超声波视力保护器设计
超声波视力保护器设计[20200131190156]
【摘要】
本文提出了一种基于单片机的多功能视力保护器。讨论了在硬件基础上实现传感器报警电路、光线强度报警电路及定时报警电路。利用超声波发射接收器、光敏电阻等元件组合成电路，实现上述功能。采用的纯硬件电路，通过超声波接收头对接收到的超声波信号进行调制输出。设计分别对超声波发射与接收、光敏电阻的特性及各个功能进行分析，通过这些元件的组合来实现设计所需的报警功能。该视力保护器实用、方便、功耗低、易于维护，并且具有保护使用者视力、预防近视的功能。
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关键字:】传感器报警,光线强度报警,光敏电阻,超声波
引言 1
一、超声波视力保护器系统设计方案 2
（一）功能 2
（二）系统设计方案 2
二、元器件介绍 2
（一）CD4060 2
（二）光敏电阻 3
（三）发光二极管 4
（四）压电超声波探头 4
（五）非门集成电路 5
（六）与非门集成电路 5
（七）或门集成电路 5
三、系统硬件电路设计 6
（一）测光电路 6
（二）测距电路 6
（三）报警部分电路 7
四、超声波视力保护器工作原理 8
总结 10
致谢 11
参考文献 12
附录一 原理图 13
附录二 PCB图 14
附录三 元件清单 15
引言
国家有关部门对许多职业均有明确的视力要求，而一旦近视，花再多钱医治也很难恢复原有的视力。专家认为造成学生近视的最主要原因是读写姿势不正确。国家教委规定：学生在书写时，应在一定的亮度下，眼镜离读物一尺，身离书桌一拳。学习压力如此之大，学习时间如此之多，那么，有一个保护视力的装置便显得越来越重要。
本设计基于实验室现有的硬件平台，主要实现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实现多功能控制声光提示电路工作的理论研究有一定的研究意义。
“超声波视力保护器”是数字电子课程设计的主要内容；本设计充分体现了多功能视力保护器对视力保护的特点，保证正常学习、工作的情况下起到保护视力的作用，重点突出了该保护器的自动“监测”和“报警”功能，该保护器全部采用CMOS电路设计，电路简单、合理、功耗低、实测静态电流不大于8mA,由四节5号电池供电，一般可用一学期。
本设计阅读书写的距离采用超声波反射自检方式，当使用者的脸部距离写字台小于35cm时，“距离”灯闪亮，同时会发出报警声，提醒使用者及时调整座姿；当光线照度低度低于100LX时，“光线”灯闪亮并发出报警声，提醒使用者打开台灯或暂停工作，当学习或工作时间大于45分钟时，“定时”灯闪亮，同时发出报警声，提醒使用者休息片刻，有了该保护器保护视力，我们的眼睛在工作或学习当中能得到合理的调解和休息，减少了视疲劳，从而视力得到了保护，相应的工作和学习还有我们的健康也得到了保障。本设计采用分立元件实现。
一、超声波视力保护器系统设计方案
（一）功能
1.距离检测
阅读或书写的距离采用超声波反射自检方式，当使用者脸部距离写字台小于35cm时“距离”灯闪亮，同时有急促的“嘀、嘀、嘀”断续报警声发出，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，“光线灯”闪亮，同时发出急促的报警声，提醒使用者暂停工作或打开台灯。
3.学习时间自发动检测
当学习时间达到45分钟时，“定时灯”闪亮，同时发出急促的报警声，提醒使用者休息片刻。
该视力保护器全部采用CMOS电路设计，电路简单、合理，功耗低，实测静态电流不大于8mA，由四节5号电池供电，一般可用一学期。
（二）系统设计方案
本超声波视力保护器由光线检测电路、定时器电路、距离检测电路及报警器电路等组成，电路原理框图如图1所示：
二、 系统元器件介绍
（一）CD4060
CD4060分频器特点：
1． 电压范围宽，应该可以工作在3V～15V，输入阻抗高，驱动能力差外，与74系列的功能基本没有区别；
2． 输入时，1/2工作电压以下为0，1/2工作电压以上为1；
3． 输出时，1=工作电压；0=0V
图2 CD4060基本电路
4．驱动能力差，在设计时最多只能带1个TTL负载；
5．如果加上拉电阻的话，至少要100K电阻；
6． CD4060的计数器可以到14级二进制串行计数/ 分频器，这个74系列的做不到。CD4060基本电路如图2所示。
（二）光敏电阻
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换。常用的光敏电阻器有硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的暗阻可达1～10MΩ,在强光条件（100LX）下，它亮阻仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4～0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。光敏电阻内部结构图如图3所示。
黑色塑料管 黑色环氧树脂
发光二极管 光敏三极管
图3 光敏电阻内部结构图
（三）发光二极管
它是半导体二极管的一种，把电能转化成光能，常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，由N区注入到P区的电子和从P区注入到N区的空穴，在PN结附近几微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴复合时释放出的能量不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常见的有发红光、绿光或黄光的发光二极管。其示意图如图4所示。
图4 二极管示意图
（四）压电超声波探头
压电超声探头的原理有点像雷达。压电陶瓷片在某一时刻发出超声波，超声波碰到物体后反射回来，此时探头转换成接收模式，将反射回来的超声波转换成电压信号。超声波的频率及被探测物体的质量变化将导致探头的输出信号变化。现代压电超声探头由两组压电陶瓷片组成，在某一时刻一组压电陶瓷片发出超声波，而另一组压电陶瓷片接收超声波。其示意图如图5所示。
图5 压电超声波探头示意图
（五）非门集成电路
非门又称反相器，是逻辑电路的重要基本单元，非门有输入和输出两个端，非门电路示意图如图6所示。当其输入端为低电平时输出端为高电平，当其输入端为高电平时输出端为低电平。其输出端的圆圈代表反相的意思。
图6 非门示意图
（六）与非门集成电路
与非门是先进行与运算再进行非运算。两输入与非门就是这两个数的乘积再取反。如1和1，则输出为0；1和0，则输出为1；0和0，则输出为1。简单说，与非就是先与后非。两输入与非门示意图如图7所示。
图7 与非门示意图
（七）或门集成电路
如果几个条件中，只要有一个条件得到满足，某事件就会发生，这种关系叫做“或”逻辑关系。具有“或”逻辑关系的电路叫做“或”门。只要输入中有一个为“1”电平时，输出就为“1”电平，只有当所有的输入全为“0”电平时，输出才为“0”电平。或门有几个输入端，只有一个输出端。如图8所示为两输入或门电路示意图。
【摘要】
本文提出了一种基于单片机的多功能视力保护器。讨论了在硬件基础上实现传感器报警电路、光线强度报警电路及定时报警电路。利用超声波发射接收器、光敏电阻等元件组合成电路，实现上述功能。采用的纯硬件电路，通过超声波接收头对接收到的超声波信号进行调制输出。设计分别对超声波发射与接收、光敏电阻的特性及各个功能进行分析，通过这些元件的组合来实现设计所需的报警功能。该视力保护器实用、方便、功耗低、易于维护，并且具有保护使用者视力、预防近视的功能。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】传感器报警,光线强度报警,光敏电阻,超声波
引言 1
一、超声波视力保护器系统设计方案 2
（一）功能 2
（二）系统设计方案 2
二、元器件介绍 2
（一）CD4060 2
（二）光敏电阻 3
（三）发光二极管 4
（四）压电超声波探头 4
（五）非门集成电路 5
（六）与非门集成电路 5
（七）或门集成电路 5
三、系统硬件电路设计 6
（一）测光电路 6
（二）测距电路 6
（三）报警部分电路 7
四、超声波视力保护器工作原理 8
总结 10
致谢 11
参考文献 12
附录一 原理图 13
附录二 PCB图 14
附录三 元件清单 15
引言
国家有关部门对许多职业均有明确的视力要求，而一旦近视，花再多钱医治也很难恢复原有的视力。专家认为造成学生近视的最主要原因是读写姿势不正确。国家教委规定：学生在书写时，应在一定的亮度下，眼镜离读物一尺，身离书桌一拳。学习压力如此之大，学习时间如此之多，那么，有一个保护视力的装置便显得越来越重要。
本设计基于实验室现有的硬件平台，主要实现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实现多功能控制声光提示电路工作的理论研究有一定的研究意义。
“超声波视力保护器”是数字电子课程设计的主要内容；本设计充分体现了多功能视力保护器对视力保护的特点，保证正常学习、工作的情况下起到保护视力的作用，重点突出了该保护器的自动“监测”和“报警”功能，该保护器全部采用CMOS电路设计，电路简单、合理、功耗低、实测静态电流不大于8mA,由四节5号电池供电，一般可用一学期。
本设计阅读书写的距离采用超声波反射自检方式，当使用者的脸部距离写字台小于35cm时，“距离”灯闪亮，同时会发出报警声，提醒使用者及时调整座姿；当光线照度低度低于100LX时，“光线”灯闪亮并发出报警声，提醒使用者打开台灯或暂停工作，当学习或工作时间大于45分钟时，“定时”灯闪亮，同时发出报警声，提醒使用者休息片刻，有了该保护器保护视力，我们的眼睛在工作或学习当中能得到合理的调解和休息，减少了视疲劳，从而视力得到了保护，相应的工作和学习还有我们的健康也得到了保障。本设计采用分立元件实现。
一、超声波视力保护器系统设计方案
（一）功能
1.距离检测
阅读或书写的距离采用超声波反射自检方式，当使用者脸部距离写字台小于35cm时“距离”灯闪亮，同时有急促的“嘀、嘀、嘀”断续报警声发出，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，“光线灯”闪亮，同时发出急促的报警声，提醒使用者暂停工作或打开台灯。
3.学习时间自发动检测
当学习时间达到45分钟时，“定时灯”闪亮，同时发出急促的报警声，提醒使用者休息片刻。
该视力保护器全部采用CMOS电路设计，电路简单、合理，功耗低，实测静态电流不大于8mA，由四节5号电池供电，一般可用一学期。
（二）系统设计方案
本超声波视力保护器由光线检测电路、定时器电路、距离检测电路及报警器电路等组成，电路原理框图如图1所示：
二、 系统元器件介绍
（一）CD4060
CD4060分频器特点：
1． 电压范围宽，应该可以工作在3V～15V，输入阻抗高，驱动能力差外，与74系列的功能基本没有区别；
2． 输入时，1/2工作电压以下为0，1/2工作电压以上为1；
3． 输出时，1=工作电压；0=0V
图2 CD4060基本电路
4．驱动能力差，在设计时最多只能带1个TTL负载；
5．如果加上拉电阻的话，至少要100K电阻；
6． CD4060的计数器可以到14级二进制串行计数/ 分频器，这个74系列的做不到。CD4060基本电路如图2所示。
（二）光敏电阻
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换。常用的光敏电阻器有硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的暗阻可达1～10MΩ,在强光条件（100LX）下，它亮阻仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4～0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。光敏电阻内部结构图如图3所示。
黑色塑料管 黑色环氧树脂
发光二极管 光敏三极管
图3 光敏电阻内部结构图
（三）发光二极管
它是半导体二极管的一种，把电能转化成光能，常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，由N区注入到P区的电子和从P区注入到N区的空穴，在PN结附近几微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴复合时释放出的能量不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常见的有发红光、绿光或黄光的发光二极管。其示意图如图4所示。
图4 二极管示意图
（四）压电超声波探头
压电超声探头的原理有点像雷达。压电陶瓷片在某一时刻发出超声波，超声波碰到物体后反射回来，此时探头转换成接收模式，将反射回来的超声波转换成电压信号。超声波的频率及被探测物体的质量变化将导致探头的输出信号变化。现代压电超声探头由两组压电陶瓷片组成，在某一时刻一组压电陶瓷片发出超声波，而另一组压电陶瓷片接收超声波。其示意图如图5所示。
图5 压电超声波探头示意图
（五）非门集成电路
非门又称反相器，是逻辑电路的重要基本单元，非门有输入和输出两个端，非门电路示意图如图6所示。当其输入端为低电平时输出端为高电平，当其输入端为高电平时输出端为低电平。其输出端的圆圈代表反相的意思。
图6 非门示意图
（六）与非门集成电路
与非门是先进行与运算再进行非运算。两输入与非门就是这两个数的乘积再取反。如1和1，则输出为0；1和0，则输出为1；0和0，则输出为1。简单说，与非就是先与后非。两输入与非门示意图如图7所示。
图7 与非门示意图
（七）或门集成电路
如果几个条件中，只要有一个条件得到满足，某事件就会发生，这种关系叫做“或”逻辑关系。具有“或”逻辑关系的电路叫做“或”门。只要输入中有一个为“1”电平时，输出就为“1”电平，只有当所有的输入全为“0”电平时，输出才为“0”电平。或门有几个输入端，只有一个输出端。如图8所示为两输入或门电路示意图。
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