单片机的坐姿不良提醒器的设计与实现
本课题选用AT89C51单片机作为核心部件，设计出了一款能够实现眼睛到课桌距离的测量、坐姿监测、坐姿不良报警提示以及液晶显示等功能的坐姿不良提醒器控制系统。这款控制系统包含了主控模块、超声波传感器、按键模块以及显示模块等部分。本文在硬件和软件两个层面上对坐姿不良提醒器控制系统进行了分别设计，最后制作了实物，经过大量的测试和验证，所设计的系统能够达到很高的性能指标。
目录
引言
一、 系统整体设计
（一） 功能要求
（二） 系统结构图
（三） 方案论证与选择
1. 主控芯片选择
2. 显示模块选择
二、 系统硬件设计
（一） 单片机与最小系统
1. 时钟电路
2. 复位电路
（二） 显示电路设计
（三） 超声波传感器电路设计
（四） 报警电路设计
（五） SC8035语音芯片电路设计
三、 系统软件设计
（一） 系统主程序设计
（二） 液晶屏显示流程设计
1. 写指令流程
2. 写数据流程
（三） 超声波工作流程图设计
（四） 报警电路工作流程设计
（五） 语音芯片驱动流程设计
四、 系统的调试与结果
（一） 实物制作与调试
1. 报警状态测试
2. 正常状态测试
（二） 制作过程的问题及分析
总结
致谢
参考文献
附录
（一）原理图
（二）元件列表
（三）PCB图
（四）实物图
（五）源程序
引言
读写姿势不正确，视距过近是造成近视的主要原因，同时中小学生时代是孩子身体成长的旺盛时期，坐姿和读写姿势不正确，会影响到孩子骨骼的健康成长，很容易引起脊椎弯曲或侧弯变，造成含胸驼背等影响，由此可见读写坐姿的重要性，本课题将要设计的这款坐姿不良提醒器控制
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
系统是一种使用微处理器来控制的电子系统，其保护原理是基于超声波测距原理，实现对阅读者眼睛到书桌（课本）的距离不间断测量机，从而实现对阅读者的坐姿进行间接判断和坐姿矫正，从而实现视力的保护。
最早的用于实现视力保护或者坐姿矫正功能的仪器或者称为穿戴衣物早在很多年前就已经出现，这类传统意义上的坐姿不良提醒器系统全部采用机械结构或者穿戴医疗器械（如背背佳等）来完成，当单片机技术还没有实现普遍化和生活化之前，使用传统方法来实现坐姿调整、身姿矫正功能是主流方式，这种传统式坐姿不良提醒器系统所表现出的特点也是非常显著的，由于全部采用机械部件来组成整个系统框架，因此在外观上是非常庞大的，在使用过程中由于机械部件存在不可避免的摩擦和老损，因此需要定期地进行维护活着部件更换，另外由于全部采用传统结构，因此一旦投入使用就很难有办法进行功能升级或者系统优化，只能一直使用到报废，这就是传统坐姿不良提醒器的典型特点。
随着科学技术的飞速发展以及电子技术的空前的全民化，家长已经越来越不能满足于这种传统坐姿不良提醒器所能实现的功能，这时候单片机系统的出现打破了这一僵局，于是诸多开发人员以及相关传统企业开始了对基于单片机的坐姿不良提醒器控制系统的开发与设计，由于单片机具有多管脚以及可编程等重要特性，其多管脚特点使得它可以同时对多种模块（按键、报警器以及液晶屏等）进行驱动，因此这种电子式的坐姿不良提醒器控制系统突破了传统式的单一功能性，不但实现了传统式的基本功能，更引入了显示、系统配置以及报警等新型功能，更加重要的是由于单片机能够实现程序编程，因此即使将产品推向市场，也不耽误坐姿不良提醒器产品的再升级，只需要通过程序代码的改写以及重新烧写就可以实现坐姿不良提醒器控制系统的二次甚至多次升级，这是传统式坐姿不良提醒器系统所无法实现的。电子式坐姿不良提醒器系统在国内外目前都已实现了全面化，由于各大企业对于生产坐姿不良提醒器系统产品的技术已经趋于成熟，同时也标志着为了实现更高性能的坐姿不良提醒器系统我们有很长一段路要走。
系统整体设计
功能要求
本次设计预计实现以下功能：
1、控制系统具有穿戴功能，当启动工作后，能够持续检测读书者眼睛距离课本的距离；
2、当系统检测到眼睛距离课本的距离过近时，立即发出报警提示信号，告知佩戴者尽快矫正坐姿；
3、使用价格低并且显示效果良好的LCD1602液晶屏作为显示模块，能够实时显示眼睛和课本的距离；
4、系统采用AT89C51单片机作为主控器件，并通过C语言进行程序开发，实现晶振电路、复位电路的设计，搭建51单片机最小系统；
5、配置语音播报电路，能够通过真人语音播报方式实现对佩戴者进行提示，实现坐姿的快速矫正。
系统结构图
图1为坐姿不良提醒器控制系统的硬件结构框图，图中单片机作为硬件和软件系统的核心模块，它实现了输入输出控制电平来对其他模块的控制作用；显示模块使用了LCD1602液晶屏进行系统参数的显示，提升控制系统的性能；按键模块用于启动和暂停保护器的工作；超声波模块用于发射超声波信号和接收反射回来的超声波，并通过AT89C51进行超声波传输时间的计算，并转换为眼睛与课桌之间的距离；液晶屏用于显示测到的课本和眼睛之间的距离等参数；报警模块用于当距离过小时产生报警信号；语音模块主要由SC8035芯片构成，用于输出真人语音提示信号，并通过扬声器进行电声转换。
图1系统结构框图
方案论证与选择
主控芯片选择
第一个方案是AT89C51单片机，该单片机是ATMEL公司在上世纪九十年代左右推出的一款数据宽度为8的高性能单片机，无论在成本还是内部资源上，都能够在如今低端单片机市场中独占鳌头，这主要归功于其4Kb大小的内部FLASH搭配着128字节的RAM，虽然ROM和RAM的存储容量不是很大，但是足够应用于一些中小型单片机系统中，此外AT89C51能够通过其20根地址线对外部扩展的存储器进行寻址，这使得它也经常出现在一些大型系统中。在成本方面，目前市面上AT89C51单片机的平均成本位3元/PCS，这非常适合我们的学生实验，不会给系统带来高昂的成本负担。
第二个方案是选用德州仪器的MSP430单片机，这款单片机也是我们熟悉的常用单片机，其中最高性能F5系单片机搭配外部的高稳定度晶振能够轻松实现40M以上的主频速度，该处理速度是AT89C51单片机的近五倍，然而考虑到其成本，首先需要说的是其程序代码烧写方式，目前大多数430单片机全部采用JTAG接口进行代码下载和程序调试仿真，虽然这种接口能够实现仿真，但是采用这种接口必须要配合专用仿真器，该仿真器的价格较为昂贵，而51单片机只需要一个USB转串口的数据线即可实现代码的烧写，由此可见如果系统采用51单片机进行控制，那么成本将大为降低。
目录
引言
一、 系统整体设计
（一） 功能要求
（二） 系统结构图
（三） 方案论证与选择
1. 主控芯片选择
2. 显示模块选择
二、 系统硬件设计
（一） 单片机与最小系统
1. 时钟电路
2. 复位电路
（二） 显示电路设计
（三） 超声波传感器电路设计
（四） 报警电路设计
（五） SC8035语音芯片电路设计
三、 系统软件设计
（一） 系统主程序设计
（二） 液晶屏显示流程设计
1. 写指令流程
2. 写数据流程
（三） 超声波工作流程图设计
（四） 报警电路工作流程设计
（五） 语音芯片驱动流程设计
四、 系统的调试与结果
（一） 实物制作与调试
1. 报警状态测试
2. 正常状态测试
（二） 制作过程的问题及分析
总结
致谢
参考文献
附录
（一）原理图
（二）元件列表
（三）PCB图
（四）实物图
（五）源程序
引言
读写姿势不正确，视距过近是造成近视的主要原因，同时中小学生时代是孩子身体成长的旺盛时期，坐姿和读写姿势不正确，会影响到孩子骨骼的健康成长，很容易引起脊椎弯曲或侧弯变，造成含胸驼背等影响，由此可见读写坐姿的重要性，本课题将要设计的这款坐姿不良提醒器控制
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
系统是一种使用微处理器来控制的电子系统，其保护原理是基于超声波测距原理，实现对阅读者眼睛到书桌（课本）的距离不间断测量机，从而实现对阅读者的坐姿进行间接判断和坐姿矫正，从而实现视力的保护。
最早的用于实现视力保护或者坐姿矫正功能的仪器或者称为穿戴衣物早在很多年前就已经出现，这类传统意义上的坐姿不良提醒器系统全部采用机械结构或者穿戴医疗器械（如背背佳等）来完成，当单片机技术还没有实现普遍化和生活化之前，使用传统方法来实现坐姿调整、身姿矫正功能是主流方式，这种传统式坐姿不良提醒器系统所表现出的特点也是非常显著的，由于全部采用机械部件来组成整个系统框架，因此在外观上是非常庞大的，在使用过程中由于机械部件存在不可避免的摩擦和老损，因此需要定期地进行维护活着部件更换，另外由于全部采用传统结构，因此一旦投入使用就很难有办法进行功能升级或者系统优化，只能一直使用到报废，这就是传统坐姿不良提醒器的典型特点。
随着科学技术的飞速发展以及电子技术的空前的全民化，家长已经越来越不能满足于这种传统坐姿不良提醒器所能实现的功能，这时候单片机系统的出现打破了这一僵局，于是诸多开发人员以及相关传统企业开始了对基于单片机的坐姿不良提醒器控制系统的开发与设计，由于单片机具有多管脚以及可编程等重要特性，其多管脚特点使得它可以同时对多种模块（按键、报警器以及液晶屏等）进行驱动，因此这种电子式的坐姿不良提醒器控制系统突破了传统式的单一功能性，不但实现了传统式的基本功能，更引入了显示、系统配置以及报警等新型功能，更加重要的是由于单片机能够实现程序编程，因此即使将产品推向市场，也不耽误坐姿不良提醒器产品的再升级，只需要通过程序代码的改写以及重新烧写就可以实现坐姿不良提醒器控制系统的二次甚至多次升级，这是传统式坐姿不良提醒器系统所无法实现的。电子式坐姿不良提醒器系统在国内外目前都已实现了全面化，由于各大企业对于生产坐姿不良提醒器系统产品的技术已经趋于成熟，同时也标志着为了实现更高性能的坐姿不良提醒器系统我们有很长一段路要走。
系统整体设计
功能要求
本次设计预计实现以下功能：
1、控制系统具有穿戴功能，当启动工作后，能够持续检测读书者眼睛距离课本的距离；
2、当系统检测到眼睛距离课本的距离过近时，立即发出报警提示信号，告知佩戴者尽快矫正坐姿；
3、使用价格低并且显示效果良好的LCD1602液晶屏作为显示模块，能够实时显示眼睛和课本的距离；
4、系统采用AT89C51单片机作为主控器件，并通过C语言进行程序开发，实现晶振电路、复位电路的设计，搭建51单片机最小系统；
5、配置语音播报电路，能够通过真人语音播报方式实现对佩戴者进行提示，实现坐姿的快速矫正。
系统结构图
图1为坐姿不良提醒器控制系统的硬件结构框图，图中单片机作为硬件和软件系统的核心模块，它实现了输入输出控制电平来对其他模块的控制作用；显示模块使用了LCD1602液晶屏进行系统参数的显示，提升控制系统的性能；按键模块用于启动和暂停保护器的工作；超声波模块用于发射超声波信号和接收反射回来的超声波，并通过AT89C51进行超声波传输时间的计算，并转换为眼睛与课桌之间的距离；液晶屏用于显示测到的课本和眼睛之间的距离等参数；报警模块用于当距离过小时产生报警信号；语音模块主要由SC8035芯片构成，用于输出真人语音提示信号，并通过扬声器进行电声转换。
图1系统结构框图
方案论证与选择
主控芯片选择
第一个方案是AT89C51单片机，该单片机是ATMEL公司在上世纪九十年代左右推出的一款数据宽度为8的高性能单片机，无论在成本还是内部资源上，都能够在如今低端单片机市场中独占鳌头，这主要归功于其4Kb大小的内部FLASH搭配着128字节的RAM，虽然ROM和RAM的存储容量不是很大，但是足够应用于一些中小型单片机系统中，此外AT89C51能够通过其20根地址线对外部扩展的存储器进行寻址，这使得它也经常出现在一些大型系统中。在成本方面，目前市面上AT89C51单片机的平均成本位3元/PCS，这非常适合我们的学生实验，不会给系统带来高昂的成本负担。
第二个方案是选用德州仪器的MSP430单片机，这款单片机也是我们熟悉的常用单片机，其中最高性能F5系单片机搭配外部的高稳定度晶振能够轻松实现40M以上的主频速度，该处理速度是AT89C51单片机的近五倍，然而考虑到其成本，首先需要说的是其程序代码烧写方式，目前大多数430单片机全部采用JTAG接口进行代码下载和程序调试仿真，虽然这种接口能够实现仿真，但是采用这种接口必须要配合专用仿真器，该仿真器的价格较为昂贵，而51单片机只需要一个USB转串口的数据线即可实现代码的烧写，由此可见如果系统采用51单片机进行控制，那么成本将大为降低。
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