羅發(fā)貴，李大洪，甘慶華

（興義民族師范學(xué)院，貴州 興義 562400）

本次設(shè)計(jì)的意義首先能迎合孩子學(xué)業(yè)壓力大的背景，給孩子創(chuàng)造比較好的學(xué)習(xí)環(huán)境，能保證高效學(xué)習(xí)的同時(shí)，保證身心健康；且其智能調(diào)光功能可創(chuàng)造比較合適的學(xué)習(xí)光線，保護(hù)眼視力；且系統(tǒng)使用的是穩(wěn)定性極高的嵌入式微處理控制器（單片機(jī)），后期量產(chǎn)成本低，維護(hù)成本也低，很容易在市面推廣開來(lái)。系統(tǒng)也帶有GSM 短信通訊功能能夠讓家長(zhǎng)在遠(yuǎn)處就能得知孩子當(dāng)前的學(xué)習(xí)坐姿情況，實(shí)現(xiàn)更加省力的監(jiān)督。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在開始設(shè)計(jì)前，需要整理各個(gè)功能部分，并明確所需傳感器和電路。此次設(shè)計(jì)用到了5 個(gè)輸入電路和4個(gè)輸出電路。通過(guò)多電路組合實(shí)現(xiàn)整體功能，系統(tǒng)總方案如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

本次設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)單片機(jī)最小系統(tǒng)的搭建，能夠利用單片機(jī)最小系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)LCD 液晶顯示器工作；能夠利用時(shí)鐘芯片來(lái)定時(shí)，并能通過(guò)單片機(jī)讀取到年、月、日、時(shí)、分和秒等時(shí)間信息；能夠搭建語(yǔ)音播報(bào)電路，進(jìn)行語(yǔ)音提示；能夠利用按鍵觸發(fā)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)；能通過(guò)光敏電阻檢測(cè)當(dāng)前室內(nèi)亮度情況，并實(shí)現(xiàn)LED 燈的自動(dòng)開斷；利用GSM 芯片實(shí)現(xiàn)短信警報(bào)功能。

2 硬件設(shè)計(jì)LED

2.1 主控硬件設(shè)計(jì)

此次使用型號(hào)為STC12C5A16AD 單片機(jī)，此款單片機(jī)具有短小精悍、價(jià)格合宜及功能齊全等優(yōu)勢(shì)，非常適合本次開發(fā)使用。且51 系列的單片機(jī)能在多種開發(fā)環(huán)境中使用。

通過(guò)KEIL 平臺(tái)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)硬件的調(diào)試。且此款芯片共40 個(gè)引腳，其中能用于雙向通訊的I/O 口有32 個(gè)，剩余的有復(fù)位、晶振、電源正負(fù)極和外部地址引腳，其具體的引腳電氣原理如圖2 所示。

圖2 單片機(jī)引腳圖

2.2 顯示電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的顯示器方案是LCD1602，因?yàn)槠渚哂虚_發(fā)簡(jiǎn)單，使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，此款顯示器在工業(yè)界得到了比較廣泛的使用，該顯示器有16 個(gè)引腳，分別是2 個(gè)背光燈引腳、8 個(gè)數(shù)據(jù)傳輸引腳、3 個(gè)控制引腳、1個(gè)對(duì)比度調(diào)節(jié)引腳和2 個(gè)工作電壓輸入引腳，其顯示電器如圖3 所示。

圖3 LCD 液晶顯示電路

2.3 電源電路設(shè)計(jì)

此次電源電路的設(shè)計(jì)已經(jīng)考慮了市面現(xiàn)有電源的兼容性，且確定下來(lái)使用的是5 V-USB 接口電源，因?yàn)槭忻嫔系碾娖靼娔X、充電寶和手機(jī)充電器等都是外部輸出5 V 電源。此次設(shè)計(jì)只需要預(yù)留1 個(gè)USB接口，便可實(shí)現(xiàn)供電。電源接口電路如圖4 所示。

圖4 電源接口電路連接圖

2.4 按鍵電路設(shè)計(jì)

按鍵作為一種最簡(jiǎn)單和直接的數(shù)據(jù)輸入方式，被廣泛應(yīng)用到了社會(huì)的各行各業(yè)。單片機(jī)只需要通過(guò)判斷對(duì)應(yīng)I/O 口的輸入電平狀態(tài)即可判別出外界要輸入的動(dòng)作指令。且市面上的四腳按鈕，具有單邊流通的特點(diǎn)，在焊接多個(gè)按鈕電路的時(shí)候，非常方便。此次設(shè)計(jì)采用了4 個(gè)按鍵來(lái)設(shè)置時(shí)間信息。此次設(shè)計(jì)的按鍵電路原理如圖5 所示。

圖5 按鍵電路原理圖

2.5 語(yǔ)音電路設(shè)計(jì)

此款芯片外部自帶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，能存入預(yù)先準(zhǔn)備的語(yǔ)音內(nèi)容。當(dāng)要播報(bào)時(shí)，只需要單片機(jī)輸入具體的地址信號(hào)即可。語(yǔ)音芯片電路連接如圖6 所示。

圖6 語(yǔ)音芯片電路連接圖

2.6 光敏電路設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)需要按照實(shí)時(shí)的環(huán)境光強(qiáng)度來(lái)調(diào)整臺(tái)燈的開關(guān)，所以需要設(shè)計(jì)光照強(qiáng)度采集電路。利用光敏電阻內(nèi)光電效應(yīng)在不同光照亮度下顯現(xiàn)的阻值不同的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，通過(guò)搭建分壓電路實(shí)現(xiàn)電壓的測(cè)量和阻值的轉(zhuǎn)變。電氣原理如圖7 所示。

圖7 光敏檢測(cè)電路圖

2.7 GSM 通訊電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)最大的亮點(diǎn)就是要實(shí)現(xiàn)GSM 短信通訊，所以需要用到GSM 通訊芯片，通過(guò)在芯片板上插入手機(jī)卡，手機(jī)就會(huì)自動(dòng)搜索對(duì)應(yīng)的5G 服務(wù)信號(hào)，且此次設(shè)計(jì)選擇使用的GSM 通訊芯片型號(hào)是 SIM900A，其電氣連接如圖8 所示。

圖8 模塊與單片機(jī)接口圖

從連接圖上可以看到，此款芯片與單片機(jī)之間的通訊是使用串口通訊形式通訊，將其通訊口連接到單片機(jī)的P3.0 和P3.1 接口即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

2.8 超聲波測(cè)距電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)需要測(cè)量人頭部與桌面的距離，且在方案選擇中確定下來(lái)的測(cè)距方案是超聲波測(cè)距。超聲波測(cè)距具有不易受外界干擾的優(yōu)點(diǎn)，且響應(yīng)速度快。利用超聲波在空氣介質(zhì)中的傳播速度為340 m/s，再加上開始發(fā)射超聲波到接收到反射信號(hào)的時(shí)間差，就可以計(jì)算出所測(cè)距離。

3 主程序設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的程序是在KEIL 平臺(tái)上完成的，通過(guò)逐個(gè)設(shè)計(jì)的方式，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)本次設(shè)計(jì)的所有外設(shè)。例如先實(shí)現(xiàn)LCD 液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)，然后再驅(qū)動(dòng)光敏傳感器，將光強(qiáng)度采集后結(jié)合LCD 顯示。依次類推逐步實(shí)現(xiàn)所有程序的設(shè)計(jì)。

單片機(jī)程序的運(yùn)行是在主函數(shù)中進(jìn)行的，如圖9 所示：進(jìn)入主函數(shù)后，先要初始化顯示器、AD 采集口和定時(shí)器，然后時(shí)鐘芯片開始計(jì)時(shí)，超聲波開始測(cè)距；接著LCD顯示器顯示距離值和時(shí)間信息；然后判斷有無(wú)按鈕按下，如果按下則進(jìn)入按鍵設(shè)置子程序；否則繼續(xù)后面程序，讀取光照強(qiáng)度值并根據(jù)值來(lái)控制照明燈的開關(guān)，然后判斷距離是否過(guò)近，如果成立則語(yǔ)音播報(bào)提示距離過(guò)近，并開始計(jì)時(shí)，否則語(yǔ)音播報(bào)停止，并停止計(jì)時(shí)；然后判斷計(jì)時(shí)時(shí)間是否超20 s，如果成立則驅(qū)動(dòng)GSM 發(fā)送短信到監(jiān)護(hù)人，這樣就完成了本次主函數(shù)的1 次循環(huán)內(nèi)容。

圖9 主函數(shù)流程圖

4 實(shí)物調(diào)試

4.1 KEIL 調(diào)試

KEIL 平臺(tái)界面大致分為4 個(gè)部分，任務(wù)欄一欄從左到右，涵蓋所有的開發(fā)使用功能；其次中間部分分為工程文件部分和主編輯頁(yè)面部分；最下面的是編譯鏈接結(jié)果顯示部位。在實(shí)現(xiàn)程序的編寫前，需要新建1 個(gè)程序工程文件，之后建立目標(biāo)文件夾，在此文件夾下可以添加很多的程序子文件，通過(guò)雙擊“源組”即可實(shí)現(xiàn)程序子文件的新建，新建完成后才能真正意義上完成一個(gè)工程的新建。

程序編輯區(qū)已經(jīng)可以輸入代碼，表示當(dāng)前的狀態(tài)是正常的，此時(shí)可根據(jù)程序設(shè)計(jì)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)程序的編寫，并在平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)編譯、鏈接和生成燒錄文件。

4.2 實(shí)物調(diào)試

通過(guò)使用USB 線就可以對(duì)實(shí)物進(jìn)行供電，此次設(shè)計(jì)中只有語(yǔ)音芯片需要使用1 個(gè)3.3 V 的穩(wěn)壓管，其他芯片都是使用5 V 供電方式進(jìn)行供電的，所以在測(cè)試時(shí)只需注意語(yǔ)音芯片供電正確，其他芯片上電都能正確運(yùn)行。

5 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的所有功能，包括能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)最小系統(tǒng)的搭建并能成功運(yùn)行；能夠利用單片機(jī)最小系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)LCD 液晶顯示器工作；能夠利用時(shí)鐘芯片來(lái)定時(shí)，并能通過(guò)單片機(jī)讀取到年、月、日、時(shí)、分和秒等時(shí)間信息；能夠搭建語(yǔ)音播報(bào)電路，進(jìn)行語(yǔ)音提示；能夠利用按鍵觸發(fā)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)；能通過(guò)光敏電阻檢測(cè)當(dāng)前室內(nèi)亮度情況，并實(shí)現(xiàn)LED 燈的自動(dòng)開斷；利用GSM 芯片實(shí)現(xiàn)短信警報(bào)功能。但是本次設(shè)計(jì)還有很大的優(yōu)化空間，后期會(huì)不斷去更新版本，并根據(jù)實(shí)際的社會(huì)使用效果實(shí)現(xiàn)更新和完善。不光是對(duì)本次設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)自我發(fā)展也將不斷樹立更高的目標(biāo)，不斷地去追逐和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。