位電路的極性電容決

定，極性電容一般采用10～30μF。單片機的時(shí)鐘工作以后，只要RST引腳上出現兩個(gè)機器周期以上的高電平，系統就復位。

2.2 蜂鳴器報警電路模塊設計

由于電磁式蜂鳴器需要較低的電壓就能發(fā)出很高分貝的聲音，本設計選用電磁式蜂鳴器，其發(fā)聲的原理為電流通過(guò)電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，進(jìn)而驅動(dòng)振動(dòng)膜片發(fā)聲。由于單片機I/O引腳輸出電流的驅動(dòng)能力有限，所以采用PNP型三極管(放大作用)驅動(dòng)蜂鳴器。當P1.3輸出高電平“1”時(shí)，三極管Q1截止，沒(méi)有電流流過(guò)線(xiàn)圈，蜂鳴器不發(fā)聲，當P1.3輸出低電平“0”時(shí)，三極管Q1導通，電流流過(guò)蜂鳴器線(xiàn)圈，蜂鳴器發(fā)聲。因為發(fā)光二極管和蜂鳴器并聯(lián)，所以聲光報警是同時(shí)進(jìn)行的。蜂鳴器報警電路圖如圖2所示。

2.3 光敏電阻測光電路模塊設計

2.3. 1 光敏電阻

光敏電阻采用硅，鍺，硫化鎘，硒化鉛等半導體材料制成，它的工作區在一個(gè)很薄的光敏層上，光敏層具有電阻特性，兩端由金屬電極引出。無(wú)光照時(shí)，光敏電阻的阻值很大，當光線(xiàn)照到光敏層上，半導體材料中的載流子將迅速增加，阻值下降，光線(xiàn)越強，阻值越低。光敏電阻通常做成片狀結構，以便吸收更多光能。光敏電阻具有靈敏度高，測光范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。光敏電阻屬于有源器件，工作時(shí)必須加電源。

2.3.2 光敏電阻測光電路

光敏電阻測光電路工作原理：當光線(xiàn)發(fā)生變化時(shí)，由于光敏電阻內部載流子發(fā)生變化，所以流過(guò)光敏電阻的電流發(fā)生變化，進(jìn)而R6兩端的分壓產(chǎn)生變化，該模擬電壓信號經(jīng)過(guò)ADC0832模數轉換器采集后便可得到相應的數字信號，再經(jīng)過(guò)單片機處理后，在LCD液晶模塊上顯示光的強弱百分比。光敏電阻測光電路接線(xiàn)圖如圖3所示。

2.4 電源接口電路模塊設計

本設計采用3節1.5 V電池串聯(lián)供電，電池盒和自鎖開(kāi)關(guān)串聯(lián)可以方便電路的通斷。電源接口電路接線(xiàn)圖如圖4所示。

2.5 按鍵電路模塊設計

本設計用按鍵設置學(xué)習時(shí)間、光線(xiàn)強弱界限以及報警距離。按鍵電路接線(xiàn)圖如圖5所示。其中S4為設置鍵，S3為開(kāi)始學(xué)習鍵和設定值的加鍵，S2為時(shí)間清零鍵和設定值的減鍵。當某鍵按下時(shí)，低電平有效。

2.6 超聲波測距模塊設計

2.6.1 超聲波簡(jiǎn)介

超聲波是高于20 kHz的機械波，它在不同的介質(zhì)中傳播速度不同，在通過(guò)兩種不同介質(zhì)時(shí)，在介質(zhì)表面會(huì )發(fā)生反射、折射現象，超聲波在傳播過(guò)程中有一定的衰減。超聲波在空氣中衰減較快，頻率越高，衰減越快，故在空氣中傳播時(shí)采用頻率較低的超聲波40 kHz。

2.6.2 超聲波測距原理

本設計利用超聲波遇到障礙物發(fā)生反射的特性，采用往返時(shí)間檢測的方法進(jìn)行測距，超聲波測距原理圖如圖6所示。

測距時(shí)，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，超聲波在空氣中傳播遇到障礙物就立即反射回來(lái)，計算出超聲波在空氣中傳播的往返時(shí)間t，超聲波在空氣中傳播的速度為：340 m/s。利用如下公式(1)便可知超聲波探頭距障礙物的距離S。

S=vt/2 (1)

2.6.3 HC—SRO4超聲波測距模塊

本設計采用HC—SRO4超聲波測距模塊測量人的臉部離書(shū)籍的距離。該模塊測距范圍為2～400 cm，測距精度高達3 mm;模塊由超聲波發(fā)射器，超聲波接收器，控制電路組成，其中發(fā)射器發(fā)射超聲波信號用來(lái)作為距離的采樣信號，接收器接收所發(fā)射的信號。

HC—SRO4超聲波測距模塊采用I/O口TIRG觸發(fā)測距，給TIRG最少10 s的高電平，這時(shí)模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測是否有信號返回，如果有信號返回，則通過(guò)I/O口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續的時(shí)間便是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，測試距離=(高電平時(shí)間*340 m/s)/2。HC—SRO4超聲波測距模塊的引腳圖如圖7所示。其中VCC接電源，GND接地，TIRG為觸發(fā)控制信號輸入端接P3.3，ECHO為回響信號輸出端接P3.2。

3 軟件設計

本設計使用的編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言，根據系統要實(shí)現的功能，先寫(xiě)出主程序，再利用硬件電路功能及各芯片、各模塊的工作時(shí)序寫(xiě)出子程序，最后在主程序中進(jìn)行調用，這種方法簡(jiǎn)單，主程序語(yǔ)句少，且易于軟件設計和查錯，還能很好的利用硬件電路，分模塊進(jìn)行調試。

3. 1 主程序流程圖

系統主程序流程圖如圖8所示。

3.2 部分子程序流程圖

T0用于測超聲波的往返時(shí)間，工作于工作方式1，對單片機的機器周期進(jìn)行計數。定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間與系統的時(shí)鐘頻率有關(guān)，由于一個(gè)機器周期等于12個(gè)時(shí)鐘周期，晶振為12 MHz，則計數周期為：T=12x1/(12x106)=1μs。當超聲波ECHO端為高電平時(shí)開(kāi)始計時(shí)。超聲波測距子程序流程圖如圖9所示。

學(xué)習時(shí)間由定時(shí)器T1定時(shí)，其工作于工作方式1，初值為T(mén)H1=0X3C;TL1=0XB0;50 ms中斷一次，value加1，當value值加到20時(shí)，即為1 s，秒鐘加1;當秒加到60時(shí)，分鐘加1;當分加到60時(shí)，時(shí)加1;當時(shí)加到24時(shí)，從新開(kāi)始。報警子程序流程圖如圖10所示。

4 系統調試

軟件測試：在Keil uvision4中編寫(xiě)程序，進(jìn)行調試，修改語(yǔ)法錯誤。

硬件測試：焊接電路之前，先用萬(wàn)用表測得各元器件的好壞，分清極性電容蜂鳴器、發(fā)光二極管的正負以及PNP型三極管的三個(gè)級。在焊接電路板時(shí)，從單片機最小系統開(kāi)始，分模塊，逐個(gè)進(jìn)行焊接并隨時(shí)用萬(wàn)用表的“二極管”擋測試電路是否導通。焊接完成后，利用STC_ISP _V479下載軟件將編好程序燒進(jìn)單片機芯片中，并進(jìn)行功能檢測。

5 結論

經(jīng)過(guò)軟硬件的設計與調試，系統達到了設計要求，當學(xué)生開(kāi)始學(xué)習時(shí);若光線(xiàn)低于設定的弱光或光線(xiàn)高于設定的強光時(shí)，報警電路產(chǎn)生聲光報警，提醒學(xué)生注意學(xué)習環(huán)境;若超聲波測到的距離小于30 cm或設定值時(shí)，報警電路產(chǎn)生聲光報警，提醒學(xué)生調節眼睛到書(shū)本的距離。當學(xué)習時(shí)間到達設定值時(shí)，產(chǎn)生10次報警，每次3下，提醒學(xué)生注意休息。由于超聲波在空氣中的傳播速度與溫度有關(guān)，本設計沒(méi)有考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，測量距離還有一定的誤差，但誤差很小，還可通過(guò)溫度傳感器DS18B20進(jìn)一步完善，使其測量更加精確。