1、基于STC89C52单片机设计超声波测距摘 要随着社会的快速发展，电脑已经在我们生活和学习中得到普及。但是在享受信息化带来的方便和乐趣的同时，我们不能忽视与之带来的问题，比如长期使用电脑造成颈椎病、近视眼等一系列疾病。为此，本文提出要开发电脑近距报警器来改善这种状况。本设计以STC89C52单片机为核心，通过安装在电脑显示器上、中、下三个HC-SR04超声波模块测量人的距离，从而得知人的位置，判断人是否离电脑距离过近，姿势是否正确，通过报警提示用户矫正姿势；通过DS18B20温度传感器采集实时温度，判断环境温度是否正常，为用户提供环境温度参考；对电脑的使用时间进行记录，以便提醒用户休息；由独立
2、键盘和LCD1602组成友好的人机交互界面，便于用户操作。经过调试，最后验证本设计实现了以上所提到的功能，具有创新性和使用价值。经过对设计的功能进行分析，在论文开始得出了该系统的设计方案，接着从硬件、软件两部分对整个系统的设计方案进行了详细描述，最后通过系统的调试与分析验证了系统功能。关键字：单片机，超声波，测距，矫正姿势ABSTRACTWith the fast development of society, computers have been widely used in our normal life and study. While we enjoy the convenience
3、 in information and fun, we cant ignore the problems, such as the cervical vertebra disease, myopia, a series of disease for the long time use of computers. Thus, the alarm for the near distance between computer and user, which is used to improve this situation is proposed in this context. The desig
4、n is in the core of STC89C52 Single chip microcomputer, measures peoples distance through the up, middle, down three HC-SR04 ultrasonic wave parts which are installed on the computer display, according to the records, itll know the peoples position, judge whether the distance thats between user and
5、computer is too close, the gesture is right or not, then prompt user to correct gesture through alarm, itll judge whether the environmental temperature is normal, in order to apply user the reference temperature through the DS18B20 temperature sensor to get the actual ones, the computers use time wi
6、ll be recorded to suggest users to get relaxed, the friendly human computer interaction interface which consist of independence keyboard and the LCD1602 can be easily used, too. After debugging, it was tested that the design has accomplished the whole functions, and its innovative and valuable. Acco
7、rding to the analyze of the application, it comes into being the design scheme of the system in the beginning, then gives the detail description from hardware and software both sides, finally gets the verification of the system function through the system debugging and analyze.KEY WORDS: microcontro
8、ller, ultrasonic, ranging, correct posture前 言随着社会的快速发展，电脑已经在大家的生活中得到普及，但是人们在享受它带来的方便和乐趣的同时也不能忽视它给人们带来的问题，例如由于长时间使用电脑造成的近视；由于使用电脑姿势不正确带来的颈椎病，甚至造成脊柱弯曲；由于长时间坐在电脑跟前不作休息，对腰部造成伤害，例如很多长期使用电脑的人患有腰椎间盘突出；还有人脸与电脑距离过近，电脑显示器对脸部皮肤的辐射伤害等。但是，目前我们所看到的都是治疗和预防以上所提到的症状的方法和仪器，比如治疗和预防近视眼的近视治疗仪，利用按摩穴位来改善眼部血液循环，进而达到预防和治疗近视
9、的功效1；颈椎治疗仪是一种治疗和预防颈椎病的仪器，它集颈椎牵引，颈椎按摩、热疗、针灸、磁疗、电疗等功能为一体的颈椎治疗仪器2；还有腰椎间盘突出治疗仪，通过红外脉冲作用病灶部位，达到治疗效果3。以上这些只是治疗和预防这些病，没有从根本解决这些病的发生，我们还是不能避免电脑给人的伤害。当今，人们对生活品质的要求越来越高，也对自我身心健康状况日益重视，希望既能够长时间使用电脑而且不能损害自己的身体健康，但是到目前为止没有一个有效的办法来解决此类问题，人们希望得到一款产品来彻底改变这种状况，免遭电脑的伤害。鉴于此，我们便设想开发一个电脑近距离实用报警器，本设计要以保护人的健康为初衷，采用简单的设计，通
10、过测距的方法来确定人的位置，从而判断人是否和电脑显示器距离过近，姿势是否正确；然后通过报警功能，提醒用户保持人与电脑的距离、姿势等；还有一个计时功能，记录用户使用电脑的时间，给用户一个时间参考，提醒用户注意休息；还有一个温度采集、显示、报警功能，保证人们使用电脑的环境温度要适合人的工作和学习。人性化的设置功能和显示界面，为用户的操作和使用带来了方便。经过试验，电脑近距离实用报警器人性化的设计可以有效的改变用户使用电脑的一些习惯，为用户提供提醒功能。从而解决了上面所提到的问题。第1章 绪 论本章主要介绍了该设计基本原理，整体方案的设计，然后细化到每个模块的方案选择，最后根据设计方案进行了整个论文
11、的章节安排。1.1基本原理本设计主要从电脑显示器到用户脸部这一段空间着手构思，通过安装在电脑显示器正上方、左边、右边三个传感器分别测量电脑使用者上半身和电脑显示器之间的距离（如图1-1）。然后通过单片机计算三个传感器得到的数据，从而得到人与电脑的位置关系，再根据设置的距离判断用户使用电脑时和显示器之间的距离与使用姿势是否正确，如果不正确则通过报警装置提醒使用者注意使用电脑的距离和姿势。然后通过温度采集传感器得到实时温度，然后在单片机里将采集的温度和设置值对比，如果不符则报警提示，提醒用户改变环境温度。还有采用计时方式记录用户使用电脑的时间，给用户一个参考，提醒用户适当的休息。图1-1电脑近距离
12、报警器测距模拟图1.1.1测距的基本原理 目前测距的方式大致分为激光测距、红外测距和超声波测距三大类，不管是哪种测试方式和测试仪器，其基本原理都是通过控制传感器发射端发射信号，然后信号通过被测物体反射，接收端接收反射回来的信号（如图1-2）。然后计算出从发射到接收所用时间，再根据该信号的传播速度就可以计算出物体和到发射接收端之间的距离。图1-2 测距原理图1.1.2人体工程学和舒适度原理电脑现在已经成为现在人们办公、学习、娱乐的必备的设配，但是我们不能忽视在使用电脑时给我们带来的伤害，而且我们要在此基础上，提高我们使用电脑时的舒适度。根据人体工程学原理的基本知识，人的理想坐姿是身体与水平面成，
13、这种姿势可以使肌肉消耗的力最少，而正是肌肉使人体保持了直坐的状态。但是要使人保持这种直坐的姿势除了需要一个对腰部有支撑的座椅外更需要我们自己调整姿势，并且人在这种的坐姿下眼睛可以直视电脑显示器，根据人体舒适度相关知识，人眼和电脑显示器在一个水平线并且保持一定的距离时，电脑对人眼伤害最小，保持一定距离辐射也会相对减少，而且减少颈椎病、肩周炎等疾病的发生概率4。伴随着社会的飞速发展，生活节奏的加快，人们对工作环境舒适度的要求越来越高，从气象学方面了解到，影响人体的舒适度主要因素为：气温、湿度、风和气压。其中气温对人体的影响最大，它直接影响着人体许多生理机能。影响人的热平衡、关节功能、消化器官。所以
14、我们应该重视我们所生活、工作和学习的环境温度，保持一个合适的温度，既有利于健康也有助于提高生活质量和工作学习效率。1.2 系统方案1.2.1系统功能电脑近距离实用报警器的设计主要是为了改变现在人们使用电脑的坏习惯，然后通过辅助功能可以提示人们工作的时间和工作环境的温度。1、实现测量人与电脑之间的距离并且报警本系统通过安装在电脑显示器上的上、中、下三个测距传感器分别测得电脑与人之间直线距离S，人与左边传感器的距离S1，人与右边传感器的距离S2。通过S可以得知用户和显示器的直线距离，对比S和设置的距离值就可以判断人使用电脑时的距离是否合适；通过计算S1和S2的差值可以得知人在电脑显示器正中间还是偏
15、左偏右，可以判断人使用电脑时的姿势是否合适。此测距精度可以达到1cm，足以判断人的准确位置。2、实现温度的采集显示与报警通过温度采集传感器采集实时温度，温度采集误差0.5，并且要显示出来，如果温度大于或者小于设置的报警温度，提醒用户。3、实现计时功能然后通过软件编写计时功能，系统计时可以提供给用户使用电脑时间长短的信息，提醒用户要注意休息。1.2.2系统方案1.2.2.1系统构架本设计由测距部分、处理部分、显示部分、设置部分、温度采集部分和报警部分组成（如图1-3），处理部分是整个系统设计方案的关键之一，其它部分要以它为核心进行相应的动作；测距部分则是主控部分最重要的外设，通过测距可以得到精确
16、的距离数据，为后面的处理提供了精确的数据参考；设置部分是用户操作系统的唯一方式，通过设置功能可以设置报警距离和报警温度；显示部分是唯一的输出部分，通过它可以将测量的距离和温度实时呈现出来，通过设置和显示功能可以给用户提供一个友好的人机互动界面；报警部分是一个最简单的部分，它的主要功能是提醒用户。将以上的各个部分仔细整合在一起就可以将一个电脑近距实用报警器呈现给人们。 图1-3 系统框图1.2.2.2器件的选择1、处理器的选择STC89C52单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强干扰的高性能CMOS8位微控制器，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以
17、任意选择。具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 它具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡
18、器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。而且STC89C52价格低廉，适合我们设计的初衷，最为关键的一点，STC89C52单片机的程序下载器便宜实惠，而且网上关于STC89C52的教程也很多，对于我们初学者而言很容易上手，鉴于STC89C52以上的特点，我们的控制器件最终选择STC89C52. (a)STC89C52RC实物图 (b)STC89C52RC引脚图图1-4 STC89C52RC单片机2、测距方案的选择目前测距的方式有激光测距、红外线测距、超声波测距三大类，但是各有特点，我们要根据我们设计的需要来权衡这三类测距方式的利与弊
19、，最终选择一个合适、有效的测距方式。方案一：激光测距由于激光在亮度、方向性、单色性和相干性等方面有独特之处，它就被广泛应用在工业生产、国防军事、科研机构、防盗安全等各个行业各个领域。在测距领域，激光的作用更是不容忽视的，甚至可以说，激光测距是激光应用最早的领域，例如：世界上第一台激光器，是由美国休斯飞机公司的科学家梅曼于1960年，首先研制成功的，而在1962年就被应用于地球与月球之间距离的测量。测量精度高、分辨率高、抗干扰能力强、体积小同时重量轻的激光测距仪受到了大多数具有测距需求的企业、机构和个人的青睐，其市场需求空间大，应用领域广阔，并且起着日益重要的作用5。激光测距仪一般采用两种方式来
20、测量距离：脉冲法和相位法。脉冲法测距的过程是测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。脉冲法测量距离的精度一般是在+/- 1米左右。另外，此类测距仪的测量盲区一般是15米左右。激光测距是光波测距中的一种测距方式，如果光以速度c在空气中传播在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距离D可用下列表示。D=ct/2 （1-1）式中：D测站点A、B两点间距离；c光在大气中传播的速度；t光往返A、B一次所需的时间。由式（1-1）可知，要测量A、B距离实际上是要测量光传播的时间t，根据测量时间
21、方法的不同，因此激光测距仪通常可分为脉冲式和相位式两种测量形式。但是激光测距仪的成本过高，而且用于人体和电脑之间测距过于奢侈，还有一个重要原因，激光对人眼有一定的伤害，故不可取。方案二：红外线测距红外线测距是利用红外光来传送控制指令信号，因此，作为红外测距中的红外光发射器件的红外发光二极管和红外光接收器件的红外光敏管，是构成红外测距系统的基本器件。 红外线发射器件是最长用的为红外发光二极管，它与普通发光二极管的结构 原理以及制作工艺基本相同，是只有一个PN结的半导体器件，只是所有的材料不同，制造红外发光二极管砷化钾，砷铝钾等，其中应用最多的是砷化钾。红外发光二极管一般采用环氧树脂，玻璃，塑料等
22、封装，除白色透明材料封装外，还可见到用蓝色透明材料封装的。红外发光二极管按发光功率的大小，可分为小功率，中功率，大功率三种。另外，红外发光二极管除顶面发光型外，还有侧面发光型。小功率管一般采用全塑封装，也有部分是采用陶瓷底座，顶端用玻璃或环氧树脂透镜封装的，中大功率管一般采用带螺纹金属底座，以便安装散热片。随着发光功率得提高，相应体积的管子也增大。影响红外发光二极管工作状态的主要参数为：正向工作电流I、光功率P、峰值波长、反向漏电流、相应时间t0。其中在测距方面应用时，对红外发射管工作状态影响最大的是：正向工作电流I、光功率P、峰值波长。正向电流的大小直接影响管子能否正常工作，只有正常管子正常
23、工作时才能发出红外光；光功率是指输入到发光二极管的电功率转化为光输出功率的那一部分。光功率越大，发射距离越远，因此光功率会影响到红外测距的测距长度。还有峰值波长指红外发光管所发出近红外光中，光强最大值所对应的发光波长，在选用红外接收管时要注意，其峰值波长应尽量靠近红外发射管的峰值波长。我们知道半导体具有光电效应，即用光照半导体，可使半导体的电阻率发生变化。利用半导体的光电效应可以制成光电二极管，不同的半导体材料对不同波长的入射光的响应是不同的。光敏二极管有顶面受光和侧面受光两种形式。它也是采用塑料、玻璃、环氧树脂等材料封装。其中影响光敏二极管工作状态的主要参数为：光电流IL、暗电流ID、反向工
24、作电压UR、峰值波长。在测距方面应用时，对红外发射管工作状态影响最大的是：光电流IL和峰值波长，光电流指在一定反向电压下，入射光强为某一定值时流过管子的电流。光敏二极管的光电流一般为几十A，并与入射光强成正比。所以可以利用这个原理把光敏二极管作为红外接收管，当接收到一定的红外光时，电流会发生变化，可以作为系统的响应信号。峰值波长指光敏二极管光谱响应最灵敏的波长范围，一般为0.88M-0.94M。这个是接收管能接收到红外信号的关键，只有光敏二极管的峰值波长和红外发射管的峰值波长匹配时，光敏二极管才能很好的接收到红外光。红外传感器的测距基本原理为红外发射电路的红外发光管发出红外光，经障碍物反射后，
25、由红外接收电路的光敏接收管接收前方物体反射光，据此判断前方是否有障碍物。根据发射光的强弱可以判断物体的距离，由于接收管接收的光强随是随反射物体的距离变化而变化的。因而，距离近则反射光强，距离远则反射光弱。因为红外线是介于可见光和微波之间的一种电磁波，因此，它不仅具有可见光直线传播、反射、折射等特性，还具有微波的某些特性，如较强的穿透能力和能贯穿某些不透明物质等。红外传感器包括红外发射器件和红外接收器件。自然界的所有物体只要温度高于绝对零度都会辐射红外线，因而，红外传感器须具有更强的发射和接收能力。由以上红外测距的发射器件、接收器件的参数和其测距基本原理得知，其测距方式不适合本设计。方案三：超声
26、波测距超声波传感器是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。所谓压电逆效应，是在压电元件上施加电压，元件就发生形变，既逆变。已极化的压电陶瓷上施加极性的电压，外部电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时外部负电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。若外部施加电压的极性变反，电压陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。超声波测距模块上就有两个这样的传感器，一个作为发射，一个作为接受。如果需要测距，则测距模块电路控制超声波发射装置向某一个方向发出超声波并且开始计时，超声波在空气中的传播速度为，
27、当超声波传播到被测物体时就会立即被反射，然后通过超声波接收装置接收，接收器接到超声波时暂停计时，根据时间差t就可以知道距离了，这与雷达测距原理相似。（） （1-2）超声波方向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用6-13。例如HR-SR04超声波测距模块（如图1-6），它可以提供2cm-400cm的非接触距离感测功能，精度可以达到3mm，模块包括超声波发射器、接收器、控制电路和接口电路
28、。此模块接口有4个，分别为VCC、GND、Trig、Echo。VCC和GND给模块提供电源和地，那么Trig和Echo则分别和单片机I/O口相连。其工作方式为触发测距，和Trig相连的I/O口发送一个至少10us的高电平信号，模块内部自动发送8个40KHz的方波，自动检测是否有信号返回，若有信号返回，通过和I/O口相连的Echo输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，（如图1-5）。测试距离=（高电平时间*声速（340m/s）/2 （1-3）图1-5 HR-SR04超声波模块测距原理图1-6 HR-SR04超声波模块实物图3、报警方式的选择通常我们所见的报警方式为声和光报
29、警，例如警车上有警灯和喇叭，当遇到紧急状况时就会同时工作，以表警示。方案一：光电报警光电报警常用的光电报警器件为LED发光二级管，稍微大一点的为警灯闪烁，通过延时开断这些光电器件让其达到闪烁的功能，便有警示、提示功能，即构成光电报警装置。（a）LED发光二极管 （b）警灯图1-7光电报警器件但是我们的设计主要是在人们使用电脑工作的，人们的目光主要在电脑显示器上，如果使用光电报警则会影响人们正常使用电脑；还有我们的报警方式有很多种，如果使用光电报警，则需要用不同光线颜色区分报警方式，所以要使用不同的光电器件，这样会增大面板面积、增加成本，有悖于我们的设计初衷，所以此方案不可取。方案二：语音报警语
30、音报警主要是通过声音信号去提示和警告人的报警方式，其原理首先通过麦克风采集语音信号，由于语音信号为模拟信号，所以要用A/D芯片将其进行模数转换，转换成便于存储和处理的二进制数字信号，然后存储在计算机的存储器里面，如果报警需要则通过指令，调出相应的报警语音文件，然后通过D/A处理，还原成原来的模拟信号，然后再用功率放大器放大D/A输出的信号，再通过扬声器就可以听到报警声音，达到报警效果。但是由于我们的设计初衷是简单和实用，因此这样的语音报警过于复杂，还有就是成本过高，不适合本设计，故不能选择。方案三：蜂鸣器报警蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用的是直流电压供电，被广泛的应用于计算机、打印机
31、、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作为发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型，我们一般使用压电式蜂鸣器。压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后，多谐振荡器起振，输出1.5-2.5kHz的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。蜂鸣器发出的声音可以通过控制它的I/O口改变频率而改变。最主要的是这种蜂鸣器驱动电路简单，有的通过一个三极管直接驱动，有的通过驱动芯片驱动，例如ULN2003。而且这种蜂鸣器的体积小、价格低，便于我们使用其作为本设计的报警器。故选择蜂鸣器作为本设
32、计的报警器。4、设置方式的选择设置一般指输入设备，我们常用的输入设备是键盘，所以选用的键盘要以提供快捷、清晰的操作为目的。在电路方面，要以节约控制器I/O资源为重。因此，我们把常见的独立式键盘和矩阵键盘做以比对，发现独立键盘更能满足本设计任务的要求，不需要很多的设置按键去工作，仅要三个独立按键就能完成，一来节约资源，二又满足需求。5、温度采集方式的选择常用的温度传感器为热敏电阻，温度不同阻值不同，在电路中所对应的电压不同，再利用A/D将模拟量转换成为可以存储和处理的二进制数字量，然后经过计算便可得出温度值。还有一种集成的温度传感器DS18B20，它接线方便，仅需要一根线就可以实现与微处理器的双向通信，测温范围大，精度高，不需要外接其他器件，测量结果以9-12位数字量方式串行传送。鉴于DS18B20以上特点，我们的温度采集器件就选用DS18B20（如图1-8）。图1-8 DS18B20实物图6、显
