单片机的视力保护系统的设计
摘 要据统计我国青少年近视人数逐年攀升，而造成眼睛近视的主要原因有视距短、用眼时间太长以及环境光线不适宜等。其中，视距过短主要是由于青少年课业繁重，且缺少良好的坐姿习惯，造成眼睛与书面距离过近，时间久之导致眼睛疲劳，视力下降。另一个原因是用眼时间太长，一般而言，眼睛专注一个地方的时间不宜超过45分钟，超过这一时间就会对视力造成一定的影响。基于上述分析，本文设计一款基于单片机的视力保护系统。首先，阐述了本文研究的背景及意义，当前视力保护系统的发展现状应用情况，进而提出本文所研究的内容与文章结构。其次，分析当前主流控制器的优势和劣势，选择了以AT89C51为控制核心的控制方案，同时选择了距离检测方案。最后，根据设计方案进行视力保护系统硬件电路设计与软件编程，软件设计采用嵌入式C语音，通过优化代码完成系统功能设计。
目 录
第1章 绪 论 1
1.1 课题研究背景与目的 1
1.2 视力保护应用现状 1
1.3 设计目标 2
1.4 文章的结构安排 3
第2章 系统方案设计 4
2.1 控制器的选择 4
2.2 显示方式的选择 4
2.3 时间计量方案选择 5
2.4 距离检测方案选择 5
2.6 总体设计结构图 5
第3章 系统硬件设计 7
3.1 单片机最小系统电路 7
3.1.1 单片机晶振电路 7
3.1.2 单片机复位电路 8
3.2 距离检测电路设计 8
3.3 液晶显示电路 9
3.4 按键电路设计 10
3.5 声光报警电路设计 10
第4章 系统软件设计 12
4.1 软件开发平台及开发语言介绍 12
4.2 距离测量原理 13
4.3 主程序设计 14
4.4 子程序设计 15
4.3.1 LCD显示子程序 15
4.3.2 按键子程序 15
4.3.3 距离测量子程序 16
4.3.4 声光报警子程序 16
结 论 18
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
参考文献 19
致 谢 20
第1章 绪 论
1.1 课题研究背景与目的
我国青少年视力问题日益严峻，主要成因是青少年课业任务繁重，但是自制力较差，不能够有效的要求自己的坐姿，形成良好的读写习惯时间久而久之，就会造成视力的下降，若此时不进行防治，就会造成近视。因此目前很多家长及学校开始关注青少年视力问题，但是如若仅仅靠家长和老师的监督，无法起到良好的效果。近几十年，微电子控制与检测技术高速发展，各种电子产品已经深入到我们的生活日常中，这使得设计一种自动监督青少年坐姿读写习惯的视力保护系统成为可能，与此同时，高速发展通信技术也已经遍及我们生活中的每一个角落，在上述趋势和背景下，结合微电子监测技术与通信技术的综合视力保护系统对预防青少年视力问题具有较高的实用价值。
1.2 视力保护应用现状
近几些年随着社会对青少年视力关注程度的提升，也出现了很多预防视力的装置。如图11所示为一种可固定在课桌上的视距限制装置，使用时将该装置固定在课桌上，根据使用者的身高，调节高度，青少年将下颚放置于托盘上，从而到达限制眼睛和书面距离的目的。
图11 固定式视力保护装置
如图12所示为一种限制坐姿的背带式视力保护装置，青少年做到椅子上之后，使用背带将身体与椅子背固定，如此一来可以保证使用者身体保持上身竖直，即可到达限制眼睛和书面距离的目的，从而预防视力下降，但是这种装置有一个不方便之处是，限制了身体的自由，对于好动的青少年而言是一种折磨。
图12 背带式视力保护装置
如图13所示为一种通过测量眼睛和纸面距离的视力保护装置，该装置在使用时通过戴在头顶上的距离检测装置，实时测量眼睛和桌面之间的距离，同时设定最小报警距离，当检测到的距离小于设定值时，可通过驱动蜂鸣器提示使用者，增大研究与纸面的距离。
图13 无束缚视力保护装置
1.3 设计目标
本次设计主要完成以下目标：
(1) 利用单片机控制技术来控制超声波距离检测传感器对使用者眼睛和书面的距离进行监测，并显示到LCD液晶显示器上;
(2) 通过单片机内置定时器记录使用者的用眼时间，同样显示的液晶显示器上；
(3) 设置默认最小的安全距离及用眼时间，并且可通过按键对设置值进行修改；
(4) 当检测的距离与时间值超出正常范围时进行声光报警，提示使用者休息或者修正读写姿势。
1.4 文章的结构安排
本次设计的基于单片机的视力保护系统，研究内容及文章结构安排如下：
第1章，绪论。主要阐述课题研究背景及意义，分析了当前视力保护系统的应用，所采用仪器的优势和劣势，分析了本系统的设计目标，进而确立本文研究内容。
第2章，系统方案设计。本章主要完成的工作时根据设计要求，综合考虑确定本次设计的方案，主要考虑控制器选择、时间计量以及目视距离测量等方式的选择。
第3章，系统硬件电路设计。硬件电路是实现功能的基础，也就是将第2章确定的系统方案，根据每一种器件的应用原理，构建相互之间的电路，使之形成一个控制回路。主要包括单片机最小系统电路设计，显示部分接口电路设计以及超声波测距电路设计等。
第4章，系统软件设计。完成硬件电路设计之后就是进行软件设计了，软件设计主要是编写嵌入式程序，依据是设计要求及硬件电路。
第2章 系统方案设计
在进行具体设计之前首先需进行方案设计，主要是形成一个总体的设计思路，包括选用什么控制器、采用什么传感器测量眼睛到纸面的距离，采用何种时间计量方式、采用什么电子器件进行显示等，为后面的硬件设计与软件设计打下基础。
2.1 控制器的选择
近些年微电子产品高速发展，尤其是微控制器取得了惊人的发展速度，目前使用较多的控制器有AT89C51系列、STM8系列、MSP系列以及STM32系列等，其中AT89C51系列功能较为简单、体积较大、片上资源量适中、价格低廉，在控制要求不高的场合具有广泛应用，属于一款稳定性较高的8位单片机；STM8同时是一款8位单片机，但片上资源相对丰富，运行速度也更高适用于要求较高场合；MSP系列单片机为16位低功耗单片机，特别适用于对功耗有特殊要求的场合；而STM32单片机是一款32位的单片机，片上资源极其丰富，可实现复杂系统的综合控制，同时价格也较高。综合考虑本系统采用的单片机为AT89C51单片机。
目 录
第1章 绪 论 1
1.1 课题研究背景与目的 1
1.2 视力保护应用现状 1
1.3 设计目标 2
1.4 文章的结构安排 3
第2章 系统方案设计 4
2.1 控制器的选择 4
2.2 显示方式的选择 4
2.3 时间计量方案选择 5
2.4 距离检测方案选择 5
2.6 总体设计结构图 5
第3章 系统硬件设计 7
3.1 单片机最小系统电路 7
3.1.1 单片机晶振电路 7
3.1.2 单片机复位电路 8
3.2 距离检测电路设计 8
3.3 液晶显示电路 9
3.4 按键电路设计 10
3.5 声光报警电路设计 10
第4章 系统软件设计 12
4.1 软件开发平台及开发语言介绍 12
4.2 距离测量原理 13
4.3 主程序设计 14
4.4 子程序设计 15
4.3.1 LCD显示子程序 15
4.3.2 按键子程序 15
4.3.3 距离测量子程序 16
4.3.4 声光报警子程序 16
结 论 18
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参考文献 19
致 谢 20
第1章 绪 论
1.1 课题研究背景与目的
我国青少年视力问题日益严峻，主要成因是青少年课业任务繁重，但是自制力较差，不能够有效的要求自己的坐姿，形成良好的读写习惯时间久而久之，就会造成视力的下降，若此时不进行防治，就会造成近视。因此目前很多家长及学校开始关注青少年视力问题，但是如若仅仅靠家长和老师的监督，无法起到良好的效果。近几十年，微电子控制与检测技术高速发展，各种电子产品已经深入到我们的生活日常中，这使得设计一种自动监督青少年坐姿读写习惯的视力保护系统成为可能，与此同时，高速发展通信技术也已经遍及我们生活中的每一个角落，在上述趋势和背景下，结合微电子监测技术与通信技术的综合视力保护系统对预防青少年视力问题具有较高的实用价值。
1.2 视力保护应用现状
近几些年随着社会对青少年视力关注程度的提升，也出现了很多预防视力的装置。如图11所示为一种可固定在课桌上的视距限制装置，使用时将该装置固定在课桌上，根据使用者的身高，调节高度，青少年将下颚放置于托盘上，从而到达限制眼睛和书面距离的目的。
图11 固定式视力保护装置
如图12所示为一种限制坐姿的背带式视力保护装置，青少年做到椅子上之后，使用背带将身体与椅子背固定，如此一来可以保证使用者身体保持上身竖直，即可到达限制眼睛和书面距离的目的，从而预防视力下降，但是这种装置有一个不方便之处是，限制了身体的自由，对于好动的青少年而言是一种折磨。
图12 背带式视力保护装置
如图13所示为一种通过测量眼睛和纸面距离的视力保护装置，该装置在使用时通过戴在头顶上的距离检测装置，实时测量眼睛和桌面之间的距离，同时设定最小报警距离，当检测到的距离小于设定值时，可通过驱动蜂鸣器提示使用者，增大研究与纸面的距离。
图13 无束缚视力保护装置
1.3 设计目标
本次设计主要完成以下目标：
(1) 利用单片机控制技术来控制超声波距离检测传感器对使用者眼睛和书面的距离进行监测，并显示到LCD液晶显示器上;
(2) 通过单片机内置定时器记录使用者的用眼时间，同样显示的液晶显示器上；
(3) 设置默认最小的安全距离及用眼时间，并且可通过按键对设置值进行修改；
(4) 当检测的距离与时间值超出正常范围时进行声光报警，提示使用者休息或者修正读写姿势。
1.4 文章的结构安排
本次设计的基于单片机的视力保护系统，研究内容及文章结构安排如下：
第1章，绪论。主要阐述课题研究背景及意义，分析了当前视力保护系统的应用，所采用仪器的优势和劣势，分析了本系统的设计目标，进而确立本文研究内容。
第2章，系统方案设计。本章主要完成的工作时根据设计要求，综合考虑确定本次设计的方案，主要考虑控制器选择、时间计量以及目视距离测量等方式的选择。
第3章，系统硬件电路设计。硬件电路是实现功能的基础，也就是将第2章确定的系统方案，根据每一种器件的应用原理，构建相互之间的电路，使之形成一个控制回路。主要包括单片机最小系统电路设计，显示部分接口电路设计以及超声波测距电路设计等。
第4章，系统软件设计。完成硬件电路设计之后就是进行软件设计了，软件设计主要是编写嵌入式程序，依据是设计要求及硬件电路。
第2章 系统方案设计
在进行具体设计之前首先需进行方案设计，主要是形成一个总体的设计思路，包括选用什么控制器、采用什么传感器测量眼睛到纸面的距离，采用何种时间计量方式、采用什么电子器件进行显示等，为后面的硬件设计与软件设计打下基础。
2.1 控制器的选择
近些年微电子产品高速发展，尤其是微控制器取得了惊人的发展速度，目前使用较多的控制器有AT89C51系列、STM8系列、MSP系列以及STM32系列等，其中AT89C51系列功能较为简单、体积较大、片上资源量适中、价格低廉，在控制要求不高的场合具有广泛应用，属于一款稳定性较高的8位单片机；STM8同时是一款8位单片机，但片上资源相对丰富，运行速度也更高适用于要求较高场合；MSP系列单片机为16位低功耗单片机，特别适用于对功耗有特殊要求的场合；而STM32单片机是一款32位的单片机，片上资源极其丰富，可实现复杂系统的综合控制，同时价格也较高。综合考虑本系统采用的单片机为AT89C51单片机。
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