单片机的视力保护仪设计
摘 要本文主要围绕“视力保护仪控制系统”进行了全方位的介绍，不仅对这种系统的起源发展背景以及国内外的研究现状做了综合分析，更在此基础上制定了本文的设计目标。笔者选用了目前单片机市场上最畅销的STC89C51单片机作为主要控制器芯片，并结合了其他必要的功能芯片如HC-SR04超声波传感器，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视力保护仪控制系统，该系统不仅在硬件上突破了目前相关产品的成本消耗，更将硬件系统结构简化到最精，大幅度地降低了电能消耗、提高了待机时长，另外由于采用了普及程度较为广泛的C语言进行了程序代码的设计和开发，因此大大减少了软件系统的设计周期。本文最终通过Proteus软件对所设计的系统进行了全面的仿真，对各种性能指标进行了检验，检验结果显示系统的各项性能完全达标。
目录
一、 引言 1
（一） 电子视力保护仪的发展背景 1
（二） 视力保护仪控制系统的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 控制器的选取 3
（二） STC89C51单片机 3
（三） LCD1602显示器介绍 4
（四） HCSR04超声波传感器介绍 5
（五） 蜂鸣器简介 6
三、 硬件系统设计 8
（一） 视力保护仪系统的系统结构框图设计 8
（二） 最小系统设计 8
（三） 显示器电路设计 9
（四） 超声波传感器电路设计 10
（五） 报警电路设计 11
四、 软件系统设计 12
（一） 视力保护仪系统的软件工作流程设计 12
（二） 显示器工作流程设计 13
（三） 超声波工作流程图设计 14
（四） 报警电路工作流程设计 14
五、 实物制作与调试 16
（一） 实物制作安装 16
（二） 问题总结 16
（三） 调试 16
1.实物连接电脑 16
2.测试距离 16
3.报警提
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
示 17
总结.18
参考文献 19
致 谢 20
附录一 原理图 21
附录二 PCB图 22
附录三 元件列表 23
附录四 程序 24
一、引言
（一）电子视力保护仪的发展背景
本课题将要设计的这款视力保护仪控制系统是一种使用微处理器来控制的电子系统，它的视力保护原理是基于超声波测距原理，实现对阅读者眼睛道书桌（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，所谓的基于51单片机的视力保护仪控制系统实际上指的是在硬件结构上以51单片机作为核心部分，通过单片机对芯片外部的超声波传感器、按键模块以及显示屏等部分的驱动，实现整个系统的良好工作，这就是我们经常说的基于51单片机的视力保护仪控制系统。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，这类传统意义上的视力保护仪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，这种传统式视力保护仪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，这就是传统视力保护仪的典型特点。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视力保护仪所能实现的功能，这时候单片机系统的出现打破了这一僵局，大部分视力保护仪系统的设计师们意识到唯有采用电子技术进行自动控制才能带来这种产品的全面发展，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视力保护仪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，因此这种电子式的视力保护仪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，也不耽误视力保护仪产品的再升级，只需要通过程序代码的改写以及重新烧写就可以实现视力保护仪控制系统的二次甚至多次升级，这还传统式视力保护仪系统所无法实现的，另外由于这种电子式视力保护仪系统全部采用芯片来完成各项功能，因此在批量生产后可以大幅度地降低生产成本，使得最终推向市场后的视力保护仪控制系统表现出非常高的性价比，本课题就将采用单片机芯片来实现一款视力保护仪控制系统。
（二）视力保护仪控制系统的国内外发展现状
电子式视力保护仪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视力保护仪系统产品的技术已经趋于成熟，而要实现更高的性能，还有很大的一段上升空间，因为随着微处理器技术的不断发展，64位处理器即将横空出世，一旦64位微处理器技术成熟并投向市场，将这种更高性能的微处理器替换掉目前的16位或者32位芯片，将能够快速地淘汰掉现有产品，到那时基于单片机的视力保护仪控制系统将能够实现更好的坐姿检测、坐姿快速矫正以及坐姿数据保存并且通过历史数据提出合理的视力矫正方案等功能，目前国内外所能实现的最先进视力保护仪系统是32位的，大多采用ARM架构来实现，前不久美国芝加哥大学的一个兴趣小组采用了CM3架构微处理器作为主控，实现了一款能够实现坐姿快速监测并且通过GSM通信技术将孩子的坐姿数据送入家长手机中进行实施监护的智能视力保护仪系统，这款系统的推出实现了嵌入式系统与人民生活的息息相关性，同时也标志着为了实现更高性能的视力保护仪系统我们有很长一段路要走。
（三）本文主要研究内容
本文在视力保护仪发展背景的基础上选择了视力保护仪作为研究课题，考虑到这种控制系统目前的生产成本处于一种较高的位置，使得相关产品的性价比一直上不去，这种现象的关键在于其内部主控芯片以及其他模块的造价昂贵以及开发成本高，因此本文选用了具有超高性价比以及较低功耗的51单片机作为控制系统的主控器件，并结合其他的低价模块，设计一款能够实现自动控制功能的视力保护仪系统，并实现以下功能指标。
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STC89C51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、系统采用+5V直流电压进行系统供电。
目录
一、 引言 1
（一） 电子视力保护仪的发展背景 1
（二） 视力保护仪控制系统的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 控制器的选取 3
（二） STC89C51单片机 3
（三） LCD1602显示器介绍 4
（四） HCSR04超声波传感器介绍 5
（五） 蜂鸣器简介 6
三、 硬件系统设计 8
（一） 视力保护仪系统的系统结构框图设计 8
（二） 最小系统设计 8
（三） 显示器电路设计 9
（四） 超声波传感器电路设计 10
（五） 报警电路设计 11
四、 软件系统设计 12
（一） 视力保护仪系统的软件工作流程设计 12
（二） 显示器工作流程设计 13
（三） 超声波工作流程图设计 14
（四） 报警电路工作流程设计 14
五、 实物制作与调试 16
（一） 实物制作安装 16
（二） 问题总结 16
（三） 调试 16
1.实物连接电脑 16
2.测试距离 16
3.报警提
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
示 17
总结.18
参考文献 19
致 谢 20
附录一 原理图 21
附录二 PCB图 22
附录三 元件列表 23
附录四 程序 24
一、引言
（一）电子视力保护仪的发展背景
本课题将要设计的这款视力保护仪控制系统是一种使用微处理器来控制的电子系统，它的视力保护原理是基于超声波测距原理，实现对阅读者眼睛道书桌（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，所谓的基于51单片机的视力保护仪控制系统实际上指的是在硬件结构上以51单片机作为核心部分，通过单片机对芯片外部的超声波传感器、按键模块以及显示屏等部分的驱动，实现整个系统的良好工作，这就是我们经常说的基于51单片机的视力保护仪控制系统。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，这类传统意义上的视力保护仪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，这种传统式视力保护仪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，这就是传统视力保护仪的典型特点。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视力保护仪所能实现的功能，这时候单片机系统的出现打破了这一僵局，大部分视力保护仪系统的设计师们意识到唯有采用电子技术进行自动控制才能带来这种产品的全面发展，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视力保护仪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，因此这种电子式的视力保护仪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，也不耽误视力保护仪产品的再升级，只需要通过程序代码的改写以及重新烧写就可以实现视力保护仪控制系统的二次甚至多次升级，这还传统式视力保护仪系统所无法实现的，另外由于这种电子式视力保护仪系统全部采用芯片来完成各项功能，因此在批量生产后可以大幅度地降低生产成本，使得最终推向市场后的视力保护仪控制系统表现出非常高的性价比，本课题就将采用单片机芯片来实现一款视力保护仪控制系统。
（二）视力保护仪控制系统的国内外发展现状
电子式视力保护仪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视力保护仪系统产品的技术已经趋于成熟，而要实现更高的性能，还有很大的一段上升空间，因为随着微处理器技术的不断发展，64位处理器即将横空出世，一旦64位微处理器技术成熟并投向市场，将这种更高性能的微处理器替换掉目前的16位或者32位芯片，将能够快速地淘汰掉现有产品，到那时基于单片机的视力保护仪控制系统将能够实现更好的坐姿检测、坐姿快速矫正以及坐姿数据保存并且通过历史数据提出合理的视力矫正方案等功能，目前国内外所能实现的最先进视力保护仪系统是32位的，大多采用ARM架构来实现，前不久美国芝加哥大学的一个兴趣小组采用了CM3架构微处理器作为主控，实现了一款能够实现坐姿快速监测并且通过GSM通信技术将孩子的坐姿数据送入家长手机中进行实施监护的智能视力保护仪系统，这款系统的推出实现了嵌入式系统与人民生活的息息相关性，同时也标志着为了实现更高性能的视力保护仪系统我们有很长一段路要走。
（三）本文主要研究内容
本文在视力保护仪发展背景的基础上选择了视力保护仪作为研究课题，考虑到这种控制系统目前的生产成本处于一种较高的位置，使得相关产品的性价比一直上不去，这种现象的关键在于其内部主控芯片以及其他模块的造价昂贵以及开发成本高，因此本文选用了具有超高性价比以及较低功耗的51单片机作为控制系统的主控器件，并结合其他的低价模块，设计一款能够实现自动控制功能的视力保护仪系统，并实现以下功能指标。
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STC89C51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、系统采用+5V直流电压进行系统供电。
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