中北大學(xué)朔州校區(qū) 許 超 孟 青 董 嚴(yán) 許晉飛 王 超

基于51單片機(jī)的多功能視力保護(hù)器

中北大學(xué)朔州校區(qū) 許 超 孟 青 董 嚴(yán) 許晉飛 王 超

文中設(shè)計(jì)了一種多功能視力保護(hù)器。目前市場上的多功能視力保護(hù)器以塑料支架為主，該視力保護(hù)器的功能比較單一，只有光強(qiáng)監(jiān)測或只有距離監(jiān)測?；?1單片機(jī)的多功能視力保護(hù)器集光強(qiáng)監(jiān)測，距離監(jiān)測，定時功能于一體，具有控制能力強(qiáng)，擴(kuò)展靈活的特點(diǎn)。系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)、成本低，適合于工業(yè)上大批量成產(chǎn)，目前已投入使用。

單片機(jī)；視力保護(hù)；紅外；傳感器

0　引言

隨著電子設(shè)備的高速發(fā)展及廣泛使用，給人們帶來了巨大的方便，但同時這些設(shè)備對人們的視力產(chǎn)生了巨大的傷害，尤其對學(xué)生族更為嚴(yán)重。此外，不良的學(xué)習(xí)姿勢也給人的眼睛帶來了巨大的沖擊，造成了青少年近視率急劇升高。根據(jù)世界衛(wèi)生組織公布的數(shù)據(jù)，全世界目前約有4500萬人目盲，2.85億人視力低下，已經(jīng)成為全社會關(guān)注的公共衛(wèi)生和社會問題。如果不采取行動，到2020年，全球盲人總數(shù)將增至7500萬。視力下降不僅影響青少年的日常生活和學(xué)習(xí)，對青少年的身心健康造成極大的影響，同時給青少年的成長與發(fā)育造成極大的障礙。眼睛是心靈的窗戶，所以，視力保護(hù)變得尤其重要。

1　視力保護(hù)器的整體設(shè)計(jì)

視力保護(hù)器主要由STC89C52主控模塊、光線強(qiáng)度檢測與轉(zhuǎn)換模塊、時鐘芯片模塊、紅外限距模塊、LCD顯示模塊和聲光提示模塊六大模塊組成。系統(tǒng)總體方案圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體方案圖

主控模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)的信息匯總、存儲、分析和決策。光強(qiáng)檢測與轉(zhuǎn)換模塊由光敏電阻和AD芯片組成，能夠?qū)崿F(xiàn)檢測光線的強(qiáng)弱并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量顯示在LCD顯示屏上，從而實(shí)時監(jiān)測環(huán)境的光線強(qiáng)度。時鐘芯片模塊用于提供時間信息并且具有定時功能。紅外限距模塊用于監(jiān)測人的頭部與書本的距離。LCD顯示模塊用于顯示時間（年、月、日、周、時、分、秒）和光強(qiáng)值。聲光提示模塊用于報(bào)警作用。

2　光線強(qiáng)度檢測與轉(zhuǎn)換模塊

光強(qiáng)檢測與轉(zhuǎn)換模塊由光敏電阻和ADC0832芯片組成，原理圖如圖2所示。光線強(qiáng)度檢測與轉(zhuǎn)換模塊通過光敏電阻和ADC0832來檢測光線的強(qiáng)弱，并在LCD顯示屏上顯示。光敏電阻我們采用了GL5516型號，它具有體積小，反應(yīng)靈敏，光譜特性好，廉價的優(yōu)點(diǎn)[1]。光敏電阻進(jìn)行光線強(qiáng)度檢測，將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電壓，然后傳給AD芯片。AD芯片我們采用了ADC0832，它具有體積小，兼容性，性價比高的特點(diǎn)[2]。ADC0832 將電壓模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后傳送給單片機(jī)，最后通過單片機(jī)控制顯示在 LCD1602液晶顯示屏上。

圖2　光線強(qiáng)度檢測與轉(zhuǎn)換模塊原理圖

當(dāng)光線發(fā)生變化時，光敏電阻的阻值也會隨之變換，電阻分得的電壓也會不同。經(jīng)過AD采集和處理后就可以得到不同光照強(qiáng)度下的電壓值。從而我們在程序中設(shè)定出理想的光線強(qiáng)度報(bào)警值范圍，當(dāng)光線強(qiáng)度大于或小于這個范圍時，聲光提示模塊就會報(bào)警。提示我們當(dāng)前眼睛所處環(huán)境不適合用眼，從而保護(hù)眼睛。

3　時鐘模塊

時鐘模塊選用了DS12C887芯片。該芯片具有以下特點(diǎn)：

自帶晶體振蕩器和鋰電池，在沒有外部電源供電的情況下也可工作10年，同時該芯片可計(jì)算到2100年前的秒、分、小時、星期、日期、月、年七種日歷信息并且?guī)чc年補(bǔ)償功能。

記錄一天內(nèi)的時間具有12小時制和24小時制兩種模式可供選擇。在12小時制模式中，用AM和PM區(qū)分上午和下午。

帶有128字節(jié)RAM，其中11字節(jié)用來存儲時間信息，4字節(jié)RAM用來存儲DS12C887的控制信息，稱為控制寄存器，113字節(jié)RAM供用戶使用。

數(shù)據(jù)/地址總線復(fù)用，用戶可編程以實(shí)現(xiàn)多種方波輸出[3]。

我們可以隨意設(shè)定一段時間，如45分鐘，60分鐘，當(dāng)時間達(dá)到后，系統(tǒng)就會控制聲光提示模塊報(bào)警，提示我們該休息一下眼睛了，從而保護(hù)眼睛。

時鐘模塊原理圖如圖3所示。

圖3　時鐘模塊原理圖

4　紅外限距模塊

紅外限距模塊以LM358芯片為核心。LM358內(nèi)部包括兩個獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)[4]。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合。當(dāng)沒有障礙物時，紅外發(fā)光管發(fā)出紅外光，紅外接收管沒有接收到紅外光而處于截止?fàn)顟B(tài)，LM358的IN+ 口電位低于IN—口，1OUT口輸出低電位；當(dāng)有障礙物時，紅外接收管接收到紅外光而導(dǎo)通，LM358的IN+ 口電位高于IN—口，1OUT口輸出高電位，STC89C52單片機(jī)檢測到引腳高電平，控制聲光提示模塊報(bào)警，提示我們眼睛所處壞境不適合用眼，從而保護(hù)眼睛。

5　顯示模塊

顯示模塊采用LCD1602液晶屏顯示，它具有體積小，控制簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，能顯示字母數(shù)字，符號[5]。這里通過單片機(jī)對LCD1602液晶屏控制，令LCD1602液晶屏顯示了時間（年、月、日、周、時、分、秒）和光強(qiáng)值。按下鬧鐘鍵時，還能顯示鬧鐘時間(時、分、秒）。

顯示模塊電路圖如圖4所示。

圖4　顯示模塊電路圖

6　聲光提示模塊

該模塊由蜂鳴器，發(fā)光二極管，NPN型三極管9014[6]組成。當(dāng)對應(yīng)IO口給出高電平時，蜂鳴器和發(fā)光二極管所在電路導(dǎo)通，發(fā)出聲光提示。對于三種功能的提示，我們也設(shè)計(jì)了三種不同的提示效果：（1）光強(qiáng)提示：滴滴、滴滴；（2）時間提示：滴滴滴、滴滴滴；（3）距離提示：滴滴滴滴、滴滴滴滴。 聲光提示模塊原理圖如圖5所示。

圖5　聲光提示模塊原理圖

圖6　系統(tǒng)測試流程圖

7　系統(tǒng)測試流程

焊接和調(diào)試結(jié)束后，對本系統(tǒng)進(jìn)行了測試。系統(tǒng)測試流程圖如圖6所示。步驟如下：

步驟一：系統(tǒng)給電開始運(yùn)行，程序控制各模塊初始化，顯示時間、光強(qiáng)，執(zhí)行步驟二；否則執(zhí)行步驟七；

步驟二：按下鬧鐘查看鍵K4，設(shè)置一個鬧鐘時間，當(dāng)鬧鐘時間到時，如果執(zhí)行鬧鐘提示，執(zhí)行步驟三；否則執(zhí)行步驟七；

步驟三：按下四個鍵中任意一個鍵，如果鬧鐘提示停止，執(zhí)行步驟四；否則執(zhí)行步驟七；

步驟四：重復(fù)步驟二、三，分別測試剩余三個鍵，若成功，執(zhí)行步驟四；否則執(zhí)行步驟七；

步驟五：用一塊黑布遮在光敏傳感器上方，上下移動，當(dāng)光強(qiáng)值小于或者大于設(shè)定值范圍時，如果執(zhí)行鬧鐘提示，執(zhí)行步驟六；否則執(zhí)行步驟七；

步驟六：用手遮在限距傳感器上方，上下移動，當(dāng)距離值小于或者大于設(shè)定值范圍時，如果執(zhí)行鬧鐘提示，執(zhí)行步驟八；否則執(zhí)行步驟七；

步驟七：系統(tǒng)故障，調(diào)試、解決問題。執(zhí)行步驟一；

步驟八：調(diào)試成功，測試結(jié)束。

圖7　多功能視力保護(hù)器前期測試實(shí)物圖

8　結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為控制核心，由光敏電阻信號處理電路，紅外限距電路，聲光提醒電路，LCD顯示電路，時鐘電路組成并用單片機(jī)C語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。該多功能視力保護(hù)器實(shí)現(xiàn)了時間顯示、光強(qiáng)監(jiān)測，距離限制三個功能。解決了市面上視力保護(hù)器功能單一，可控制差的問題，已經(jīng)投產(chǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。多功能視力保護(hù)器前期測試實(shí)物圖如圖7所示。

[1]舍茨.實(shí)用電子元器件與電路基礎(chǔ)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[2]劉波.51單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)典型范例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014.

[3]楊欣.電子設(shè)計(jì)從零開始[M].北京:清華大學(xué)出版社,2015.

[4]郭天祥.51單片機(jī)C語言教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[5]畢滿清.電子工藝實(shí)習(xí)教程[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009.

[6]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,1998.

許超，男，大學(xué)本科在讀，專業(yè)為電氣工程及其自動化。

孟青，專業(yè)為電路與系統(tǒng)，主要研究方向?yàn)榍度胧诫娐放c系統(tǒng)。

董嚴(yán)，專業(yè)為電氣工程及其自動化。

許晉飛，專業(yè)為電氣工程及其自動化。

王超，專業(yè)為物聯(lián)網(wǎng)工程。

Multifunction-vision protector based on 51 Microcontroller Unit

XU Chao，MENG Qing，DONG Yan，XU Jin-fei，WANG Chao
（North University of China，Shuozhou，Shanxi 036000）

The article introduces a design of a multifunctional eyesight protector.The multifunction eyesight protectors in the present market are mostly supported by plastic framework. their functions are usually very simple，only including light intensity monitoring or distance monitoring.in contrast，our design based on 51 single-chip microcomputer is not only able to monitor both light intensity and distance but also have timing function.with strong control ability and high extension flexibility，this multifunctional eyesight protector is highly practical because of it is low cost，it is also suitable for industrial mass production，and now it has been put into application.

SCM；eyesight protection；infrared；sensor