1、1.1.1 单片机的选择11.1.2显示器件的选择21.1.3 光照强度检测模块选择21.1.4报警提示模块选择21.1.5电源稳压电路设计的选择31.1.6坐姿检测模块的选择31.2系统整体设计概述31.3超声波的工作原理41.4定时报警电路42 硬件实现及单元电路设计52.1主控制电路模块52.2 电源电路设计62.3 蜂鸣器驱动电路62.4 按键电路62.5光照强度检测电路72.6显示模块72.7超声波坐姿测距模块72.8多功能视力保护器主电路图83系统软件设计方案93.1系统软件设计方框图93.2 系统主程序流程图103.3各个软件模块关键代码104 系统的调试和结论124.1硬件调试
2、124.2软件调试124.3测试结果134.4总结14参考文献14致 谢16附 录170 前言0.1选题背景目前，青少年视力低下，已成为国内外共同关心的公共卫生问题。我们进行了多功能视力保护器的研究设计。通过创造健康的读写环境和科学方式，避免因长期读写。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。 既然治疗近视这么困难，人们为什么不听听2000年前中国中医经典的劝谏呢？“是故圣人不治已病治未病” ，防患于未然正和现在的“预防医学”不谋而合。研究表明，造成近视 99的原因，源自于孩子们平时读书、写字时坐姿不标准，导致眼睛距离书本太近所致。大部分孩子喜欢趴在课桌上读写，并且老师
3、、家长屡教不改，很难扭转习惯，是家长一直头疼的事。综上所述：如果人们使用不正确的读书写字姿势从而会导致近视、脊椎弯曲变形、驼背、斜视以及颈椎病等。有必要设计一款视力保护器进行防范。从而纠正人们读写的不良姿势，习惯。避免给人们的身心带来伤害。尤其对学生群体而言，可帮助学生矫正坐姿，改善学习环境，培养学生良好的学习习惯，保护学生视力。0.2本文的设计意义和主要内容首先是对各单元电路进行设计，并选择合适的元器件。通过进行参数计算后在选择电容、电阻等常用元件。其中单片机芯片选用的是较为普遍的STC89C52，坐姿传感器选用超声波传感器，光线报警选用光敏电阻来实现，报警发声蜂鸣器发声硬件电路。本次毕业设
4、计的研究内容是设计一个多功能视力保护器。它具备以下功能：1 当使用者脸部与桌面之间的距离小于30CM时,电路将发出声光提示； 2 当读写环境光线照度不足时,电路将发出声光提示；3 当使用者设定的时间为50分钟时,电路会发出声光提示；4 电路测光报警的灵敏度可调；5. 电路可靠,做出实物能够实现相应的功能。真正帮助学生做到国家教委规定：学生在读写时，应在一定亮度下，眼离读物一尺，身离书桌一拳。351总体方案设计1.1主要器件的选择1.1.1 单片机的选择方案1：当选用可编程逻辑器件CPLD作为控制器时。它具有以下优点：规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富。如果提高系统的处理速度必须具有
5、并行的输入输出方式，对大规模控制系统的控制核心很适合。但是此系统没有必要用复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也没有非常高。使用及经济的角度考虑我放弃了此方案。方案2：整个系统的核心是采用STC89C52单片机，单片机就显现出来它的优势:控制简单、方便、快捷。STC89C52单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，满足本设计也绰绰有余，更可贵的是STC89C52单片机价格非常低廉因此，这种方案是一种较为理想的方案。从方便使用的角度考虑，我选择了方案2。1.1.2显示器件的选择用数码管进行显示。数码管显示速度快，使用简单，显示效果简洁明了，但是显示单一，不能表达
6、出很好的人机界面，因此我放弃用数码管显示。方案 2：采用LCD1602液晶显示，LCD1602液晶具有显示方便、美观、显示信息量大的特点，现在市场上集成度高的显示屏在编程方面也较为简洁，所以LCD1602液晶显示符合设计要求。综上所述我选择方案2。1.1.3 光照强度检测模块选择采用光照度传感器M124749，此传感器采用的是先进的电路模块技术开发变送器，用于实现对环境光照度的测量，输出标准的电压及电流信号，具有体积小，安装方便，线性度好，传输距离长，抗干扰能力强，量程可调等优点。但价格昂贵，性价比不高，且不易购买。光敏电阻的工作原理：如果有光线照射的时侯，电阻内处于稳定状态的电子会受到激发，
7、变为自由电子，当光线越强的时候，产生的自由电子也会越多，电阻就会越小。它具有两个优点：价格低廉，性价比高。所以比较上面两个方案，方案1它有设计精度和线性度，但是性价比和光敏电阻相比不如。方案2具有很高的性价比而且同时也能满足设计要求，所以最终选用了方案2。1.1.4报警提示模块选择本系统为多功能视力保护器，对于报警器来说，其提醒的方式有很多种。我综合考虑了一下两种方案。采用语音报警，可以实现语音提示用户休息，和姿势是否正确，直接明了。虽然它有很大优点，但是它的价格非常贵和编程复杂，很不利于多功能视力保护器的普及。经综合比较考虑，我放弃了此方案。选用蜂鸣器报警。蜂鸣器，体积小，重量轻，装配简单，
8、使用方便。价格实惠，对推进视力保护器的普及有很好的优势。能够较好的满足系统的要求，于是我选择了此方案。1.1.5电源稳压电路设计的选择选用12V蓄电池稳压后为系统供电。蓄电池的性能：有较强的电流驱动能力和稳定的电压输出。可是蓄电池的体积过于巨大，更换成本高，在报警器上使用极其不方便。因此我放弃了此方案。采用3节1.5 V干电池共4.5V做电源，给单片机，传感器供电。通过实验验证系统工作时，单片机、传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求，而且电池更换方便。综上所述采用方案2。1.1.6坐姿检测模块的选择采用红外热释电传感器，红外热释电传感器对红外线感应灵敏，当人把坐姿坐好，然后开启视力保护器，如
9、果坐姿发生变化，热释电红外传感器有一个高到低电平输出。虽然红外热释电传感器敏感度高，但是对于用在视力保护器上不合适，当人只是轻微的移动视力保护器也会报警，误报警的情况很多。除非人坐在那一动不动，因此红外热释电传感器不适用于多功能视力保护器的坐姿检测。经综合考虑，我放弃了此方案。选用超声波传感器检测，是通过测量人脸与桌面的距离来确定坐姿。当距离小于30CM时就提醒使用者。超声波体积小，重量轻，使用方便。价格实惠，对推动视力保护器的普及有很好的优势。为了更好的满足系统的要求，所以我选择了这个方案1.2系统整体设计概述 图1-2系统结构框图根据以上设计需要，系统采用了一个设计方案，系统结构框图如图1
10、-2所示。系统采用STC89C52单片机作为多功能视力保护器的核心控制单元,本系统通过光敏电阻采集光线信号，通过AD采集光线信号的强弱，把光线强度等级化，通过设定光线等级来确定光照不足时报警。利用超声波测距传感器测出人脸部与桌面的距离，当小于30CM时发出报警声提醒。通过单片机内部定时器计时，当使用达到50分钟时电路自动发出声音提示,提醒使用者注意休息。系统采用的提示电路由三极管驱动蜂鸣器组成。1.3超声波的工作原理图1-3 避障原理如图1-3所示是超声波避障原理图。如果超声波发射器向制定的方向发射超声波时，计时与发射时同时进行的，当超声波在空气中传播的时候，如果途中碰到障碍物就会立刻返回来，
11、如果超声波接收器收到反射波就立刻停止计时。超声波在空气中的传播速度大约为340m/s，根据所用的时间t，就会计算出发射点到障碍物的距离（s），即：s=340t/2就是所谓的时间差测距法。1.4定时报警电路报警电路分为单片机控制电路和报警发声电路。它是通过单片机的定时计数功能完成定时50分钟并使报警电路发出报警声，用以提醒使用者休息。89c52单片机内有两个可编程的定时器/计数器，满足诸如对外部脉冲进行记数，产生精确的定时时间，作串行口的波特发生器等功能的需要。它具有两种工作模式（计数器模式和定时器模式）和4种工作方式（方式0，方式1，方式2，方式3）。其控制字均在相应的特殊功能寄存器中，通过对
12、它的特殊功能寄存器的编制，可以方便的选择适当的工作模式和工作方式。当定时器/计数器为计数工作方式时，通过引脚T0和T1对外部信号计数，外部脉冲的下降沿将触发计数。计数器在每个机器周期的S5P2期间采样引脚输入电平。若一个机器周期采样值为1，下一个机器周期采样值为0，则计数器加1。所以检测一个由1至0的跳变需要两个机器周期，故外部事年的最高计数频率为振荡频率的1/24。89c52内部的定时器/计数器被选定为定时器工作模式时，记数输入信号是内部时钟脉冲，每个机器周期产生一个脉冲使计数器增1，因此，定时器/计数器的输入脉冲和机器周期一样，为时钟频率的1/12本设计采用的时钟周期为6MHz，记数速度为
13、500KHz，输入脉冲的时间间隔为0.5秒 2 硬件实现及单元电路设计2.1主控制电路模块图2-1是单片机最小系统电路图，单片机的最小系统是有单片机、时钟电路、复位电路组成，时钟电路选用了12MHZ的晶振提供时钟，作用是给单片机提供一个时间基准，其中一条基本指令需要的时间为一个机器周期 图2-1 单片主控电路 2.2 电源电路设计图2-2 电源电路 电源电路采用7805稳压芯片稳压成5V给传感器，如图2-2所示单片机供电。2.3 蜂鸣器驱动电路 蜂鸣器采用三极管驱动，驱动原理图如图2-3所示。图2-3 蜂鸣器驱动电路2.4 按键电路该系统采用4个按钮来设置参数，并设置光照强度报警值。按键S1是
14、复位按键。电路如图2-4所示。图2-4按键电路2.5光照强度检测电路采用光敏电阻作为光照强度检测，当光线变化时，光敏电阻的阻值是不同，然后分得的电压也就发生不同变化。电路如图2-5所示。图2-5光照采集电路2.6显示模块 选用LCD1602液晶显示，显示电路如图2-6所示。图2-6 LCD1602液晶显示2.7超声波坐姿测距模块选用HC-RS04作为超声波模块，这个超声波模块在 2cm-400cm 的非接触式距离上具有感测功能，测距的精度为3mm。超声波模块有超声波发射器、接收器和控制电路。图2-7超声波模块实物该超声波坐姿测试模块的工作原理：用的是IO 口 TRIG 触发测距，至少给它 10
15、us 的高电平信号;这样模块会自动发送 8 个 40KHZ 的方波，如果自动检测有信号返回的话；就可以通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，超声波从发射到返回的时间就是高电平持续的时间图2-7超声波模块实物。2.8多功能视力保护器主电路图如图2-8所示，这个设计有以下电路：蜂鸣器报警电路、超声波接口、电源接口电路、按键电路、单片机主控电路、LCD1602液晶接口、AD模块组成。此设计可以实现三个方面的功能：一、光敏电阻检测光照强度，当有光照时，AD采集光线，判断光线的强还是弱，当光线暗时，蜂鸣器响，LED灯亮。二、当超声波测量的距离设置一定时，如果测量的距离小于此距离时，蜂鸣器响，LED灯
16、亮。三、首先单片机初始化，在开启计时器计时，设定合适的时间。当达到此时间时，蜂鸣器响，LED灯亮。图2-8所示电路图3系统软件设计方案3.1系统软件设计方框图如图3-1所示，本设计主要是利用C语言编程。设计思路是以单片机为主程序，分别调用测光子程序、计时子程序、报警子程序、超声波子程序。该方案的编程第一要确定主程序，第二要根据各硬件电路功能去设计子程序模块，最终把各模块嵌入主程序中。图3-1 系统软件设计方框图3.2 系统主程序流程图如图3-2所示，系统开机后必须要进行初始化操作，使用者可以用按键调节光线强度的范围、学习时间倒计时的时间长短、超声波测距的距离长度的范围。设置好需要的范围之后。按
17、下学习键，如果光线强度超过使用者设置的范围的时候，蜂鸣器提示和二极管闪烁，提醒使用者调整坐姿。调整正确之后蜂鸣器提示取消。同理如果超声波设置的距离范围超过使用者的设置范围，蜂鸣器提示和二极管闪烁，提醒使用者调整坐姿。如果使用者设置的倒计时时间达到是，同理蜂鸣器提示。提醒使用者休息。系统主程序流程图如图3-2所示：如图3-2系统主程序流程图3.3各个软件模块关键代码1.超声波测距程序代码：此程序主要讲了超声波测距的原理和测距的范围的设置， 在测量距离是最重要的参数就是时间 void send_wave（）c_send = 1; /10us的高电平触发 delay（）;c_send = 0; TH
18、0 = 0; /给定时器0清零TL0 = 0;TR0 = 0; /关定时器0定时while（!c_recive）; /当c_recive为零时等待while（c_recive） /当c_recive为1计数并等待flag_time0 = TH0 * 256 + TL0;if（flag_time0 40000） /当超声波超过测量范围时，显示3个888TR0 = 0;flag_csb_juli = 2;distance = 888;break ;else flag_csb_juli = 1;if（flag_csb_juli = 1）TR0=0; /关定时器0定时distance =flag_ti
19、me0; /读出定时器0的时间distance *= 0.017; / 0.017 = 340M / 2 = 170M = 0.017M 算出来是米if（distance 500） /距离 = 速度 * 时间 /如果大于3.8m就超出超声波的量程 2. 显示模块代码显示模块主要采用LCD1602显示器，LCD1602液晶具有显示方便、美观、显示信息量大的特点，程序主要说明显示器是怎么显示符号和数字的。void write_sfm_csb（uchar hang,uchar add,uint date）if（hang=1） write_com（0x80+add）;elsewrite_com（0x8
20、0+0x40+add）; write_data（0x30+date/100%10）;write_data（.）;write_data（0x30+date/10%10）;write_data（0x30+date%10）;4 系统的调试和结论4.1硬件调试坐姿矫正议系统的电路比较大，涉及的模块比较多，其中包括光线强度检测模块，单片机最小系统模块，液晶模块，超声波测距模块，对于焊接方面是很重要的，大电路如果有焊接错误，它会造成很多麻烦和电路的检测问题。因为电路的交线比较多，有各种锋利的引脚，所以会刺破带有包皮的导线，这样对电路导致短路。问题1：由于器件排版过于紧密，导致实际焊接时各个模块容易导致短路
21、。解决：调整各个模块的间距，从而避免引脚相互连接。问题2：在焊接完之后，发现各个模块不工作。在检查过程中发现电容由于焊接时间太长被烧坏了，导致整个电路不能工作。4.2软件调试坐姿矫正议是一个比较复杂的数字系统，它的程序比较复杂，在编写程序和调试时出现了较多的问题。为了测试效果更好，首先在单片机实验平台上进行验证。然后经过很多次的修改各个模块子程序，最终软件问题被解决。在软件的调试过程中主要遇到以下两个问题：在烧入程序之后，发现液晶显示器上显示闪动。首先我提高液晶显示器的驱动频率，驱动电路的频率从30Hz提高到50Hz以上，最后解决了此问题。当使用者按下按键时，设定数值与单片机读取数值不同，参数
22、设置的范围与实际也是不一样。重新检查程序，发现按键链接不对应，重新建立链接。在程序中重新设置参数范围。4.3测试结果1.当光线强度正常时，超声波测距的数值设置成30CM时的测量结果：如图4-1所示，此图是当超声波测距大于30CM时的测量结果。此时蜂鸣器不响，LED灯灭。如图4-2所示，此图是当超声波测距小于等于30CM时的测量结果，此时蜂鸣器响，LED灯亮。 如图4-1测量结果 如图4-2测量结果当光线强度正常时，超声波测距设置成30CM时的测量结果参数：表4-1超声波测试结果参数超声波模块与障碍物的距离（CM）2025304045蜂鸣器（响或者不响）响不响LED灯（亮或者灭）亮灭2.当测量大
23、于30CM时，光敏电阻检测光线强弱测量结果：如图4-3所示，此图是当光线弱时及用手指遮住光敏电阻时的测量结果。此时蜂鸣器响，LED灯亮。如图4-4所示，此图是当光线强时及用光线强的台灯照射光敏电阻时的测量结果。此时蜂鸣器响，LED 灯亮。 如图4-3测量结果 如图4-4所示测量结果当测量距离大于30CM时，光敏电阻检测光线强弱测量结果参数：表4-2光敏电阻测试结果参数光敏电阻测量结果 光线强光线正常光线弱4.4总结通过本次设计完成了一个STC89C52单片机的视力保护器的设计，此系统选用STC89C52单片机作为多功能视力保护器的核心控制单元,通过光敏电阻采集光线信号，通过ADC0832把模拟
24、信号转化数字信号。最后把光线强度等级化，通过设定光线等级来确定光照暗或者太强时报警。通过单片机内部定时器计时，当使用达到50分钟时电路自动发出声光提示,提醒使用者注意休息。在这个平台用单片机C语言进行软件设计，通过测试，硬件基本满足设计目的和要求，可以完成各项基本功能。参考文献1 李群芳等.单片机微型计算机与接口技术M.北京:电子工业出版社,2005.2 张洪润,蓝清华.单片机应用技术教程M.北京:清华大学出版社,1997.3 南建辉等.MCS-51单片机原理及其应用实例M.北京:清华大学出版社,2003.4 江志红.51单片机技术与应用系统开发案例精选M.北京：清华大学出版社,2008.5
25、张元良.单片机开发技术实例教程M.北京:机械工业出版社,2011.6 周润景.单片机电路设计分析与制作M.北京:机械工业出版社,2010.7 刘凤然.基于单片机的超声波测距系统J.传感器世界.2001,第8期:29328张建，李刚.超声波测距系统的研究与设计N. 电气电子教学学报.2005,第4期:46.9戴仙金等.51单片机及其C语言应用程序设计M.北京:清华大学出版社，2005:3543致 谢随着论文的完稿，在大学的神话很快就要结束了，在宁夏师范学院的学习过程中，我感触很深。在宁夏师范学院的学习过程中，我学到了很多珍贵的东西，对我以后的学习工作和人生道路有很大意义。我的论文在赵老师的指导下完成的。赵老师知识丰富、待人热情，常常和我交流想法，尽努力给予了我多方面指导。在论文的过程中，老师提出了很多宝贵的建议，在此我向我的老师表示
