基于51单片机的视力保护仪设计

引言

单片机通过了多年的迅速发展，其优点十分突出，高速，低功耗，超低价，超强抗干扰，在大众生活中单片机已经运用到了诸多地方，例如平时使用的手机，观看电视时所使用的遥控器等电子设备都有运用。单片机其自身就是计算机系统集成在了一个芯片上面，单片机还有另一个名称是单片微控制器，在其身上，CPU，储存器ROM和RAM，IO口和内部时钟等，可以说是麻雀虽小五脏俱全，可以让单片机完成各种复杂的运算，处理大量的数据，能够给学习和开发提供了很好的条件。

另外，超声波测距在生活日常中也愈来愈重要，在许多生活场景都有运用到，超声波传感器是一种将其他形式的信号变为所需要的频率的超声波信号器件，在倒车雷达、停车场的检测、桥梁建设、液位检测、机器人自动避障行走等场合都有应用。超声波传感器主要分为两大类：电声型和流体动力型，因为工作频率的不同和使用目的不同，超声波传感器也是各有不同。此课题运用到的HC-SR04模块测距检测是一种非接触的检测，具有性能稳定，高精度，灵敏度较高，抗干扰能力较强等优点。2~300cm的测距距离和测量时不用与被测物体接触也是能够满足了课题设计的需求。

在信息科技飞速发展的今天，已经进入了大数据时代，人们日常生活早已离不开手机，电脑，平板等电子设备的阅读使用，由于不正确的使用，而导致越来越多的人近视，越来越多人的视力开始下降。近视的人每年都在增多，就有关数据调查，仅中国就有超过6亿人存在近视，其中在18~50岁的人群中，女性占了百分之五十九点八，男性占了百分之四十点二。而且近视四百到六百度占了百分之十六点七，六百度以上占了百分之七点六。如此看来对大众的视力保护及其重要。因此，运用单片机制作一款视力保护仪是非常需要的，运用单片机构成的控制系统，来设计一个视力保护仪，构造一个电路简洁，数据采集处理迅速，功能全都具备的系统，对光强和测距都能够准确进行采集测量的设计，使得制作的视力保护仪能更加好的对使用者进行视力保护，规范使用者的不良读写习惯，避免高度近视的趋势。

1.   系统概述
   1. 设计要求

综合运用所学的模拟电子技术、单片机原理及应用等专业知识，以STC89C52为主控芯片来设计并制作一个视力保护仪，且可实现光强的测量，距离的测量，使用时间监测及报警等功能，用LCD来显示时间，距离等参数信息。

（1）当使用者的脸部与桌面或电脑等之间的距离小于30cm时，电路发出声光或语音提示，纠正坐姿；

（2）当读写环境光线强度不够或过大时，电路发出声光或语音提示；

（3）当使用的时间达到30分钟时，电路会自动发出语音提示，提醒使用者注意休息；

（4）使用LCD显示距离、时间等各种参数信息。

1. 1. 总体设计

总体设计的框图如图1-1所示，其由STC89C52单片机、测距模块和感光模块以及LCD显示模块构成，它们的作用分别为：

STC89C52模块：用来当视力保护仪的核心控制器。

测距模块：通过超声波测距测量桌子与使用者之间的距离，若距离过近则会产生声光警报来提醒使用者。

感光模块：先利用光敏电阻捕获光线信号，再利用AD获取光信强度做出对应的报警限度的声光警报。

LCD模块：显示光强、距离等相关参数信息。

其中STC89C52模块里面包括了单片机最小系统电路，可通过按键模块设置闹钟定时的时间，经过单片机后在LCD上显示出来。同时按键也可设置被测距离的警报下限值，以此来对应不同使用者所需要的与桌子之间的距离。

图1-1总体设计框图

1.   系统设计的整体方案
   1. 测距模块的方案论证

方案一：红外线测距

如若采用红外线测距，根据其原理是运用了红外线传播时不扩散的原理，可知红外线穿越物质的折射率小，比较适合长距离的测距。但是红外线传播需要时间，当红外线发出，到碰到反射物，再到反射回来被接收到，再从红外线发出到被接受的时间和红外线的传播速度才可以计算出距离。另外及易受到太阳光或者其他光源的干扰。

方案二：超声波测距

超声波测距的原理就是运用了超声波在空气中的传播速度是固定的，在测量声波在发射到碰到障碍物再到反射回来的整个过程的时间，根据计算时间差来计算距离。往往利用超声波检测更加快速、便利。但是在超声波测距中，较容易受到温度的影响，使得测距精度不高。

综上所述，两者相对比较，都有自己的优缺点，但考虑到课题所制作的视力保护仪的功能，优先使用超声波测距，对使用环境比较匹配，电路更简洁，软件设计更方便。

1. 1. 显示模块的方案论证

方案一：LED数码管

数码管可分为共阳极数码管和共阴极数码管，采用数码管显示，其能够较快的显示出相关参数，且显示得非常简洁明了，但是单次内容太少，不够详细，不能够快速的查看多项内容人机交互的界面不够好。

方案二：LCD1602液晶显示

如若采用LCD1602液晶显示屏，显示的内容将更加清晰，背光亮度可用滑阻调节，并且能够同时显示16×02即32个字符，所以能快速的，同时的显示出相应参数，其本身也控制简单，成本较低。

综上所述，就课题视力保护仪来说，方案二能够更好的显示出所需要的相关信息，人机交互界面较前者有优势，所以显示模块这部分选用了LCD1602。

1. 1. 光强检测模块的方案论证

方案一：光敏二极管

其拥有一个光敏特征的PN结，也是有着单向导电性，因此当光线强度不一时，电路中的电流也会有相应的改变。无光照时，光敏二极管截止，当有光照入射时，其饱和反向漏电流相应增大，形成了光电流，此电流会随入射光亮度的变化而变化。其光电流小，响应时间较快。有光导电，无光不导。但是工作时需要加上反向电压且本课题并不工作在高频率的环境。

方案二：光敏电阻

一种光电元器件利用内光电效应工作，又称光导管，其电阻随光的变化而相应变化。可见光基本上都能感应到。当光照强度变大时，其阻值开始变小，电流增大。其反应速度比较快，体积小，可靠性好，价格实惠，经济成本低，适用在DC电路使用。但是时延较大，快速响应的环境下不能使用。

综上所述，由于光敏电阻即可胜任课题视力保护仪的要求，且体积小便宜实惠，在电路中可跟为方便的使用，所以选择了光敏电阻作为光强检测模块的应用。

1.   系统硬件电路设计
   1. 硬件电路的总体设计

根据方案的选择，STC89C52是所设计系统的主控芯片，STC89C52 是STC公司出售的一款加密性强，抗干扰强，可在线编程，低功耗的高速CMOS 8位单片机。片上集成512字节RAM，其中P0是开漏输出。有3个16位定时器/计数器，定时器0可当2个8位定时器使用。在此除了单片机的电路外，还有电源电路：给整个系统提供电源，使系统开始工作；下载口：连接着单片机的P3.0和P3.1脚，即串口通信RXD和TXD，用来与计算机相连，进行程序烧录；超声波模块、LCD显示模块和警报模块也是相连到了单片机的P0口和P2口，用以对距离的测量，系统的检测警报和参数显示的功能；加上单片机最小系统电路和P1口和P3口所连接的按键电路和时钟电路以及光强检测电路，这些电路构成了此课题的总体电路。课题以STC89C52单片机作为该课题的核心控制，整体观察视力保护仪的设计，最为关键就在于实现系统的声光报警与语音播报，处理超声波测距测得的参数和处理光照强度检测的参数信息，而功能强大且价格实惠的STC89C52单片机绝对适用与课题视力保护仪的设计，能够充分发挥其强大的功能和运算能力。图3-1为视力保护仪总体电路设计图。

图3-1 总体电路设计图

1. 1. 单片机最小系统的电路设计
      1. 晶振电路的设计

晶振称为石英晶体振荡器，在单片机中是给单片机提供一个脉冲让单片机开始工作的，脉冲就是单片机的工作的速度，一般都不大于24M。如果没有晶振电路来起振驱动单片机，那么单片机就无法执行程序，或者运行不够规律，整个系统在执行程序的时候也会在某些方面出现误差。晶振的振荡的频率比较的稳定，在课题中使用的晶振频率是11.0592MHz，接入的两个电容的值也是一样的，通过引脚两端接入单片机的XTAL1和XTAL2两个引脚，再接两个微调电容，两个电容互相连接的那一端一定得接地，这样就成了一个稳定的自激振荡器。如图3-2所示。