单片机的视力保护器设计
Keywords: MCU、ultrasonic、 vision protector 目录
引言 1
一、设计思路 2
二、总体方案设计 3
(一)硬件设计 4
（二）最终方案 6
三、器件选择 6
四、硬件实现及单元电路设计 7
（一）电源电路设计 7
（二） 主控制模块 7
（三） 光照强度检测电路 8
（四）报警驱动电路 8
（五）超声波测距模块 9
（六）显示模块 9
五、系统软件设计 10
（一）系统主程序流程图 11
(二) 系统检测超声波测距子程序流程图 12
（三）系统超时报警子程序流程图 13
六、系统的制作与调试 14
（一）安装步骤 14
（二）调试现象 15
结论 16
参考文献 18
致谢 19
引言
偶然在报纸上看到一则报道，中小学每个班级的近视比例竟占到了近七成，这一不理想的消息顿时引来了家长与学校的共同高度关注，学校随机抽选了学生安排了专家咨询教育，咨询时发现其原因竟是学习任务以及学习压力的加重，导致很多学生因为疲劳学习养成了错误的坐姿习惯从而导致近视。
青少年近视占我国近视总人数的比重逐年增长，他们是祖国未来的花朵，因此在当前的情形与局势下出现一个视力保护器的装置必不可少。青少年近视问题已经成为国内外专家共同关心的公共卫生问题甚至已经上升为社会问题。而且根据资料显示，我国的中小学生近视比重随着年龄增加比重也随之增加。而且大部分学生和家长缺乏视力保护的基本科学知识，不知道其对未来的危 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
害性，因此很多学生未采取任何的矫正措施。在这样的背景下，于是我们想到了视力保护器的设计与制造。通过创造健康的学习环境，避免因为错误的学习姿势而导致近视、驼背、斜视、脊柱侧弯、颈椎病等疾病，用非医药的手段，改掉不良的学习习惯，减少对孩子身体的伤害。
现代化的社会在给我们的生活带来了许多便利的同时也给了我们留下了些许的遗憾，可谓是一把双刃剑，例如，大部分的青少年可能将与眼镜相伴一生。近视，作为现代社会的不良产物，几乎没有办法根治。而激光手术对人体造成的伤害不得而知，可能会在不久的将来会戕害我们的身心健康。因此，为了不让近视影响我们以后的正常生活，应该从制止它开始做起。
其实，造成近视的主要原因，是青少年平时学习、工作时坐姿不标准，眼睛距离书本、电脑，及时高科技产物太近，久而久之，远处的东西就越来越模糊。为了避免因长期不正确的学习姿势而导致的生理疾病，有必要通过一款视力保护器进行预防，从而纠正同学们学习、工作时的不良姿势，使孩子改掉坏习惯，减轻对他们身心造成的伤害。尤其对学生这个群体而言，可帮助学生矫正学习姿势，养成良好的学习习惯，保护学生的视力，在学习的时候不被近视所烦扰。当然了，很多公司早就已经发现了这样一个赚钱的契机，如今都致力于视力保护器的研究。它能对使用者的不良坐姿进行语音提示，使用效果应该不错。但是在大体的层面看来，目前国内的生产厂家做出的产品功能比较单一，并不能满足广大用户多样化的追求。相比而言，国外致力于对近视原因的研究与国内的方式并不同。一些外国教授则表示，防止近视的方法并不止于养成正确的学习习惯，多吃水果蔬菜也可较有效的防止近视。但如今国内的产品制作思想较为单一，不能从多面的角度来起到保护视力的效果。由于现在国内外市场上的需求量突增，而视力保护器却只处于初步阶段，还存在很大的发展空间，许多国家就此方面展开了研究与开发，相信在不久的未来视力保护器可以为广大的中小学生的视力保护提供帮助。
一、设计思路
由于单片机芯片的智能处理功能，本设计决定采用理论计算和实验验证相结合的论证方法，主体电路以单片机芯片为核心。
1.设计各个子单元电路，并列出适合其的元器件，在选择元器件的过程中要注意筛选最终所选芯片的性价比必须最高，对于电阻、电容等常用的小型元件要先进行参数计算确认后再做选择，切不可马虎了事。
2.设计整个电路，然后在计算机上对各单元电路进行相应功能的调试与仿真，其中单片机芯片选用STC89C52，坐姿传感器选用超声波传感器，光线报警则选用光敏电阻，报警发声则用蜂鸣器发声电路。本次设计的内容是一个视力保护器,它所具有的性能指标如下：
（1）当用户与桌面的距离小于30cm，保护器将发出报警声进行提醒；
（2）当学习环境的光线强度不足设定值时,保护器将发出报警声进行提示；
（3）当用户开启时间达到45分钟时,保护器将自动发出声音提示用户注意休息。
二、总体方案设计
本系统采用STC89C52单片机作为视力保护器的核心控制单元,首先系统通过光敏电阻采集光线信号，然后通过AD采集到的光线信号光的强弱，再把光的强度分成几个不同的层次，通过设定报警的级别来确定光照强度是否不足，若不足则报警进行提示。同时利用超声波测距传感器测量出人脸部与桌面的距离，当小于30CM或者设定值时则发出报警声进行提醒。通过单片机内部定时器的计时，当使用达到45分钟或者设定值时电路自动发出报警声以提醒使用者注意休息。系统采用的提示电路由三极管驱动蜂鸣器组成。系统总体的设计方框图如图1所示。
图1 系统总体设计方框图
(一)硬件设计
1、电源稳压电路设计
方案1：采用12V蓄电池稳压后作为电源为系统供电。蓄电池拥有两项强大的性能，其一，具有较强的电流驱动能力，其二，具有十分稳定的电压输出性能。但是由于蓄电池的体积超出此设计的范畴，更换成本又高，而报警器只是一个轻便小巧的设计，使用起来极为不方便。
因此选择放弃此方案。
方案2：采用3节1.5 V的干电池作为电源。实验发现，单片机、传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求，并且电池更换会比较方便，快捷。
从经济的角度出发，故选择方案2。
2、主控制器模块
方案1：采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。CPLD不仅能够实现复杂的逻辑功能，还具备有规模大、密度高、尺寸小、稳定性高、IO资源丰富等优点。控制核心是适合于大规模的控制系统，其系统虽然在采用输出与输入的秉性方式，提高系统整体的处理速度。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度要求也没有那么高。这一更为先进的控制器超过了原本经济预算，出于以后的普及考虑决定放弃了此方案。
方案2：采用STC89C52单片机作为整个系统的核心，作为视力保护器的核心控制单元，该单片机的发光点在于能够实现系统的自动报警与提醒功能，与此同时还能兼顾处理超声波发出的信号和光照强度的信息，在这一点上，单片机充分显现出了它的优势，控制简单、方便、快捷。另外其还有两大大优点：1.强大的控制功能和位寻址操作功能2.十分低廉的价格。此外，STC89C52单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K。
从方便使用的角度考虑，故选择方案2。
2K 电阻 R1, R2, R4 3
10K 电阻 R3 1
引言 1
一、设计思路 2
二、总体方案设计 3
(一)硬件设计 4
（二）最终方案 6
三、器件选择 6
四、硬件实现及单元电路设计 7
（一）电源电路设计 7
（二） 主控制模块 7
（三） 光照强度检测电路 8
（四）报警驱动电路 8
（五）超声波测距模块 9
（六）显示模块 9
五、系统软件设计 10
（一）系统主程序流程图 11
(二) 系统检测超声波测距子程序流程图 12
（三）系统超时报警子程序流程图 13
六、系统的制作与调试 14
（一）安装步骤 14
（二）调试现象 15
结论 16
参考文献 18
致谢 19
引言
偶然在报纸上看到一则报道，中小学每个班级的近视比例竟占到了近七成，这一不理想的消息顿时引来了家长与学校的共同高度关注，学校随机抽选了学生安排了专家咨询教育，咨询时发现其原因竟是学习任务以及学习压力的加重，导致很多学生因为疲劳学习养成了错误的坐姿习惯从而导致近视。
青少年近视占我国近视总人数的比重逐年增长，他们是祖国未来的花朵，因此在当前的情形与局势下出现一个视力保护器的装置必不可少。青少年近视问题已经成为国内外专家共同关心的公共卫生问题甚至已经上升为社会问题。而且根据资料显示，我国的中小学生近视比重随着年龄增加比重也随之增加。而且大部分学生和家长缺乏视力保护的基本科学知识，不知道其对未来的危 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
害性，因此很多学生未采取任何的矫正措施。在这样的背景下，于是我们想到了视力保护器的设计与制造。通过创造健康的学习环境，避免因为错误的学习姿势而导致近视、驼背、斜视、脊柱侧弯、颈椎病等疾病，用非医药的手段，改掉不良的学习习惯，减少对孩子身体的伤害。
现代化的社会在给我们的生活带来了许多便利的同时也给了我们留下了些许的遗憾，可谓是一把双刃剑，例如，大部分的青少年可能将与眼镜相伴一生。近视，作为现代社会的不良产物，几乎没有办法根治。而激光手术对人体造成的伤害不得而知，可能会在不久的将来会戕害我们的身心健康。因此，为了不让近视影响我们以后的正常生活，应该从制止它开始做起。
其实，造成近视的主要原因，是青少年平时学习、工作时坐姿不标准，眼睛距离书本、电脑，及时高科技产物太近，久而久之，远处的东西就越来越模糊。为了避免因长期不正确的学习姿势而导致的生理疾病，有必要通过一款视力保护器进行预防，从而纠正同学们学习、工作时的不良姿势，使孩子改掉坏习惯，减轻对他们身心造成的伤害。尤其对学生这个群体而言，可帮助学生矫正学习姿势，养成良好的学习习惯，保护学生的视力，在学习的时候不被近视所烦扰。当然了，很多公司早就已经发现了这样一个赚钱的契机，如今都致力于视力保护器的研究。它能对使用者的不良坐姿进行语音提示，使用效果应该不错。但是在大体的层面看来，目前国内的生产厂家做出的产品功能比较单一，并不能满足广大用户多样化的追求。相比而言，国外致力于对近视原因的研究与国内的方式并不同。一些外国教授则表示，防止近视的方法并不止于养成正确的学习习惯，多吃水果蔬菜也可较有效的防止近视。但如今国内的产品制作思想较为单一，不能从多面的角度来起到保护视力的效果。由于现在国内外市场上的需求量突增，而视力保护器却只处于初步阶段，还存在很大的发展空间，许多国家就此方面展开了研究与开发，相信在不久的未来视力保护器可以为广大的中小学生的视力保护提供帮助。
一、设计思路
由于单片机芯片的智能处理功能，本设计决定采用理论计算和实验验证相结合的论证方法，主体电路以单片机芯片为核心。
1.设计各个子单元电路，并列出适合其的元器件，在选择元器件的过程中要注意筛选最终所选芯片的性价比必须最高，对于电阻、电容等常用的小型元件要先进行参数计算确认后再做选择，切不可马虎了事。
2.设计整个电路，然后在计算机上对各单元电路进行相应功能的调试与仿真，其中单片机芯片选用STC89C52，坐姿传感器选用超声波传感器，光线报警则选用光敏电阻，报警发声则用蜂鸣器发声电路。本次设计的内容是一个视力保护器,它所具有的性能指标如下：
（1）当用户与桌面的距离小于30cm，保护器将发出报警声进行提醒；
（2）当学习环境的光线强度不足设定值时,保护器将发出报警声进行提示；
（3）当用户开启时间达到45分钟时,保护器将自动发出声音提示用户注意休息。
二、总体方案设计
本系统采用STC89C52单片机作为视力保护器的核心控制单元,首先系统通过光敏电阻采集光线信号，然后通过AD采集到的光线信号光的强弱，再把光的强度分成几个不同的层次，通过设定报警的级别来确定光照强度是否不足，若不足则报警进行提示。同时利用超声波测距传感器测量出人脸部与桌面的距离，当小于30CM或者设定值时则发出报警声进行提醒。通过单片机内部定时器的计时，当使用达到45分钟或者设定值时电路自动发出报警声以提醒使用者注意休息。系统采用的提示电路由三极管驱动蜂鸣器组成。系统总体的设计方框图如图1所示。
图1 系统总体设计方框图
(一)硬件设计
1、电源稳压电路设计
方案1：采用12V蓄电池稳压后作为电源为系统供电。蓄电池拥有两项强大的性能，其一，具有较强的电流驱动能力，其二，具有十分稳定的电压输出性能。但是由于蓄电池的体积超出此设计的范畴，更换成本又高，而报警器只是一个轻便小巧的设计，使用起来极为不方便。
因此选择放弃此方案。
方案2：采用3节1.5 V的干电池作为电源。实验发现，单片机、传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求，并且电池更换会比较方便，快捷。
从经济的角度出发，故选择方案2。
2、主控制器模块
方案1：采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。CPLD不仅能够实现复杂的逻辑功能，还具备有规模大、密度高、尺寸小、稳定性高、IO资源丰富等优点。控制核心是适合于大规模的控制系统，其系统虽然在采用输出与输入的秉性方式，提高系统整体的处理速度。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度要求也没有那么高。这一更为先进的控制器超过了原本经济预算，出于以后的普及考虑决定放弃了此方案。
方案2：采用STC89C52单片机作为整个系统的核心，作为视力保护器的核心控制单元，该单片机的发光点在于能够实现系统的自动报警与提醒功能，与此同时还能兼顾处理超声波发出的信号和光照强度的信息，在这一点上，单片机充分显现出了它的优势，控制简单、方便、快捷。另外其还有两大大优点：1.强大的控制功能和位寻址操作功能2.十分低廉的价格。此外，STC89C52单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K。
从方便使用的角度考虑，故选择方案2。
2K 电阻 R1, R2, R4 3
10K 电阻 R3 1
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