北京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院 李 驍 王彬媛 王振中 劉炳言 李昱釗 張 黔

引言

近視是一種典型的亞健康狀態(tài)，它已對(duì)青少年的視力健康構(gòu)成了極大的危害。如何有效地防止青少年近視，已成為國內(nèi)外的熱門話題。[1]設(shè)計(jì)一款可以自動(dòng)檢測學(xué)習(xí)環(huán)境、提醒學(xué)生坐姿和時(shí)間的視力保護(hù)器從而糾正學(xué)生的不良坐姿和生活習(xí)慣的設(shè)備對(duì)中小學(xué)學(xué)生來說很有必要。[2]通過對(duì)需求及可行性分析，本設(shè)計(jì)以STC89C52型單片機(jī)作為電路核心，具有以下功能：當(dāng)使用者與書本的距離小于設(shè)定值，或?qū)W習(xí)環(huán)境光強(qiáng)過強(qiáng)過弱，以及學(xué)習(xí)時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)間，電路自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒使用者注意；使用者與桌面的距離、光線強(qiáng)度、學(xué)習(xí)時(shí)間可根據(jù)用戶要求設(shè)定。

1 總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)包括顯示，超聲波測距，光強(qiáng)檢測，計(jì)時(shí)，報(bào)警，按鍵以及電源模塊，實(shí)物圖如圖1.1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 顯示模塊

設(shè)計(jì)使用LCD1602顯示模塊。管腳圖如圖1.2所示。在程序中定義 LCD1602管腳，包括RS，R/W,E。定義中主要注明LCD管腳分別對(duì)應(yīng)單片機(jī)的哪些I/O口[3]。然后定義數(shù)據(jù)讀、寫的子程序，并對(duì)LCD進(jìn)行清屏初始化處理。最后將各電路與單片機(jī)相連，當(dāng)各個(gè)物理量傳給單片機(jī)時(shí)，由單片機(jī)控制顯示器顯示物理量。

圖1.1 視力保護(hù)器結(jié)構(gòu)圖

圖1.2 LCD1602管腳圖

2.2 測距模塊

設(shè)計(jì)采用HR-SC04模塊進(jìn)行超聲波測距。超聲波測距的原理（如圖3所示）是：超聲波的傳輸速度已知，設(shè)為v，在測量過程中超聲波發(fā)射，遇到障礙物時(shí)返回，所用時(shí)間為t，則距離s=v*t/2。由此即可測得使用者與桌面距離。

從時(shí)序圖可以知道超聲波模塊的工作方式。如圖1.4所示，先由單片機(jī)向模塊發(fā)送一個(gè)10us的脈沖信號(hào)，當(dāng)模塊收到信號(hào)，便發(fā)送8個(gè)40KHZ的周期電平并檢測回波。檢測到回波時(shí)，模塊向單片機(jī)發(fā)送一段脈沖，其脈沖寬度與發(fā)射返回時(shí)間成正比，所以只需對(duì)脈沖寬度進(jìn)行計(jì)時(shí)，即可求出所測距離。

圖1.3 超聲波測距原理圖

圖1.4 超聲波測距時(shí)序圖

2.3 光強(qiáng)檢測模塊

電路圖如圖1.5所示。設(shè)計(jì)采用光敏電阻作為光信號(hào)采集器件，把不易測量的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為容易測量的電阻值。把光敏電阻串聯(lián)在直流電路中即可把不同的電阻值轉(zhuǎn)化為不同的電壓值，于是就把對(duì)光照信號(hào)的處理轉(zhuǎn)化為對(duì)電壓信號(hào)來處理[4]。通過ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出8位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)處理，此時(shí)8位數(shù)據(jù)代表是光敏電阻當(dāng)前的阻值，由ADC0832的芯片資料，以及光敏電阻的特性曲線，即可測量當(dāng)前環(huán)境下的光強(qiáng)強(qiáng)弱。

圖1.5 光強(qiáng)檢測電路

2.4 計(jì)時(shí)模塊

此模塊主要使用軟件編程。STC89c52單片機(jī)內(nèi)有兩個(gè)可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有兩種工作模式(計(jì)數(shù)器模式和定時(shí)器模式)及4 種工作方式(方式0，方式1，方式2，方式3)。其控制字均在相應(yīng)的特殊功能寄存器中，通過對(duì)它的特殊功能寄存器的編制，可以方便的選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ胶凸ぷ鞣绞絒5]。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的輸入脈沖和機(jī)器周期一樣，為時(shí)鐘頻率的1/12[6]。設(shè)計(jì)中定時(shí)為50分鐘，我們便以此為例進(jìn)行計(jì)算。其計(jì)時(shí)初值可計(jì)算如下：50*60=3000s=30000*100ms。將單片機(jī)的兩個(gè)定時(shí)器T0、T1進(jìn)行分工，T0用來定時(shí)，時(shí)間為100ms,T1用來計(jì)數(shù)，次數(shù)為30000次。則將T0置為工作方式1，其初值為2^16-100ms/2us=15536=C3B0H，T1置為工作方式11，初值為65536-30000=35536=8AD0H。

當(dāng)T0計(jì)時(shí)100ms后，產(chǎn)生溢出中斷，在中斷程序中進(jìn)行設(shè)置，使T1計(jì)數(shù)一次，T0自動(dòng)重裝初始值，再次進(jìn)入100ms定時(shí)。當(dāng)T1進(jìn)行30000次計(jì)數(shù)后，時(shí)間便達(dá)到50分鐘，完成了一次50分鐘的定時(shí)。

2.5 報(bào)警模塊

報(bào)警電路如圖1.6所示。將蜂鳴器與發(fā)光二極管并聯(lián)，使其同時(shí)進(jìn)行報(bào)警。蜂鳴器和發(fā)光二極管的正極接到三極管的集電極，負(fù)極接地，三極管的基級(jí)經(jīng)過限流電阻R1后由單片機(jī)的引腳控制，當(dāng)單片機(jī)的引腳輸出高電平時(shí)，三極管Q1截止，報(bào)警電路沒有形成回路，發(fā)光二極管反向截止，蜂鳴器不發(fā)聲，二極管不發(fā)光；當(dāng)單片機(jī)引腳輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，這樣蜂鳴器的電流形成回路發(fā)出聲音，發(fā)光二極管正向?qū)òl(fā)光。因此，可以通過程序控制引腳的電平高低來控制報(bào)警電路是否工作。

圖1.6 報(bào)警電路圖

圖1.7 按鍵電路

2.6 按鍵模塊

由于所需的按鍵數(shù)量較少，設(shè)計(jì)選用了編程上較為簡單的獨(dú)立式鍵盤接法。將按鍵（如圖1.7所示）的一端接地，另一端與單片機(jī)的某一I/O口相連。在程序中將I/O口置為高電平，按鍵沒有按下時(shí)，I/O口保持高電平。當(dāng)按鍵按下時(shí)，I/O口接地，此時(shí)I/O口被強(qiáng)制置為低電平，當(dāng)按鍵松開后，I/O口又恢復(fù)到高電平。只要在程序中檢測該I/O口的狀態(tài)，即可知道按鍵是否被按下。在程序中加入判斷語句，使得不同的按鍵被按下時(shí)，執(zhí)行不同的語句，起到不同的功能，由此達(dá)到設(shè)置報(bào)警范圍的目的。

2.7 電源電路

圖1.8所示，采用3節(jié)1.5V干電池串聯(lián)作為設(shè)計(jì)供電。在實(shí)際測試中，電源電路表現(xiàn)良好，能穩(wěn)定地為各模塊供電，并且便于更換電池。

圖1.8 電源電路

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分使用了C語言編程，先規(guī)劃主程序的流程，再在其中加入子程序，與硬件模塊一一對(duì)應(yīng)，易于調(diào)試與檢測。

圖1.9 主程序流程圖

圖2.0 測距子程序流程圖

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，較好地達(dá)到了超聲波測距報(bào)警、光線強(qiáng)度報(bào)警及定時(shí)報(bào)警功能，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）系統(tǒng)簡單穩(wěn)定，使用方便；（2）單片機(jī)具有的I/O口擴(kuò)展功能，便于后期加上其他的模塊，增加更多功能；（3）顯示清晰，并且顯示的是即時(shí)數(shù)據(jù)；（4）可以根據(jù)具體使用環(huán)境改變報(bào)警值的范圍；（5）使用模塊化設(shè)計(jì)，C語言編程，可移植性強(qiáng)；（6）電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，不易發(fā)生故障，且損壞時(shí)易修復(fù)。

同時(shí)，該設(shè)計(jì)也存在一些不足：（1）距離與光強(qiáng)的誤差還有進(jìn)一步改進(jìn)的空間；（2）只考慮了學(xué)習(xí)時(shí)的視力保護(hù)，對(duì)于其他場合的使用考慮較少；（3）使用的測距與測光模塊會(huì)受到環(huán)境溫度的影響，后期需要考慮加上溫度傳感器，進(jìn)一步減小誤差。

[1]王曉悅,姜永東.264 名青少年學(xué)生視覺健康調(diào)查及分析[J].四川醫(yī)學(xué).2011.(7).1136-1137.

[2]張標(biāo).視力保護(hù)器[J].發(fā)明與創(chuàng)新,2012.9.11.21-26.

[3]趙亮.液晶顯示模塊LCD1602應(yīng)用[J].電子制作,2007.

[4]羅均,謝少榮.微型傳感器及其應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.136-138.

[5]李維民,張成勝.單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作頻率的研究[J].牡丹江師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013.2.21-22.

[6]劉斌,宋榮勤.通用單片機(jī)定時(shí)系統(tǒng),1991.1.