AT89C51单片机的坐姿矫正仪的设计
目录
一、引言 1
（一）、课题的背景 1
（二） 、设计内容 1
（三）、设计意义 1
二、 系统总体方案及硬件设计 2
（一） 、方案选择 2
（二）、最终方案简介 2
三、系统硬件设计 3
（一）、系统简介 3
（二）、AT89C51单片机简介 4
（三）、晶振电路模块 5
（四）、复位电路模块 6
（五）、超声波传感器模块 7
（六）、按键指示电路及实现 9
（七）、报警模块 11
四、系统软件设计 11
（一）、主程序的流程 12
（二）、子程序的流程 13
五、实物制作及调试 15
总结 17
参考文献 18
致谢 19
附录一 原理图 20
附录二 PCB图 21
附录三 元器件清单 22
附录四 程序 23
一、引言
（一）、课题的背景
如今，我们生活在一个物质文明高度发展的时代，告别了过去男耕女织的模式。然而随着科学技术的发展，许许多多不同种类的游戏机、电视、电脑等进入了每家每户，这类电子设备的大屏幕虽然给人们到来了视觉上的空前享受，然而过度使用却造成了孩子的视力下降，青少年的近视率每年正在不断增长，这种情况引起了当今社会各界广泛的关注。根据一份机构的调查数据显示，我国的大学生、高中生、初中生以及小学生的近视率分别占其总人数的80%、73%、73、27%。最糟糕的是占调查人数的将近一半的家长和学生缺乏保护视力的基本知识，不知道前面的时间还不了解近视 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
防治的后果，所以导致42%的学生本来能够通过矫正技术来改善视力但却没有得到治疗而最终近视。这些数据的公布得到了全社会的广泛关注同时也让人们不禁担忧起来。因此，改变这种现状就必须要我们付诸行动。
（二）、设计内容
本次主要是设计一个基于单片机技术坐姿矫正仪的设计，它能够实现对学生坐姿是否规范，并且在不规范时进行报警的功能。本设计主要是超声波传感器的原理，利用超声波传感器发射信号，将信号投射到书桌上。当超声波信号遇到阻碍而返回时，超声波模块会再次接受到这个超声波，当接收到时，单片机将这段往返的时间差记下来，通过时间、声速的公式将距离换算出来，并由此判断学生坐姿是否规范。在本设计中，认为当学生带上保护仪后测到的距离如果小于25厘米，那么就判定学生的坐姿不规范，并进行声光报警，提示学生尽快改正坐姿。
（三）、设计意义
本文结合了本人大学期间所学的所有知识，通过单片机的控制来实现坐姿矫正，这不仅是一次对自我的展示，再大的方面，对预防近视也能起到应有的作用。本设计跟其他类型的设备相比具有方便携带、使用简单、测距准确的有点。
二、系统总体方案及硬件设计
（一）、方案选择
方案一：选用51单片机作为掌控中心，再加上超声波传感器、液晶显示器、报警器、晶振电路和复位电路等，由于51单片机再业界内已经具备了相当成熟的开发技术并且开发资料丰富，对于完成本次毕业设计是绝对有利的，还有该方案成本低廉，模块的层次清晰并且稳定性很高。
方案二：采用DSP芯片作为控制核心，事实上就是用这种芯片对数字信号进行运算，将信号具体化，使用该算法运算之后将模块的数字信号转变为模拟信号，这就是DSP处理器工作的基本流程。TI公司生产的TMS320F28335芯片性能优良，片内集成了大量的常用模块，如16路AD采样通道以及高精准的PWM输出，是工控领域的新型宠儿，然而其成本较高，对于此次的设计来说，无疑增加额外的负担，并且该芯片产生的优秀性能用在本次设计中显得不是非常重要。因为目前数据不是很多，不利于系统的发展。
方案三：选用FPGA或者CPLD芯片作为掌控中心，它是跟着超大规模集成电路创造出的一个产物，内部集成了上百万门逻辑器件，通常用编程语言对他进行描述，它是一种硬件电路。FPGA的显著特点是速度远高于单片机，其主频动辄上百M的速度，是数字信号处理的首选，然而本次设计的自动窗帘启闭系统对于处理速度没有过高的要求，并且考虑到过高的数字信号会给整体系统带来不稳定性，使最终的设计可靠性得不到保障。
通过上文对三种方案的阐述，在FPGA、DSP和单片机中，我们选择51单片机作为本次设计的主控芯片。
（二）、最终方案简介
本次采用AT89C51单片机来主控，发送和接收信号的时间差，得出桌面和超声波传感器之间的距离，将显示一个特定的距离采用液晶显示。当使用者距离书桌距离少于25cm时，保护仪发出警报提醒使用者立刻规范坐姿；当使用者距离书桌距离多于25cm时，保护仪无动作处于待机模式。下图1为本设计的大体结构框图：
图1 系统总框图
三、系统硬件设计
（一）、系统简介
如图2所示的原理图为超声波系统原理图，它主要是利用51单片机来控制，再结合超声波传感器、液晶显示器、声光报警器、按键、晶振电路以及复位电路等部分来构成，下面对各部分做简要介绍。
图2 系统原理图
（二）、AT89C51单片机简介
本次选用的51单片机存储容量为4K字节，它可以在低电压场合工作，是功能很强的8位处理器。它内部集成的只读存储器具有高达1000多次的可擦除性，这样好的性能使得它非常适合学生做实验。这种种类的单片机很早就采用了高密度、易存储的储存器的制造工艺。ATMEL公司研发的这种高效率的微控制器将FLASH和性能强大的8位CPU集成在一个芯片里使得它在嵌入式领域有着广泛的应用。我们常见的C2051单片机就是属于它的基础版本。因此，我们有理由相信该单片机在今后的发展中一定会发挥更大的作用。下面的引脚图是51单片机的DIP-40封装图：
图3 AT89C51单片机引脚图
AT89C51的主要特性：
能够和MCS-51相 兼容
FLASH的内部容量高达4K字节
内部集成的只读存储器具有高达1000多次的可擦除性能
全静态工作：0Hz-24MHz
在程序配置下能够使系统进入掉电或者闲置的低功耗模式；
两个16位定时器
两个16位计数器
可编程串行通道
时钟电路
片内振荡器
5个中断源
32可编程I/O线
（三）、晶振电路模块
晶体振荡器也被称为水晶，如果一个电阻和一个电容的并联，然后用一个电容器串联的二端网络等效替代的方法。此网络一般有两个谐振点，低频率点被称作为串联谐振，高频率点被称作为并联谐振。晶体由于其本身惯性导致这高低频率点之间的距离很近，于是在这相近的频率之中，我们可以把晶振可以看作是一个电感，所以为了构成并联谐振电路，我们用适中的电容与晶振并联。正弦波振荡电路通常需要并联谐振电路和单片机内部的负反馈电路相结合，然而因为其高低频率点的距离接近，振荡的频率不会有较大幅度的变动。
一、引言 1
（一）、课题的背景 1
（二） 、设计内容 1
（三）、设计意义 1
二、 系统总体方案及硬件设计 2
（一） 、方案选择 2
（二）、最终方案简介 2
三、系统硬件设计 3
（一）、系统简介 3
（二）、AT89C51单片机简介 4
（三）、晶振电路模块 5
（四）、复位电路模块 6
（五）、超声波传感器模块 7
（六）、按键指示电路及实现 9
（七）、报警模块 11
四、系统软件设计 11
（一）、主程序的流程 12
（二）、子程序的流程 13
五、实物制作及调试 15
总结 17
参考文献 18
致谢 19
附录一 原理图 20
附录二 PCB图 21
附录三 元器件清单 22
附录四 程序 23
一、引言
（一）、课题的背景
如今，我们生活在一个物质文明高度发展的时代，告别了过去男耕女织的模式。然而随着科学技术的发展，许许多多不同种类的游戏机、电视、电脑等进入了每家每户，这类电子设备的大屏幕虽然给人们到来了视觉上的空前享受，然而过度使用却造成了孩子的视力下降，青少年的近视率每年正在不断增长，这种情况引起了当今社会各界广泛的关注。根据一份机构的调查数据显示，我国的大学生、高中生、初中生以及小学生的近视率分别占其总人数的80%、73%、73、27%。最糟糕的是占调查人数的将近一半的家长和学生缺乏保护视力的基本知识，不知道前面的时间还不了解近视 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
防治的后果，所以导致42%的学生本来能够通过矫正技术来改善视力但却没有得到治疗而最终近视。这些数据的公布得到了全社会的广泛关注同时也让人们不禁担忧起来。因此，改变这种现状就必须要我们付诸行动。
（二）、设计内容
本次主要是设计一个基于单片机技术坐姿矫正仪的设计，它能够实现对学生坐姿是否规范，并且在不规范时进行报警的功能。本设计主要是超声波传感器的原理，利用超声波传感器发射信号，将信号投射到书桌上。当超声波信号遇到阻碍而返回时，超声波模块会再次接受到这个超声波，当接收到时，单片机将这段往返的时间差记下来，通过时间、声速的公式将距离换算出来，并由此判断学生坐姿是否规范。在本设计中，认为当学生带上保护仪后测到的距离如果小于25厘米，那么就判定学生的坐姿不规范，并进行声光报警，提示学生尽快改正坐姿。
（三）、设计意义
本文结合了本人大学期间所学的所有知识，通过单片机的控制来实现坐姿矫正，这不仅是一次对自我的展示，再大的方面，对预防近视也能起到应有的作用。本设计跟其他类型的设备相比具有方便携带、使用简单、测距准确的有点。
二、系统总体方案及硬件设计
（一）、方案选择
方案一：选用51单片机作为掌控中心，再加上超声波传感器、液晶显示器、报警器、晶振电路和复位电路等，由于51单片机再业界内已经具备了相当成熟的开发技术并且开发资料丰富，对于完成本次毕业设计是绝对有利的，还有该方案成本低廉，模块的层次清晰并且稳定性很高。
方案二：采用DSP芯片作为控制核心，事实上就是用这种芯片对数字信号进行运算，将信号具体化，使用该算法运算之后将模块的数字信号转变为模拟信号，这就是DSP处理器工作的基本流程。TI公司生产的TMS320F28335芯片性能优良，片内集成了大量的常用模块，如16路AD采样通道以及高精准的PWM输出，是工控领域的新型宠儿，然而其成本较高，对于此次的设计来说，无疑增加额外的负担，并且该芯片产生的优秀性能用在本次设计中显得不是非常重要。因为目前数据不是很多，不利于系统的发展。
方案三：选用FPGA或者CPLD芯片作为掌控中心，它是跟着超大规模集成电路创造出的一个产物，内部集成了上百万门逻辑器件，通常用编程语言对他进行描述，它是一种硬件电路。FPGA的显著特点是速度远高于单片机，其主频动辄上百M的速度，是数字信号处理的首选，然而本次设计的自动窗帘启闭系统对于处理速度没有过高的要求，并且考虑到过高的数字信号会给整体系统带来不稳定性，使最终的设计可靠性得不到保障。
通过上文对三种方案的阐述，在FPGA、DSP和单片机中，我们选择51单片机作为本次设计的主控芯片。
（二）、最终方案简介
本次采用AT89C51单片机来主控，发送和接收信号的时间差，得出桌面和超声波传感器之间的距离，将显示一个特定的距离采用液晶显示。当使用者距离书桌距离少于25cm时，保护仪发出警报提醒使用者立刻规范坐姿；当使用者距离书桌距离多于25cm时，保护仪无动作处于待机模式。下图1为本设计的大体结构框图：
图1 系统总框图
三、系统硬件设计
（一）、系统简介
如图2所示的原理图为超声波系统原理图，它主要是利用51单片机来控制，再结合超声波传感器、液晶显示器、声光报警器、按键、晶振电路以及复位电路等部分来构成，下面对各部分做简要介绍。
图2 系统原理图
（二）、AT89C51单片机简介
本次选用的51单片机存储容量为4K字节
图3 AT89C51单片机引脚图
AT89C51的主要特性：
能够和MCS-51相 兼容
FLASH的内部容量高达4K字节
内部集成的只读存储器具有高达1000多次的可擦除性能
全静态工作：0Hz-24MHz
在程序配置下能够使系统进入掉电或者闲置的低功耗模式；
两个16位定时器
两个16位计数器
可编程串行通道
时钟电路
片内振荡器
5个中断源
32可编程I/O线
（三）、晶振电路模块
晶体振荡器也被称为水晶，如果一个电阻和一个电容的并联，然后用一个电容器串联的二端网络等效替代的方法。此网络一般有两个谐振点，低频率点被称作为串联谐振，高频率点被称作为并联谐振。晶体由于其本身惯性导致这高低频率点之间的距离很近，于是在这相近的频率之中，我们可以把晶振可以看作是一个电感，所以为了构成并联谐振电路，我们用适中的电容与晶振并联。正弦波振荡电路通常需要并联谐振电路和单片机内部的负反馈电路相结合，然而因为其高低频率点的距离接近，振荡的频率不会有较大幅度的变动。
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