基于單片機的視力保護器設(shè)計

為了保護青少年的視力，現(xiàn)如今越來越多的公司都在研發(fā)生產(chǎn)各種視力保護產(chǎn)品，國內(nèi)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，不能滿足消費者的個性化需求。針對這一問題，本文將單片機與視力保護相結(jié)合，利用單片機芯片的智能處理功能，結(jié)合超聲波測距原理，光敏電阻隨光強變化的特點，單片機定時器T0，T1的工作原理，以及LCD1602液晶顯示器的使用方法，設(shè)計了一個多功能視力保護器。該設(shè)計的技術(shù)要求是當(dāng)學(xué)生的面部與書本或電腦的距離小于30 cm時，蜂鳴器產(chǎn)生聲光報警，提醒學(xué)生注意坐姿;當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)時間超過45分鐘時，蜂鳴器產(chǎn)生聲光報警，提醒學(xué)生休息片刻;當(dāng)光線過強或過弱時，蜂鳴器產(chǎn)生聲光報警，提醒學(xué)生注意學(xué)習(xí)環(huán)境;能夠分辨是什么原因引起的聲光報警;并具有設(shè)置功能，能夠自行設(shè)定相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

1 總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計方案

本系統(tǒng)采用STC89C52RC DPIP40單片機作為核心控制單元，通過HC—SR04超聲波測距模塊測量人的面部到書本的距離，當(dāng)測得距離小于30 cm或設(shè)定距離時產(chǎn)生聲光報警。利用光敏電阻的光電導(dǎo)效應(yīng)采集光線模擬信號，并通過ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，對數(shù)字信號進行光強等級處理并用1602液晶顯示器顯示光的強弱，當(dāng)光太強或太弱時產(chǎn)生報警。通過單片機內(nèi)部定時器T1對學(xué)習(xí)時間進行計時，當(dāng)學(xué)習(xí)時間超過45分鐘或設(shè)定值時產(chǎn)生報警，其中報警電路由一個PNP型三極管驅(qū)動。系統(tǒng)總體設(shè)計方框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟

本設(shè)計的主要步驟如下：

1)認(rèn)真分析視力保護器的技術(shù)要求。

2)確定硬件設(shè)備，選好器件的型號。

3)畫電路原理圖。

4)根據(jù)硬件電路及各芯片的時序編寫程序。

5)將程序輸入單片機進行軟件測試，查找錯誤，使系統(tǒng)程序更加完善。

6)根據(jù)電路原理圖及相應(yīng)元器件的焊接方法焊接硬件電路。

7)將程序?qū)戇M單片機進行硬件調(diào)試。

2 硬件設(shè)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(tǒng)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(jié)的用戶應(yīng)用程序空間，片上集成512字節(jié)RAM，內(nèi)部帶2 K EEPROM的存儲空間。通過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，價格便宜，所以本設(shè)計采用STC89C52RC作為控制電路的主選芯片。

2.1 主控模塊設(shè)計

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

定，極性電容一般采用10～30μF。單片機的時鐘工作以后，只要RST引腳上出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平，系統(tǒng)就復(fù)位。

2.2 蜂鳴器報警電路模塊設(shè)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(shè)計選用電磁式蜂鳴器，其發(fā)聲的原理為電流通過電磁線圈產(chǎn)生磁場，進而驅(qū)動振動膜片發(fā)聲。由于單片機I/O引腳輸出電流的驅(qū)動能力有限，所以采用PNP型三極管(放大作用)驅(qū)動蜂鳴器。當(dāng)P1.3輸出高電平“1”時，三極管Q1截止，沒有電流流過線圈，蜂鳴器不發(fā)聲，當(dāng)P1.3輸出低電平“0”時，三極管Q1導(dǎo)通，電流流過蜂鳴器線圈，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進行的。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(shè)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(dǎo)體材料制成，它的工作區(qū)在一個很薄的光敏層上，光敏層具有電阻特性，兩端由金屬電極引出。無光照時，光敏電阻的阻值很大，當(dāng)光線照到光敏層上，半導(dǎo)體材料中的載流子將迅速增加，阻值下降，光線越強，阻值越低。光敏電阻通常做成片狀結(jié)構(gòu)，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。光敏電阻屬于有源器件，工作時必須加電源。

2.3.2 光敏電阻測光電路

光敏電阻測光電路工作原理：當(dāng)光線發(fā)生變化時，由于光敏電阻內(nèi)部載流子發(fā)生變化，所以流過光敏電阻的電流發(fā)生變化，進而R6兩端的分壓產(chǎn)生變化，該模擬電壓信號經(jīng)過ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集后便可得到相應(yīng)的數(shù)字信號，再經(jīng)過單片機處理后，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圖如圖3所示。

2.4 電源接口電路模塊設(shè)計

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

2.5 按鍵電路模塊設(shè)計

本設(shè)計用按鍵設(shè)置學(xué)習(xí)時間、光線強弱界限以及報警距離。按鍵電路接線圖如圖5所示。其中S4為設(shè)置鍵，S3為開始學(xué)習(xí)鍵和設(shè)定值的加鍵，S2為時間清零鍵和設(shè)定值的減鍵。當(dāng)某鍵按下時，低電平有效。

2.6 超聲波測距模塊設(shè)計

2.6.1 超聲波簡介

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，在通過兩種不同介質(zhì)時，在介質(zhì)表面會發(fā)生反射、折射現(xiàn)象，超聲波在傳播過程中有一定的衰減。超聲波在空氣中衰減較快，頻率越高，衰減越快，故在空氣中傳播時采用頻率較低的超聲波40 kHz。

2.6.2 超聲波測距原理

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

測距時，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，計算出超聲波在空氣中傳播的往返時間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(shè)計采用HC—SRO4超聲波測距模塊測量人的臉部離書籍的距離。該模塊測距范圍為2～400 cm，測距精度高達(dá)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，這時模塊自動發(fā)送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回，如果有信號返回，則通過I/O口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間便是超聲波從發(fā)射到返回的時間，測試距離=(高電平時間*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(shè)計

本設(shè)計使用的編程語言為C語言，根據(jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，先寫出主程序，再利用硬件電路功能及各芯片、各模塊的工作時序?qū)懗鲎映绦颍詈笤谥鞒绦蛑羞M行調(diào)用，這種方法簡單，主程序語句少，且易于軟件設(shè)計和查錯，還能很好的利用硬件電路，分模塊進行調(diào)試。

3. 1 主程序流程圖

系統(tǒng)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間，工作于工作方式1，對單片機的機器周期進行計數(shù)。定時器的定時時間與系統(tǒng)的時鐘頻率有關(guān)，由于一個機器周期等于12個時鐘周期，晶振為12 MHz，則計數(shù)周期為：T=12x1/(12x106)=1μs。當(dāng)超聲波ECHO端為高電平時開始計時。超聲波測距子程序流程圖如圖9所示。

學(xué)習(xí)時間由定時器T1定時，其工作于工作方式1，初值為TH1=0X3C;TL1=0XB0;50 ms中斷一次，value加1，當(dāng)value值加到20時，即為1 s，秒鐘加1;當(dāng)秒加到60時，分鐘加1;當(dāng)分加到60時，時加1;當(dāng)時加到24時，從新開始。報警子程序流程圖如圖10所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

軟件測試：在Keil uvision4中編寫程序，進行調(diào)試，修改語法錯誤。

硬件測試：焊接電路之前，先用萬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(fù)以及PNP型三極管的三個級。在焊接電路板時，從單片機最小系統(tǒng)開始，分模塊，逐個進行焊接并隨時用萬用表的“二極管”擋測試電路是否導(dǎo)通。焊接完成后，利用STC_ISP _V479下載軟件將編好程序燒進單片機芯片中，并進行功能檢測。

5 結(jié)論

經(jīng)過軟硬件的設(shè)計與調(diào)試，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計要求，當(dāng)學(xué)生開始學(xué)習(xí)時;若光線低于設(shè)定的弱光或光線高于設(shè)定的強光時，報警電路產(chǎn)生聲光報警，提醒學(xué)生注意學(xué)習(xí)環(huán)境;若超聲波測到的距離小于30 cm或設(shè)定值時，報警電路產(chǎn)生聲光報警，提醒學(xué)生調(diào)節(jié)眼睛到書本的距離。當(dāng)學(xué)習(xí)時間到達(dá)設(shè)定值時，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(shè)計沒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，還可通過溫度傳感器DS18B20進一步完善，使其測量更加精確。