基于51單片機(jī)的視力保護(hù)儀設(shè)計(jì)

引言

單片機(jī)通過了多年的迅速發(fā)展，其優(yōu)點(diǎn)十分突出，高速，低功耗，超低價(jià)，超強(qiáng)抗干擾，在大眾生活中單片機(jī)已經(jīng)運(yùn)用到了諸多地方，例如平時(shí)使用的手機(jī)，觀看電視時(shí)所使用的遙控器等電子設(shè)備都有運(yùn)用。單片機(jī)其自身就是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成在了一個(gè)芯片上面，單片機(jī)還有另一個(gè)名稱是單片微控制器，在其身上，CPU，儲(chǔ)存器ROM和RAM，IO口和內(nèi)部時(shí)鐘等，可以說是麻雀雖小五臟俱全，可以讓單片機(jī)完成各種復(fù)雜的運(yùn)算，處理大量的數(shù)據(jù)，能夠給學(xué)習(xí)和開發(fā)提供了很好的條件。

另外，超聲波測(cè)距在生活日常中也愈來愈重要，在許多生活場(chǎng)景都有運(yùn)用到，超聲波傳感器是一種將其他形式的信號(hào)變?yōu)樗枰念l率的超聲波信號(hào)器件，在倒車雷達(dá)、停車場(chǎng)的檢測(cè)、橋梁建設(shè)、液位檢測(cè)、機(jī)器人自動(dòng)避障行走等場(chǎng)合都有應(yīng)用。超聲波傳感器主要分為兩大類：電聲型和流體動(dòng)力型，因?yàn)楣ぷ黝l率的不同和使用目的不同，超聲波傳感器也是各有不同。此課題運(yùn)用到的HC-SR04模塊測(cè)距檢測(cè)是一種非接觸的檢測(cè)，具有性能穩(wěn)定，高精度，靈敏度較高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。2~300cm的測(cè)距距離和測(cè)量時(shí)不用與被測(cè)物體接觸也是能夠滿足了課題設(shè)計(jì)的需求。

在信息科技飛速發(fā)展的今天，已經(jīng)進(jìn)入了大數(shù)據(jù)時(shí)代，人們?nèi)粘Ｉ钤缫央x不開手機(jī)，電腦，平板等電子設(shè)備的閱讀使用，由于不正確的使用，而導(dǎo)致越來越多的人近視，越來越多人的視力開始下降。近視的人每年都在增多，就有關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查，僅中國(guó)就有超過6億人存在近視，其中在18~50歲的人群中，女性占了百分之五十九點(diǎn)八，男性占了百分之四十點(diǎn)二。而且近視四百到六百度占了百分之十六點(diǎn)七，六百度以上占了百分之七點(diǎn)六。如此看來對(duì)大眾的視力保護(hù)及其重要。因此，運(yùn)用單片機(jī)制作一款視力保護(hù)儀是非常需要的，運(yùn)用單片機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)，來設(shè)計(jì)一個(gè)視力保護(hù)儀，構(gòu)造一個(gè)電路簡(jiǎn)潔，數(shù)據(jù)采集處理迅速，功能全都具備的系統(tǒng)，對(duì)光強(qiáng)和測(cè)距都能夠準(zhǔn)確進(jìn)行采集測(cè)量的設(shè)計(jì)，使得制作的視力保護(hù)儀能更加好的對(duì)使用者進(jìn)行視力保護(hù)，規(guī)范使用者的不良讀寫習(xí)慣，避免高度近視的趨勢(shì)。

1. ? 系統(tǒng)概述
   1. 設(shè)計(jì)要求

綜合運(yùn)用所學(xué)的模擬電子技術(shù)、單片機(jī)原理及應(yīng)用等專業(yè)知識(shí)，以STC89C52為主控芯片來設(shè)計(jì)并制作一個(gè)視力保護(hù)儀，且可實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的測(cè)量，距離的測(cè)量，使用時(shí)間監(jiān)測(cè)及報(bào)警等功能，用LCD來顯示時(shí)間，距離等參數(shù)信息。

（1）當(dāng)使用者的臉部與桌面或電腦等之間的距離小于30cm時(shí)，電路發(fā)出聲光或語音提示，糾正坐姿；

（2）當(dāng)讀寫環(huán)境光線強(qiáng)度不夠或過大時(shí)，電路發(fā)出聲光或語音提示；

（3）當(dāng)使用的時(shí)間達(dá)到30分鐘時(shí)，電路會(huì)自動(dòng)發(fā)出語音提示，提醒使用者注意休息；

（4）使用LCD顯示距離、時(shí)間等各種參數(shù)信息。

1. 1. 總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)的框圖如圖1-1所示，其由STC89C52單片機(jī)、測(cè)距模塊和感光模塊以及LCD顯示模塊構(gòu)成，它們的作用分別為：

STC89C52模塊：用來當(dāng)視力保護(hù)儀的核心控制器。

測(cè)距模塊：通過超聲波測(cè)距測(cè)量桌子與使用者之間的距離，若距離過近則會(huì)產(chǎn)生聲光警報(bào)來提醒使用者。

感光模塊：先利用光敏電阻捕獲光線信號(hào)，再利用AD獲取光信強(qiáng)度做出對(duì)應(yīng)的報(bào)警限度的聲光警報(bào)。

LCD模塊：顯示光強(qiáng)、距離等相關(guān)參數(shù)信息。

其中STC89C52模塊里面包括了單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，可通過按鍵模塊設(shè)置鬧鐘定時(shí)的時(shí)間，經(jīng)過單片機(jī)后在LCD上顯示出來。同時(shí)按鍵也可設(shè)置被測(cè)距離的警報(bào)下限值，以此來對(duì)應(yīng)不同使用者所需要的與桌子之間的距離。

圖1-1總體設(shè)計(jì)框圖

1. ? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體方案
   1. 測(cè)距模塊的方案論證

方案一：紅外線測(cè)距

如若采用紅外線測(cè)距，根據(jù)其原理是運(yùn)用了紅外線傳播時(shí)不擴(kuò)散的原理，可知紅外線穿越物質(zhì)的折射率小，比較適合長(zhǎng)距離的測(cè)距。但是紅外線傳播需要時(shí)間，當(dāng)紅外線發(fā)出，到碰到反射物，再到反射回來被接收到，再?gòu)募t外線發(fā)出到被接受的時(shí)間和紅外線的傳播速度才可以計(jì)算出距離。另外及易受到太陽光或者其他光源的干擾。

方案二：超聲波測(cè)距

超聲波測(cè)距的原理就是運(yùn)用了超聲波在空氣中的傳播速度是固定的，在測(cè)量聲波在發(fā)射到碰到障礙物再到反射回來的整個(gè)過程的時(shí)間，根據(jù)計(jì)算時(shí)間差來計(jì)算距離。往往利用超聲波檢測(cè)更加快速、便利。但是在超聲波測(cè)距中，較容易受到溫度的影響，使得測(cè)距精度不高。

綜上所述，兩者相對(duì)比較，都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，但考慮到課題所制作的視力保護(hù)儀的功能，優(yōu)先使用超聲波測(cè)距，對(duì)使用環(huán)境比較匹配，電路更簡(jiǎn)潔，軟件設(shè)計(jì)更方便。

1. 1. 顯示模塊的方案論證

方案一：LED數(shù)碼管

數(shù)碼管可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管，采用數(shù)碼管顯示，其能夠較快的顯示出相關(guān)參數(shù)，且顯示得非常簡(jiǎn)潔明了，但是單次內(nèi)容太少，不夠詳細(xì)，不能夠快速的查看多項(xiàng)內(nèi)容人機(jī)交互的界面不夠好。

方案二：LCD1602液晶顯示

如若采用LCD1602液晶顯示屏，顯示的內(nèi)容將更加清晰，背光亮度可用滑阻調(diào)節(jié)，并且能夠同時(shí)顯示16×02即32個(gè)字符，所以能快速的，同時(shí)的顯示出相應(yīng)參數(shù)，其本身也控制簡(jiǎn)單，成本較低。

綜上所述，就課題視力保護(hù)儀來說，方案二能夠更好的顯示出所需要的相關(guān)信息，人機(jī)交互界面較前者有優(yōu)勢(shì)，所以顯示模塊這部分選用了LCD1602。

1. 1. 光強(qiáng)檢測(cè)模塊的方案論證

方案一：光敏二極管

其擁有一個(gè)光敏特征的PN結(jié)，也是有著單向?qū)щ娦?，因此?dāng)光線強(qiáng)度不一時(shí)，電路中的電流也會(huì)有相應(yīng)的改變。無光照時(shí)，光敏二極管截止，當(dāng)有光照入射時(shí)，其飽和反向漏電流相應(yīng)增大，形成了光電流，此電流會(huì)隨入射光亮度的變化而變化。其光電流小，響應(yīng)時(shí)間較快。有光導(dǎo)電，無光不導(dǎo)。但是工作時(shí)需要加上反向電壓且本課題并不工作在高頻率的環(huán)境。

方案二：光敏電阻

一種光電元器件利用內(nèi)光電效應(yīng)工作，又稱光導(dǎo)管，其電阻隨光的變化而相應(yīng)變化。可見光基本上都能感應(yīng)到。當(dāng)光照強(qiáng)度變大時(shí)，其阻值開始變小，電流增大。其反應(yīng)速度比較快，體積小，可靠性好，價(jià)格實(shí)惠，經(jīng)濟(jì)成本低，適用在DC電路使用。但是時(shí)延較大，快速響應(yīng)的環(huán)境下不能使用。

綜上所述，由于光敏電阻即可勝任課題視力保護(hù)儀的要求，且體積小便宜實(shí)惠，在電路中可跟為方便的使用，所以選擇了光敏電阻作為光強(qiáng)檢測(cè)模塊的應(yīng)用。

1. ? 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
   1. 硬件電路的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)方案的選擇，STC89C52是所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主控芯片，STC89C52 是STC公司出售的一款加密性強(qiáng)，抗干擾強(qiáng)，可在線編程，低功耗的高速CMOS 8位單片機(jī)。片上集成512字節(jié)RAM，其中P0是開漏輸出。有3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，定時(shí)器0可當(dāng)2個(gè)8位定時(shí)器使用。在此除了單片機(jī)的電路外，還有電源電路：給整個(gè)系統(tǒng)提供電源，使系統(tǒng)開始工作；下載口：連接著單片機(jī)的P3.0和P3.1腳，即串口通信RXD和TXD，用來與計(jì)算機(jī)相連，進(jìn)行程序燒錄；超聲波模塊、LCD顯示模塊和警報(bào)模塊也是相連到了單片機(jī)的P0口和P2口，用以對(duì)距離的測(cè)量，系統(tǒng)的檢測(cè)警報(bào)和參數(shù)顯示的功能；加上單片機(jī)最小系統(tǒng)電路和P1口和P3口所連接的按鍵電路和時(shí)鐘電路以及光強(qiáng)檢測(cè)電路，這些電路構(gòu)成了此課題的總體電路。課題以STC89C52單片機(jī)作為該課題的核心控制，整體觀察視力保護(hù)儀的設(shè)計(jì)，最為關(guān)鍵就在于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的聲光報(bào)警與語音播報(bào)，處理超聲波測(cè)距測(cè)得的參數(shù)和處理光照強(qiáng)度檢測(cè)的參數(shù)信息，而功能強(qiáng)大且價(jià)格實(shí)惠的STC89C52單片機(jī)絕對(duì)適用與課題視力保護(hù)儀的設(shè)計(jì)，能夠充分發(fā)揮其強(qiáng)大的功能和運(yùn)算能力。圖3-1為視力保護(hù)儀總體電路設(shè)計(jì)圖。

圖3-1 總體電路設(shè)計(jì)圖

1. 1. 單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)
      1. 晶振電路的設(shè)計(jì)

晶振稱為石英晶體振蕩器，在單片機(jī)中是給單片機(jī)提供一個(gè)脈沖讓單片機(jī)開始工作的，脈沖就是單片機(jī)的工作的速度，一般都不大于24M。如果沒有晶振電路來起振驅(qū)動(dòng)單片機(jī)，那么單片機(jī)就無法執(zhí)行程序，或者運(yùn)行不夠規(guī)律，整個(gè)系統(tǒng)在執(zhí)行程序的時(shí)候也會(huì)在某些方面出現(xiàn)誤差。晶振的振蕩的頻率比較的穩(wěn)定，在課題中使用的晶振頻率是11.0592MHz，接入的兩個(gè)電容的值也是一樣的，通過引腳兩端接入單片機(jī)的XTAL1和XTAL2兩個(gè)引腳，再接兩個(gè)微調(diào)電容，兩個(gè)電容互相連接的那一端一定得接地，這樣就成了一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。如圖3-2所示。