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)計一款可以自動檢測學(xué)習(xí)環(huán)境、提醒學(xué)生坐姿和時間的視力保護器從而糾正學(xué)生的不良坐姿和生活習(xí)慣的設(shè)備對中小學(xué)學(xué)生來說很有必要。[2]通過對需求及可行性分析，本設(shè)計以STC89C52型單片機作為電路核心，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)境光強過強過弱，以及學(xué)習(xí)時間達到設(shè)定時間，電路自動發(fā)出聲光報警，提醒使用者注意；使用者與桌面的距離、光線強度、學(xué)習(xí)時間可根據(jù)用戶要求設(shè)定。

1 總體設(shè)計

設(shè)計包括顯示，超聲波測距，光強檢測，計時，報警，按鍵以及電源模塊，實物圖如圖1.1所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 顯示模塊

設(shè)計使用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管腳分別對應(yīng)單片機的哪些I/O口[3]。然后定義數(shù)據(jù)讀、寫的子程序，并對LCD進行清屏初始化處理。最后將各電路與單片機相連，當(dāng)各個物理量傳給單片機時，由單片機控制顯示器顯示物理量。

圖1.1 視力保護器結(jié)構(gòu)圖

圖1.2 LCD1602管腳圖

2.2 測距模塊

設(shè)計采用HR-SC04模塊進行超聲波測距。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，遇到障礙物時返回，所用時間為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，先由單片機向模塊發(fā)送一個10us的脈沖信號，當(dāng)模塊收到信號，便發(fā)送8個40KHZ的周期電平并檢測回波。檢測到回波時，模塊向單片機發(fā)送一段脈沖，其脈沖寬度與發(fā)射返回時間成正比，所以只需對脈沖寬度進行計時，即可求出所測距離。

圖1.3 超聲波測距原理圖

圖1.4 超聲波測距時序圖

2.3 光強檢測模塊

電路圖如圖1.5所示。設(shè)計采用光敏電阻作為光信號采集器件，把不易測量的光照強度轉(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，于是就把對光照信號的處理轉(zhuǎn)化為對電壓信號來處理[4]。通過ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出8位的二進制數(shù)據(jù)，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號供單片機處理，此時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)境下的光強強弱。

圖1.5 光強檢測電路

2.4 計時模塊

此模塊主要使用軟件編程。STC89c52單片機內(nèi)有兩個可編程的定時器/計數(shù)器，具有兩種工作模式(計數(shù)器模式和定時器模式)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]。定時器/計數(shù)器的輸入脈沖和機器周期一樣，為時鐘頻率的1/12[6]。設(shè)計中定時為50分鐘，我們便以此為例進行計算。其計時初值可計算如下：50*60=3000s=30000*100ms。將單片機的兩個定時器T0、T1進行分工，T0用來定時，時間為100ms,T1用來計數(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計時100ms后，產(chǎn)生溢出中斷，在中斷程序中進行設(shè)置，使T1計數(shù)一次，T0自動重裝初始值，再次進入100ms定時。當(dāng)T1進行30000次計數(shù)后，時間便達到50分鐘，完成了一次50分鐘的定時。

2.5 報警模塊

報警電路如圖1.6所示。將蜂鳴器與發(fā)光二極管并聯(lián)，使其同時進行報警。蜂鳴器和發(fā)光二極管的正極接到三極管的集電極，負極接地，三極管的基級經(jīng)過限流電阻R1后由單片機的引腳控制，當(dāng)單片機的引腳輸出高電平時，三極管Q1截止，報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)單片機引腳輸出低電平時，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警電路是否工作。

圖1.6 報警電路圖

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)計選用了編程上較為簡單的獨立式鍵盤接法。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，I/O口保持高電平。當(dāng)按鍵按下時，I/O口接地，此時I/O口被強制置為低電平，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，執(zhí)行不同的語句，起到不同的功能，由此達到設(shè)置報警范圍的目的。

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)計供電。在實際測試中，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

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

同時，該設(shè)計也存在一些不足：（1）距離與光強的誤差還有進一步改進的空間；（2）只考慮了學(xué)習(xí)時的視力保護，對于其他場合的使用考慮較少；（3）使用的測距與測光模塊會受到環(huán)境溫度的影響，后期需要考慮加上溫度傳感器，進一步減小誤差。

[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.視力保護器[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.單片機定時/計數(shù)器工作頻率的研究[J].牡丹江師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2013.2.21-22.

[6]劉斌,宋榮勤.通用單片機定時系統(tǒng),1991.1.