吳亮

（山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同 037009）

我國(guó)已于很多年前就開(kāi)始了對(duì)學(xué)生群體近視問(wèn)題的重視，科研人員也為此作出了許多的努力，直至現(xiàn)在，市面上已經(jīng)流通了許多相關(guān)產(chǎn)品[1]。其中有一款是坐視寶，它能發(fā)現(xiàn)并對(duì)使用者的錯(cuò)誤坐姿進(jìn)行一定提示；還有一款是由深圳華恒電子公司生產(chǎn)的一款坐姿矯正器，它的型號(hào)為MS-3023，它的功能同坐視寶相似，可以對(duì)看書(shū)和寫(xiě)字的不正當(dāng)坐姿加以提醒和保護(hù)。但這些產(chǎn)品的功能相對(duì)而言都是比較單一的，并不能夠做到更加全面的提醒和保護(hù)。本文設(shè)計(jì)了一種超聲波視力保護(hù)器。

本設(shè)計(jì)對(duì)該單片機(jī)的要求是：需實(shí)現(xiàn)定時(shí)、觀書(shū)測(cè)距、光強(qiáng)檢測(cè)以及警示功能。產(chǎn)品元件需參考性?xún)r(jià)比，需要用到的電阻電容等器件的參數(shù)及數(shù)量需合理選擇。當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成并開(kāi)始工作之后，要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能必須滿足以下幾點(diǎn)要求：第一，當(dāng)顯示屏倒計(jì)時(shí)為0時(shí)，蜂鳴器需發(fā)出警報(bào)；第二，超聲波測(cè)距模塊測(cè)量距離小于設(shè)定值時(shí)，蜂鳴器需發(fā)出警報(bào)；第三，當(dāng)學(xué)習(xí)環(huán)境的光照強(qiáng)度太暗或者太亮不符合規(guī)定值時(shí)，蜂鳴器需發(fā)出警報(bào)；第四，電路的設(shè)計(jì)必須安全可靠,設(shè)計(jì)電路過(guò)程中要盡可能的減少產(chǎn)品電路的復(fù)雜程度，且其所設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品必須實(shí)現(xiàn)其相對(duì)應(yīng)的功能。

1 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)方案是由STC89C52單片機(jī)為本產(chǎn)品的主要控制元件，供電方式（電源）采用了DC電源插頭及USB電源線的組合供電，光感元件是常見(jiàn)的光敏電阻，測(cè)距模塊是利用超聲波傳感器，顯示器是型號(hào)為L(zhǎng)CD1602的液晶顯示器，報(bào)警器使用蜂鳴器報(bào)警模塊來(lái)共同實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)一方面通過(guò)光敏電阻來(lái)采集光線的信號(hào)，然后通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器將采集到的光信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換之后可將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并將該電信號(hào)交于單片機(jī)處理；另一方面通過(guò)超聲波測(cè)距模塊感應(yīng)人臉與實(shí)物間距離并將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)處理，單片機(jī)將會(huì)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)與設(shè)定值相比較[2]，若不符合設(shè)定值范圍，則將控制蜂鳴器進(jìn)行警示，反之則不警示。系統(tǒng)總體方框圖可見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)總體方框

1）硬件設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)的主控模塊是單片機(jī)（STC89C52）。該單片機(jī)的芯片自帶時(shí)控電路[2]，這樣就很好的避免了再次設(shè)計(jì)電路時(shí)所帶來(lái)的一些不必要的問(wèn)題，且其擁有優(yōu)秀的控制及運(yùn)算功能，成本低廉，是一個(gè)非常理想的元件。

供電方式（電源）使用的是：USB接口電源線及DC電源插頭的組合供電方式，且其組合供電電壓的大小為5 V。

光強(qiáng)強(qiáng)度檢測(cè)模塊使用的元件是光敏電阻。該元件可以接在任意電源電路（既可交流也可直流）中工作。該元件在接收到光照后，其內(nèi)部處于穩(wěn)定狀態(tài)的一些電子便會(huì)受到激發(fā)，從而變?yōu)榭勺杂梢苿?dòng)的電子，這樣會(huì)使光敏電阻的阻值變小[3]。由于該元件并無(wú)極性，所以它可以適應(yīng)任何電路的接法。

報(bào)警系統(tǒng)利用的是蜂鳴器來(lái)進(jìn)行鳴聲警告，該模塊結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，體積也比較輕便，所以其使用也極其簡(jiǎn)單。

測(cè)距模塊所使用的是超聲波傳感器[4]。該元件可以將其所測(cè)得的數(shù)據(jù)以電信號(hào)傳輸給核心控制元件（既單片機(jī)）處理。

顯示模塊是液晶顯示屏(LCD1602)。此元件擁有著顯示清晰，內(nèi)容豐富和使用方便的有點(diǎn)，非常符合我們對(duì)元器件的選擇標(biāo)準(zhǔn)。

2）軟件設(shè)計(jì)方案

該方案的設(shè)計(jì)思路：由于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求是一定的，所以我們可以從設(shè)計(jì)的要求著手進(jìn)行準(zhǔn)備，以此來(lái)推出產(chǎn)品的各項(xiàng)功能。根據(jù)功能將各個(gè)模塊之間的聯(lián)系用框圖聯(lián)系起來(lái)作為備用的子程序。最后便是確定該系統(tǒng)的核心部分。這樣的想法將整個(gè)設(shè)計(jì)分了開(kāi)來(lái)，哪一部分出錯(cuò)可以很快的查找到并且不會(huì)干擾到其他模塊。

軟件設(shè)計(jì)包括兩個(gè)流程圖，系統(tǒng)主程序流程圖（圖2）和子程序流程圖（圖3）。其中主程序流程圖對(duì)系統(tǒng)的總體功能流程進(jìn)行了介紹，并且根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)了對(duì)三個(gè)數(shù)據(jù)的判斷。而子程序流程圖是對(duì)超聲波這一模塊的工作流程進(jìn)行了展示。這兩個(gè)框圖將整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)的主要部分都展現(xiàn)了出來(lái)，是該產(chǎn)品工作運(yùn)行時(shí)的重中之重。

圖2 系統(tǒng)軟件主程序流程圖

當(dāng)產(chǎn)品系統(tǒng)工作開(kāi)始后，首先進(jìn)行的操作是將系統(tǒng)進(jìn)行初始化，其次系統(tǒng)將會(huì)同時(shí)對(duì)是否小于產(chǎn)品設(shè)定的距離值、是否小于產(chǎn)品所設(shè)定光照值、是否學(xué)習(xí)時(shí)間大于設(shè)定時(shí)間值進(jìn)行判斷。當(dāng)所測(cè)的的數(shù)據(jù)中有仍一數(shù)值不符合產(chǎn)品所設(shè)定的設(shè)定值范圍時(shí)，產(chǎn)品的報(bào)警模塊將會(huì)進(jìn)行蜂鳴警示。否則，重復(fù)執(zhí)行以上程序。

圖3 測(cè)距模塊的功能流程圖

測(cè)距模塊既超聲波模塊是本設(shè)計(jì)的重要組成部分[5]。從流程圖的可以看出，模塊開(kāi)始之后，首先確定定時(shí)電路的時(shí)間是否為1s，確定是1s之后，發(fā)射器發(fā)出超聲波，同時(shí)檢測(cè)超聲波的設(shè)備開(kāi)啟，當(dāng)其檢測(cè)到超聲波時(shí)表明超聲波已經(jīng)返回。然后即可運(yùn)用公式計(jì)算出距離，小于時(shí)報(bào)警[6]。

2 仿真與調(diào)試

本設(shè)計(jì)的仿真是在Proteus 7 Professiona軟件中完成的[6-7]。液晶顯示屏上顯示的時(shí)間由定時(shí)電路實(shí)現(xiàn)，顯示光照強(qiáng)度的數(shù)值是由電阻分壓原理實(shí)現(xiàn)超聲波傳感器可以直接仿真，距離的大小可以通過(guò)按鍵加減來(lái)實(shí)現(xiàn)。蜂鳴器與LED燈連接，報(bào)警的同時(shí)還有燈光提示。

本設(shè)計(jì)調(diào)試的軟件有Proteus 7 Professiona和Keil。編寫(xiě)程序使用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)。程序編寫(xiě)完成之后使用Proteus進(jìn)行仿真，待一切完成之后將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)，自此，軟件調(diào)試得以完成[7]。

3 測(cè)試結(jié)果和誤差分析

在2～110 cm的范圍之內(nèi)做了20次超聲波測(cè)距模塊的測(cè)量，所測(cè)得數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示：

表1 測(cè)試結(jié)果及對(duì)比/cm

測(cè)量結(jié)果說(shuō)明：儀器的最大誤差是3 cm，最小誤差是0 cm。在測(cè)量的結(jié)果中5～55 cm測(cè)量結(jié)果與實(shí)際結(jié)果沒(méi)有出現(xiàn)誤差，而在60～110 cm之中出現(xiàn)誤差，而且誤差最大值也出現(xiàn)了。因此可見(jiàn)超聲波傳感器的誤差在超過(guò)某一距離后會(huì)增大，超過(guò)之后測(cè)量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大誤差[8]。

考慮到實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)對(duì)于視力保護(hù)器的測(cè)距要求不會(huì)超過(guò)50 cm，通過(guò)上表可以得到在55 cm之內(nèi)，誤差出現(xiàn)的次數(shù)僅有一次且穩(wěn)定在1 cm之內(nèi)。所以由此可知，在實(shí)際使用中該產(chǎn)品完全可以正常工作，所以本設(shè)計(jì)是可以投入實(shí)際使用的。

4 總結(jié)

此設(shè)計(jì)是一個(gè)以單片機(jī)做為控制芯片，與測(cè)距模塊、液晶顯示模塊、報(bào)警模塊和光強(qiáng)檢測(cè)模塊等一起組成的一款視力保護(hù)器。編寫(xiě)該產(chǎn)品程序時(shí)所用到的軟件為KEIL。本產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是能夠在顯示屏上顯示設(shè)定的光照值、時(shí)間以及距離；可以通過(guò)按鍵來(lái)調(diào)節(jié)設(shè)定值的大?。桓鞑糠挚驁D簡(jiǎn)單易懂，電路模塊清晰，元器件的獲取容易；可以在實(shí)際中使用，可以量產(chǎn)。

當(dāng)然，本設(shè)計(jì)并不是完美的，還有許多的不足之處。設(shè)計(jì)主要適用的是學(xué)習(xí)的時(shí)候，對(duì)于其他影響視力的因素還沒(méi)考慮，比如長(zhǎng)時(shí)間觀看或者使用電子產(chǎn)品，雙手接觸眼睛時(shí)不注意衛(wèi)生，飲食不健康等。因此，接下來(lái)的任務(wù)是針對(duì)這些方面來(lái)設(shè)計(jì)保護(hù)措施，使其更加完善。相信隨著科技的發(fā)展，將會(huì)有功能越來(lái)越全面的產(chǎn)品問(wèn)世，為我們的社會(huì)帶來(lái)福音。