基于單片機的多功能視力保護器的設計

徐 帥 黃程杰 何彥雨 北京林業大學工學院

基于單片機的多功能視力保護器的設計

徐 帥 黃程杰 何彥雨 北京林業大學工學院

本文主要設計開發了一款基于STC89C51單片機的多功能視力保護器，主要進行了電路的搭建以及軟件的設計。本設計的核心內容包括：超聲波測距，蜂鳴器定時報警，光敏電阻測光，以及LCD顯示屏。當光線過明或者過暗，眼睛與書本的距離過低，學習時間過長時，蜂鳴器實現報警，從而達到保護青少年視力的作用。

單片機；超聲波測距；光敏電阻

前言

近視對人的影響不止在專業報考上的限制，其對人的影響體現在方方面面，比如，近視患者更易用眼過度和疲勞，從而嚴重影響了學習效率和工作效率；近視的度數會因為用眼習慣的問題逐漸加深，高度近視會極大的增加視網膜脫落等疾病發生的風險；同時，近視具有遺傳的特點，如果不加以預防，近視將成為一種世代遺傳的疾病。同時，眼鏡也會成為人們在日常生活中的重要負擔，在生活中給人們帶來很多不便。

本論文的研究目標是開發與設計一個以STC89C51單片機為核心的的多功能視力保護器。包括硬件的設計以及焊接。在硬件設計中，核心技術是用超聲波對信號進行接收，調制，輸出，實現超聲波測距，光線報警用光敏電阻實現。當光線過明或者過暗，眼睛與書本的距離過低，學習時間過長時，蜂鳴器實現報警。

具體工作內容包括：當使用者的眼睛到寫字臺的距離低于設定值，會發出聲光報警，提醒學生變換坐姿。當光線強度過亮或者過暗，蜂鳴器會發出報警，提醒學生調整光照強度。當學習時間到達設定值，蜂鳴器報警，提醒學生進行適當休息。

1.系統總體設計

系統的設計內容包含四個步驟：系統電路圖整體設計、硬件焊接、軟件編寫、調試。

系統整體設計思路：根據系統的設計要求，以STC89C52單片機來控制系統的運行，本設計分為超聲波部分，顯示部分，光照強度檢測部分，蜂鳴器報警部分和控制部分：

（1）超聲波模塊：本模塊利用超聲波測量出距離，所以選用HC-SR04來實現測距。本模塊的優點是性能穩定，測度距離精確，模塊高精度，盲區小[1]。

（2）顯示模塊：本設計的人機交互界面較為簡單，不需要顯示漢字。選用LCD1602作為顯示裝置；LCD1602是點陣型液晶模塊，能夠同時顯示16x02，即32個字符。

（3）光照強度檢測模塊：本模塊采用光敏電阻來檢測光照強度，再通過ADC0832將模擬信號轉換成數字信號，便于單片機處理。

（4）蜂鳴器報警模塊：本模塊采用電磁式蜂鳴器來進行報警發聲。

（5）控制模塊：采用STC89C52單片機。

2.硬件設計

2.1 STC89C52單片機

在本次設計里，單片機是整個系統中最核心的元器件，需對光照，時間，距離等信息進行檢測并對其他的硬件進行控制。選用不同型號的單片機，需要考慮性能優良、成本高低等因素。綜合考慮，本設計選擇了STC889C52單片機作為系統的核心。STC89C52單片機的特點是高效、低功耗、超強抗干擾，其指令代碼完全兼容傳統8051。可以根據需要選擇12時鐘/機器周期或。

2.2 超聲波測距報警電路

超聲波的特點：超聲波的頻率高于20000HZ，它指向性好，穿透力強，在介質中傳播的距離較遠。超聲波經常被用于測量距離，具有迅速，方便，易于控制的特點。

超聲波測距的原理是：通過超聲波的發射器和接受器接收到超聲波的時間差來測出距離。超聲波發射器在空氣中發射超聲波時開始計時，遇到障礙物就立即返回，超聲波接收器收到反射波信號停止計時。

2.3 蜂鳴器報警電路模塊

蜂鳴器是一種采用直流電壓供電的一體化結構的電子發聲器。本裝置采用電磁式蜂鳴器作為報警電路模塊。電磁式蜂鳴器由振蕩器、磁鐵、振動膜片、電磁線圈及外殼等組成。電磁式蜂鳴器發聲的原理是：接通電源后，有音頻信號的電流通過電磁線圈，于是電磁線圈中產生磁場，在磁鐵和電磁線圈的相互作用下，震動膜片周期性震動發聲[2]。

2.4 光敏電阻測光電路模塊

光敏電阻在電子設計中一般用于光的測量，控制，和光電轉換，它的靈敏度高，反應速度快。光敏電阻是用半導體材料制成，常用的光敏電阻材料為硫化鎘（CdS）。

當我們將光敏電阻接入電路中，光照強度的變化會導致光敏電阻阻值的變化，于是光敏電阻上的分壓發生變化，電路的輸出電壓也發生變化。光照度增大，光敏電阻阻值減小，在分壓電路中 分得的電壓減小。根據光敏電阻特性，結合光照度與模擬電壓之間的函數關系，得到某一光照強度下的模擬電壓，將模擬電壓通過ADC0832轉換成數字電壓，便于單片機處理[3]。

3.系統軟件設計

本系統的程序設計采用c語言。C語言是一種結構化的高級計算機編程語言。C語言的特點是簡潔緊湊，可讀性好，靈活方便。

程序開始后，先初始I/O口，此時使用者可以設置學習時間，光照強度上下限和報警距離。按下按鍵開始計時后，檢測光線是否超過上下限，如果是，則報警，如果不是，檢測實際距離是否小于報警距離，如果小于報警距離，則報警。檢測學習時間是否超過定時時間，如果超過，則報警。

4.結論

經過多次測試，本視力保護器最終可以實現目標功能，即：在周圍光線過明亮或者過暗的時候蜂鳴器報警，二極管連續發光提醒。在眼睛離書本距離小于設定值時，蜂鳴器報警，二極管連續發光提醒。在學習時間超過設定時間時蜂鳴器報警，二極管連續發光提醒。其中，光線亮度的上下限，報警距離，定時時間可以自行設置。

本次設計還存在不足，根據視力保護器的現狀，目前的視力保護器無法防止學生側身趴在桌子上學習的狀況，若是想改進此不足，可以利用重力感應傳感器來設置，當學生左偏或者右偏時，重力感應器收到信號，發出報警。此重力感應器未來可做成耳掛式，可以戴在使用者的耳朵上。

[1]王萌.美國最新研究發現常鍛煉，視力棒[N].生命時報,2014-04-04第03版.

[2]何健.綿羊牧草行為圖像采集裝置的設計[D].內蒙古：內蒙古農業大學，2013.

[3]李書婷. 基于單片機的聲控報警器設計[J]. 商洛學院學報, 2015,4:11-14.

何彥雨，男，高級工程師，主要從事計算機教學科研工作，研究方向為信息安全、系統軟件。

徐帥，男，北京林業大學工學院2014級本科生。