多功能视力保护器的设计
多功能视力保护器的设计[20200128190540]
摘要
基于实验室现有的硬件平台，本文的研究目标是完成多功能视力保护器的硬件开发与设计，并完成相应的硬件制作。其研究内容分为两部分：对视力保护器的硬件设计和硬件制作。在设计中存在着如何有效的提高视力保护以及对硬件电路准确调试的难点。在硬件设计中，基于超声波技术设计的多功能视力保护器电路，通过超声波接收头对接收的超声波信号进行调制输出，实现控制声光提示电路工作的理论研究有一定的研究意义。
本文设计出了基于超声波发射与接收技术的多功能视力保护器。通过实践证明该视力保护器可行且可靠性良好，使用方便。本文期望通过该电子硬件的制作和理论的研究，能为后期进一步设计多功能视力保护器并采取合理措施提高视力保护的有效性提供可靠和有效的数据源和信息依据。
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关键字:】传感器；测距；定时
一、 引言 5
（一） 选题背景 5
（二） 本文主要研究内容 5
1. 主要内容 5
2. 基本要求 5
二、 多功能视力保护器的总系统设计 6
（一） 多功能视力保护器整体设计方案 6
（二） 系统总框图 6
（三） 单片机的选择 6
（四） 传感器的选择 6
(五) 编程语言的选择 7
三、 多功能视力保护器硬件设计 8
（一） AT89S52 8
（二） 传感器 9
1. 超声波测距模块 9
2. 光照检测模块 11
（三） 电源模块 11
（四） 报警模块 12
（五） 振荡模电路 12
（六） 复位电路 13
（七） 数码显示电路 13
四、 系统软件设计 15
（一） 程序的模块划分 15
（二） 子模块设计 15
（三） 外部中断 17
五、 结论及展望 19
六、 参考文献 20
致谢 21
附录 22
原理图： 22
程序： 23
一、引言
（一）选题背景
当前由于环境变化、电视、网络的高速发展等诸多因素，使得青少年长时间不卫生、超负荷用眼，造成了青少年近视疾病的大量发生。据国家统计局最近的一项调查显示，目前我国学生视力低下的状况令人担忧。小学近视比例为34%-61%，初中为68%，重点高中为90%左右，在校大学生视力合格者更少。而在高考体检中由于自身缺陷原因被限考的学生当中有74%为近视。据卫生部、教育部联合调查，目前我国学生近视发病率居世界第二，人数居世界之首。全国近视及眼疾患者近3亿人，已经成为全社会关注的公共卫生和社会问题。
视力下降不仅影响青少年的日常生活和学习，对青少年的身心健康造成极大的影响，同时给青少年的成长与发育造成极大的障碍。为了下一代的身心健康，拯救近视已刻不容缓。
近视作为一种现代通病，几乎没有办法根治它。目前的激光切除手术其实是伤害了人体的自然完整，戕害着身心的健全。于是，百年来人们沿用着“玻璃凹凸”的笨办法维系着人们对外界求索的目光。
在这种情况下，亟须开发一种多功能视力保护器。通过创造健康的读写环境和科学方式，避免因长期读写而导致的近视、驼背、脊柱侧弯、斜视、颈椎病等疾病的发生和发展，用非医药的手段，防范和解除因不良读写习惯，避免给人们身体带来伤害。
（二）本文主要研究内容
1.主要内容
采用单片机AT89S52为控制核心，测距模块由包含超声波发出与接收功能的超声波传感器组成、感光模块由光敏电阻与OP07构成的电压比较器组成、定时报警电路分为单片机控制电路和定时器报警电路，它主要通过单片机的定时计数功能实现功能、电源使用线性稳压芯片，7805为单片机及其他模块提供+5V电源。然后通过以上4个模块的组合，能同时实现对视力起保护作用的报警功能。
2.基本要求
(1)当使用者脸部距离写字台低于25cm时，报警灯闪亮，提醒使用者及时调整座姿。
(2)学习环境光线自动检测。当光线照度低于国家教委规定的100lx时，报警灯闪亮，提醒用户调整光强。
(3)学习时间自动检测。当学习时间达到45分钟时，报警灯闪亮，同时蜂鸣器发出警报，提醒使用者休息片刻。
二、多功能视力保护器的总系统设计
（一）多功能视力保护器整体设计方案
多功能视力保护器旨在多方面最大化的保护视力。我所设计的视力保护器总体上有测距、感光和定时三种功能，当任一模块到达报警限度时就会发出警报。仪器最基本组成部分应包括：超声波测距报警电路、光线报警电路、定时报警电路以及报警发声电路等核心电路。
（二）系统总框图
图1 系统总框图
（三）单片机的选择
从控制系统的大小和复杂度出发，必须考虑单片机的基本参数和增强功能。前者往往需要考虑芯片的速度，ROM容量，I/O引脚数量和工作电压(1.8V/3V/5V)等，后者则包括是否拥有看门狗，双指针，双串口，实时时钟，CAN接口，SPI接口，USB接口等附加模块。本设计中受控对象只有超声波、声光报警，复杂度低，采用低端的通用的单片机芯片就能够满足要求。
从容易学习掌握的角度出发，要求所选单片机支持简单易学的编程语言，并且拥有软件支持的良好编程环境。同时还应当有丰富的资料支持，包括详尽的芯片说明书，应用指南，设计方案，范例程序等。
从工作可靠性的角度出发，要求所选芯片有较宽工作温度范围，较低的功耗和一定的抗干扰能力。按适用的工作温度分，常用单片机芯片可分为商用级、工业级、军品级，这里选择一般的商用机即可。在功耗和抗干扰方面，本控制系统的要求都不高，一般的单片机芯片都能满足要求。
综上所述，本系统选择AT89S52单片机作为主控芯片。
（四）传感器的选择
在测距模块中，超声波测距的原理是利用超声波的发射与接收，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距的两端，一端发射，另一端接受的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体发射回来后接收的反射波方式，适用与测距仪。本设计采用反射波方式。
在感光模块中，采用光敏电阻与OP07构成的电压比较器来构成感光模块的主要部分。
(五)编程语言的选择
C语言是一种结构化编程语言，可产生压缩代码。C语言在硬件结构上仅要求对单片机存储器等硬件结构有初步了解，寄存器分配，不同存储器寻址及数据类型等细节可由编译器管理。C语言程序本身并不依赖于机器硬件系统，基本上不做修改就可以在不同种类的单片机之间相互移植。程序可划分为不同函数，结构规范，可读性强。C语言提供的库包含许多标准子程序，具有很强的数据处理能力。C语言作为一种方便、容易掌握的语言得到了广泛的应用，是目前单片机编程中应用最多的语言之一。
汇编语言同样在单片机编程中得到了广泛的应用，其具有简单实用，控制灵活，实时性强，程序效率高等特点。汇编语言有着极强的硬件控制能力，用其它的高级语言所无法控制的软硬件细节，在汇编语言中都可以实现，但是编程复杂。
综合考虑，软件的设计语言选择C语言。
三、多功能视力保护器硬件设计
（一）AT89S52
AT89S52为51系列的单片机，包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。AT89S52单片机引脚图如图3-1所示。
图2 单片机引脚图
89c52单片机片内含有掩膜ROM型程序存储器。因为这种只读存储器中的程序要由单片机生产厂制作芯片时为用户固化于片内，所以只适用于批量极大、程序要永久性保留且不会修改的场合。其主要组成部分为：
A．中央处理器(CPU)。它是单片机的核心，包括运算器和控制器两个主要组成部分，用于实现运算和控制功能。运算器主要包括算术逻辑运算部件(ALU)、位处理器、累加器A、寄存器B、缓存器TMP1和TMP2、程序状态字寄存器PSW以及十进制调整电路等。其主要功能是实现数据的算术运算、逻辑运算、位操作及数据传送等。控制器主要由时钟和时序电路以及一些控制寄存器组成。其主要功能是协调整个单片机的工作，产生时序脉冲和提供控制信号等。
摘要
基于实验室现有的硬件平台，本文的研究目标是完成多功能视力保护器的硬件开发与设计，并完成相应的硬件制作。其研究内容分为两部分：对视力保护器的硬件设计和硬件制作。在设计中存在着如何有效的提高视力保护以及对硬件电路准确调试的难点。在硬件设计中，基于超声波技术设计的多功能视力保护器电路，通过超声波接收头对接收的超声波信号进行调制输出，实现控制声光提示电路工作的理论研究有一定的研究意义。
本文设计出了基于超声波发射与接收技术的多功能视力保护器。通过实践证明该视力保护器可行且可靠性良好，使用方便。本文期望通过该电子硬件的制作和理论的研究，能为后期进一步设计多功能视力保护器并采取合理措施提高视力保护的有效性提供可靠和有效的数据源和信息依据。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】传感器；测距；定时
一、 引言 5
（一） 选题背景 5
（二） 本文主要研究内容 5
1. 主要内容 5
2. 基本要求 5
二、 多功能视力保护器的总系统设计 6
（一） 多功能视力保护器整体设计方案 6
（二） 系统总框图 6
（三） 单片机的选择 6
（四） 传感器的选择 6
(五) 编程语言的选择 7
三、 多功能视力保护器硬件设计 8
（一） AT89S52 8
（二） 传感器 9
1. 超声波测距模块 9
2. 光照检测模块 11
（三） 电源模块 11
（四） 报警模块 12
（五） 振荡模电路 12
（六） 复位电路 13
（七） 数码显示电路 13
四、 系统软件设计 15
（一） 程序的模块划分 15
（二） 子模块设计 15
（三） 外部中断 17
五、 结论及展望 19
六、 参考文献 20
致谢 21
附录 22
原理图： 22
程序： 23
一、引言
（一）选题背景
当前由于环境变化、电视、网络的高速发展等诸多因素，使得青少年长时间不卫生、超负荷用眼，造成了青少年近视疾病的大量发生。据国家统计局最近的一项调查显示，目前我国学生视力低下的状况令人担忧。小学近视比例为34%-61%，初中为68%，重点高中为90%左右，在校大学生视力合格者更少。而在高考体检中由于自身缺陷原因被限考的学生当中有74%为近视。据卫生部、教育部联合调查，目前我国学生近视发病率居世界第二，人数居世界之首。全国近视及眼疾患者近3亿人，已经成为全社会关注的公共卫生和社会问题。
视力下降不仅影响青少年的日常生活和学习，对青少年的身心健康造成极大的影响，同时给青少年的成长与发育造成极大的障碍。为了下一代的身心健康，拯救近视已刻不容缓。
近视作为一种现代通病，几乎没有办法根治它。目前的激光切除手术其实是伤害了人体的自然完整，戕害着身心的健全。于是，百年来人们沿用着“玻璃凹凸”的笨办法维系着人们对外界求索的目光。
在这种情况下，亟须开发一种多功能视力保护器。通过创造健康的读写环境和科学方式，避免因长期读写而导致的近视、驼背、脊柱侧弯、斜视、颈椎病等疾病的发生和发展，用非医药的手段，防范和解除因不良读写习惯，避免给人们身体带来伤害。
（二）本文主要研究内容
1.主要内容
采用单片机AT89S52为控制核心，测距模块由包含超声波发出与接收功能的超声波传感器组成、感光模块由光敏电阻与OP07构成的电压比较器组成、定时报警电路分为单片机控制电路和定时器报警电路，它主要通过单片机的定时计数功能实现功能、电源使用线性稳压芯片，7805为单片机及其他模块提供+5V电源。然后通过以上4个模块的组合，能同时实现对视力起保护作用的报警功能。
2.基本要求
(1)当使用者脸部距离写字台低于25cm时，报警灯闪亮，提醒使用者及时调整座姿。
(2)学习环境光线自动检测。当光线照度低于国家教委规定的100lx时，报警灯闪亮，提醒用户调整光强。
(3)学习时间自动检测。当学习时间达到45分钟时，报警灯闪亮，同时蜂鸣器发出警报，提醒使用者休息片刻。
二、多功能视力保护器的总系统设计
（一）多功能视力保护器整体设计方案
多功能视力保护器旨在多方面最大化的保护视力。我所设计的视力保护器总体上有测距、感光和定时三种功能，当任一模块到达报警限度时就会发出警报。仪器最基本组成部分应包括：超声波测距报警电路、光线报警电路、定时报警电路以及报警发声电路等核心电路。
（二）系统总框图
图1 系统总框图
（三）单片机的选择
从控制系统的大小和复杂度出发，必须考虑单片机的基本参数和增强功能。前者往往需要考虑芯片的速度，ROM容量，I/O引脚数量和工作电压(1.8V/3V/5V)等，后者则包括是否拥有看门狗，双指针，双串口，实时时钟，CAN接口，SPI接口，USB接口等附加模块。本设计中受控对象只有超声波、声光报警，复杂度低，采用低端的通用的单片机芯片就能够满足要求。
从容易学习掌握的角度出发，要求所选单片机支持简单易学的编程语言，并且拥有软件支持的良好编程环境。同时还应当有丰富的资料支持，包括详尽的芯片说明书，应用指南，设计方案，范例程序等。
从工作可靠性的角度出发，要求所选芯片有较宽工作温度范围，较低的功耗和一定的抗干扰能力。按适用的工作温度分，常用单片机芯片可分为商用级、工业级、军品级，这里选择一般的商用机即可。在功耗和抗干扰方面，本控制系统的要求都不高，一般的单片机芯片都能满足要求。
综上所述，本系统选择AT89S52单片机作为主控芯片。
（四）传感器的选择
在测距模块中，超声波测距的原理是利用超声波的发射与接收，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距的两端，一端发射，另一端接受的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体发射回来后接收的反射波方式，适用与测距仪。本设计采用反射波方式。
在感光模块中，采用光敏电阻与OP07构成的电压比较器来构成感光模块的主要部分。
(五)编程语言的选择
C语言是一种结构化编程语言，可产生压缩代码。C语言在硬件结构上仅要求对单片机存储器等硬件结构有初步了解，寄存器分配，不同存储器寻址及数据类型等细节可由编译器管理。C语言程序本身并不依赖于机器硬件系统，基本上不做修改就可以在不同种类的单片机之间相互移植。程序可划分为不同函数，结构规范，可读性强。C语言提供的库包含许多标准子程序，具有很强的数据处理能力。C语言作为一种方便、容易掌握的语言得到了广泛的应用，是目前单片机编程中应用最多的语言之一。
汇编语言同样在单片机编程中得到了广泛的应用，其具有简单实用，控制灵活，实时性强，程序效率高等特点。汇编语言有着极强的硬件控制能力，用其它的高级语言所无法控制的软硬件细节，在汇编语言中都可以实现，但是编程复杂。
综合考虑，软件的设计语言选择C语言。
三、多功能视力保护器硬件设计
（一）AT89S52
AT89S52为51系列的单片机，包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。AT89S52单片机引脚图如图3-1所示。
图2 单片机引脚图
89c52单片机片内含有掩膜ROM型程序存储器。因为这种只读存储器中的程序要由单片机生产厂制作芯片时为用户固化于片内，所以只适用于批量极大、程序要永久性保留且不会修改的场合。其主要组成部分为：
A．中央处理器(CPU)。它是单片机的核心，包括运算器和控制器两个主要组成部分，用于实现运算和控制功能。运算器主要包括算术逻辑运算部件(ALU)、位处理器、累加器A、寄存器B、缓存器TMP1和TMP2、程序状态字寄存器PSW以及十进制调整电路等。其主要功能是实现数据的算术运算、逻辑运算、位操作及数据传送等。控制器主要由时钟和时序电路以及一些控制寄存器组成。其主要功能是协调整个单片机的工作，产生时序脉冲和提供控制信号等。
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