基于STC89C52單片機的視力保護監控儀設計

張飛云，張 杰

(1.許昌學院 電氣(機電)工程學院，河南 許昌 461000；2.中國聯通 太康縣分公司，河南 太康 474650)

目前兒童青少年課業負擔繁重，導致青少年的視力下降.調查發現我國在校生近視率逐漸上升[1].引起青少年近視的原因有遺傳、營養、環境及不良習慣等[2，3].為有效保護青少年的視力，從用眼距離、用眼時間、光線強弱三個方面著手，以STC89C52單片機為控制核心，設計一個視力保護監控儀.

1 監控儀硬件設計

1.1 監控儀硬件結構框圖

本系統主要有單片機最小系統、電源模塊、定時模塊、超聲波測距模塊、光纖強度檢測模塊、語音報警模塊及液晶顯示模塊等幾部分組成，其硬件結構框圖如圖1所示.

圖1 監控儀硬件結構框圖

1.2 單片機最小系統[4，5]

單片機的最小系統電路圖如圖2所示. 圖中S1是系統的復位按鍵，通過單片機的RST引腳來實現復位功能.J1是單片機的程序下載接口，負責程序的下載.圖中外接晶體引線端XTAL1和XTAL2和晶振相連并和電容C2、C3組成計時電路.

1.3 電源模塊

監控儀的供電方式為直流供電，電路中通過外加電源供給單片機以及各個模塊5 V的電壓，經過各個模塊電路的仿真與調試，能夠滿足單片機和各個模塊的穩定運行，符合設計的供電要求.電源電路如圖3所示.

1.4 蜂鳴器報警模塊

蜂鳴器作用是當檢測數據超出設置范圍時發出提醒信號.蜂鳴器分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器兩種.

(1)有源蜂鳴器：有源蜂鳴器是直接加直流電壓來工作的，在通電情況下，振蕩器會產生一種音頻信號電流，這種電流在經過蜂鳴器內部的電磁圈時會產生電磁場，從而驅動內部的振蕩器發出固有頻率的聲音.

圖2 單片機最小系統電路

圖3 電源電路

(2)無源蜂鳴器：無源蜂鳴器是通過外加方波觸發信號來工作的.本監控儀采用源蜂鳴器，其報警電路原理圖如圖4所示.正常運行時P33端口輸入的是高電平，蜂鳴器不產生報警，二極管也不點亮，當P33端口輸入由高電平改變為低電平時，這時基極的低電平會使三極管飽和導通，蜂鳴器發生報警，同時二極管也會點亮.

1.5 按鍵模塊

在單片機中鍵盤有獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤兩種.本監控儀采用獨立式按鍵設計.獨立式按鍵的使用主要是改變單片機的電平運行狀態，單片機以此來判斷是否有按鍵按下.在接線時，把按鍵常開的一端接入大地，另一端接到單片機的一個I/O口.系統運行時此I/O口處于高電平，無按鍵按下時它一直處于高電平，但當此按鍵按下時，此時I/O與大地連接發生短路迫使當前I/O變為低電平.當松開按鍵以后，由于單片機內部存在的上拉電阻，可以重新讓此I/O口恢復高電平.因此在運行時單片機可以通過尋址來查詢此I/O的電平變化來得知是否有按鍵按下，當檢測到有按鍵按下時單片機便會執行相應的功能指令.其原理圖如圖5所示.

1.6 光線強度檢測模塊

光線強度檢測模塊包括光線采集電路和模數轉換電路.如圖6所示為光線強度檢測模塊電路原理圖.通過光敏電阻采集光線強度信號，并把光強度信號轉換為電信號，再通過ADC0832將模擬信號轉化為數字信號傳給單片機處理.

圖4 蜂鳴器報警電路

圖5 按鍵電路

圖6 光線強度檢測電路

1.7 液晶顯示模塊

采用LCD1602液晶顯示屏顯示使用者與桌子之間的距離、光線強度及倒計時時間，實時監控使用環境，提醒使用者注意合理用眼，避免眼睛疲勞.其電路原理圖如圖7所示.LCD1602顯示屏顯示實時的監控狀態，包括超聲波測出的實時距離值，光敏傳感器檢測的實時光線亮度值以及設置的45 min倒計時的運行值等.

圖7 液晶顯示模塊電路

1.8 超聲波測距模塊[6]

采用HC-SR04超聲波測距模塊該模塊電路如圖8所示.基本工作原理如下.

圖8 超聲波引腳接線圖

(1)將超聲波模塊的Vcc端接5 V電源和GND端接地.

(2)給脈沖觸發引腳 TRIG 10 us以上的高電平信號方波.

(3)當方波輸入后，該模塊會自動發射8個40 KHz的超聲波，與此同時接收回波引腳的ECHO端的電平會由低電平變為高電平，此時單片機定時器開始計時.

(4)當超聲波觸碰到桌面返回后會被模塊接收，接收回波的引腳ECHO端的電平會重新恢復到低電平，同時單片機計時結束，所記下的時間便是超聲波從發射到回收的總時長.

2 系統軟件設計

視力保護監控儀軟件部分主要包括視力保護監控主程序、超聲波測距子程序、光強度檢測子程序、計時子程序和報警子程序.主要是通過超聲波傳感測距模塊發出的超聲波波速以及接收信號的時間差來計算身體與桌面的距離，完成距離監控，通過光敏傳感器采集光線信號來檢測當前光線亮度值，完成光線亮度監控及顯示，通過單片機定時來計算學習時間，完成作息時間監控.圖9、圖10及圖11分別為超聲波測距子程序流程圖、光強度檢測子程序流程圖和計時子程序流程圖.

圖9 超聲波測距子程序流程圖

圖10 光強度檢測子程序流程圖

圖11 計時子程序流程圖

3 結語

以STC89C52單片機為控制核心設計一個視力保護監控儀.該監控儀從用眼距離、用眼時間、光線強弱三個方面著手，監控青少年的坐姿、用眼時間及光線強弱，幫助青少年養成良好的學習用眼習慣，起到保護青少年視力的目的.