基于單片機(jī)的多功能視力保護(hù)器設(shè)計(jì)

梁東麗，劉 穎

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222）

近年來，青少年視力呈下降趨勢，越來越多的學(xué)生戴上了眼鏡。在我國，患近視人群數(shù)量一直呈上升趨勢，學(xué)習(xí)壓力加劇、電子產(chǎn)品的普及和戶外活動時(shí)間的減少是導(dǎo)致近視率高的原因[1]，加之社會各界對視力健康問題的嚴(yán)峻性缺乏基本的認(rèn)識和應(yīng)對措施，導(dǎo)致視力下降問題無法得到有效解決，嚴(yán)重影響青少年視力的健康發(fā)展，從而影響青少年的學(xué)習(xí)和生活[2]。針對這一問題，越來越多的研究者都在研發(fā)各種視力保護(hù)產(chǎn)品，袁小翔[3]設(shè)計(jì)的CMOS多功能視力保護(hù)器，可對讀寫時(shí)間、坐姿及學(xué)習(xí)環(huán)境的光線強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測并對其作出相應(yīng)提醒，但數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)顯示，造成一定的不便；張玉鳳等[4]設(shè)計(jì)的紅外視力保護(hù)儀，使用W18-D50NK紅外測距，測量使用者和書本之間的距離，此產(chǎn)品安裝不便，很難測得準(zhǔn)確距離，且使用紅外線原理測距，其對外界環(huán)境要求較高。陳煒[5]設(shè)計(jì)的簡易青少年視力保護(hù)器可以對學(xué)習(xí)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，但其數(shù)據(jù)無法顯示且報(bào)警方式單一，難以辨別是哪一項(xiàng)參數(shù)不符合實(shí)際要求。王穎等[6]設(shè)計(jì)的視力保護(hù)儀可以智能化監(jiān)測使用者的坐姿角度，從而有效糾正坐姿，但功能單一，無法監(jiān)測學(xué)習(xí)環(huán)境的光線、學(xué)習(xí)時(shí)間等參數(shù)，實(shí)用性能不高。針對以上問題，本文設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的多功能視力保護(hù)器。該視力保護(hù)器采用精確度較高的超聲波模塊HC-SR04對人臉距書本的距離進(jìn)行測量，采用單片機(jī)控制主模塊、溫度檢測模塊、光線強(qiáng)度檢測模塊進(jìn)行讀寫時(shí)間計(jì)時(shí)、光線強(qiáng)度檢測、溫度檢測等，并使用LCD液晶顯示模塊對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。此外，該視力保護(hù)器還可通過聲光報(bào)警、馬達(dá)振動及語音提示等電路，分別對各個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)多種方式的報(bào)警，更好地滿足個(gè)性化需求，實(shí)用性較大。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本視力保護(hù)器由單片機(jī)STC89C52RC核心主控模塊、超聲波測距模塊、光線強(qiáng)度檢測模塊、液晶顯示模塊、溫度檢測模塊、報(bào)警提示模塊、按鍵模塊及電源模塊組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

圖1中，電源模塊為電路提供穩(wěn)定的工作電壓。超聲波測距模塊利用超聲波的發(fā)射和接收，完成距離的測量，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)。光線強(qiáng)度檢測模塊通過光敏電阻在不同光照條件下的阻值變化，檢測不同學(xué)習(xí)環(huán)境的光線強(qiáng)度，將所檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送給單片機(jī)。溫度檢測模塊通過集成的溫度感應(yīng)器件，完成環(huán)境溫度的檢測，并將其檢測的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)。按鍵模塊用來輸入讀寫時(shí)間、人臉距書本距離及光照強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值，實(shí)現(xiàn)讀寫參數(shù)的設(shè)置操作。STC89C52RC單片機(jī)負(fù)責(zé)讀取、存儲按鍵模塊輸入的標(biāo)準(zhǔn)值，負(fù)責(zé)讀寫時(shí)間的計(jì)時(shí)，該計(jì)時(shí)由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器完成。此外，單片機(jī)還負(fù)責(zé)處理其他模塊傳送來的數(shù)據(jù)，并發(fā)送至LCD1602液晶顯示模塊電路，控制顯示模塊電路顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)控制報(bào)警提示模塊電路對不符合設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的讀寫參數(shù)進(jìn)行提醒，從而實(shí)現(xiàn)視力保護(hù)功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器模塊

主控制器模塊由控制芯片、振蕩電路及復(fù)位電路構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 主控制器模塊電路

控制芯片采用STC89C52RC，該單片機(jī)I/O接口豐富，可對外圍電路的功能進(jìn)行拓展，且價(jià)格低廉，性能強(qiáng)大，實(shí)用性較強(qiáng)。該芯片擁有強(qiáng)大的控制功能和運(yùn)算功能，能夠處理外圍電路所傳送的信號，如超聲波測得的距離信號、光照強(qiáng)度信號等。振蕩電路由電容C1、C2與晶體振蕩器Y1（12 MHz）構(gòu)成。振蕩電路中最主要的器件是晶體振蕩器，它能結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動計(jì)時(shí)，并保證單片機(jī)指令的執(zhí)行。復(fù)位電路由電阻R6及電容C3構(gòu)成，它使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。

2.2 超聲波測距模塊HC-SR04

超聲波測距是一種非接觸式測量，具有性能可靠、易集成、結(jié)構(gòu)簡單和成本低等優(yōu)點(diǎn)[7]。本設(shè)計(jì)采用的超聲波測距模塊HC-SR04可實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)4 m的非接觸式距離測量和高達(dá)0.3 cm的測距精度。

超聲波測距模塊由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路及主芯片控制模塊組成。主控芯片進(jìn)行定時(shí)控制，將發(fā)射電路和接收電路所測得的數(shù)據(jù)根據(jù)式（3）進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果傳送給單片機(jī)。超聲波測距模塊HC-SR04的工作原理框圖如圖3所示。在超聲波測距過程中，發(fā)射電路和接收電路存在一定的時(shí)序關(guān)系，由時(shí)序圖可得出超聲波模塊的工作方式。超聲波測距時(shí)序圖如圖4所示。

圖3 超聲波測距模塊HC-SR04工作原理框圖

圖4 超聲波測距時(shí)序圖

圖4表明，觸發(fā)信號是由單片機(jī)向TRIG觸發(fā)控制信號端所輸入的觸發(fā)條件為大于10 μs的高電平信號。當(dāng)模塊收到信號時(shí)，模塊內(nèi)部會發(fā)送出8個(gè)頻率為40 kHz的脈沖，同時(shí)可以檢測所接收的超聲波信號。如果超聲波接收器能順利接收到應(yīng)答信號，則對應(yīng)的單片機(jī)端口會輸出一個(gè)持續(xù)高電平的回響信號，高電平持續(xù)的時(shí)間t就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間[7]。因此，可得測試距離為：

式中：v為超聲波在空氣中的傳播速度，一般取值為331.5 m/s；t為超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。

由于溫度會影響超聲波的傳播速度，因此超聲波的測距精度會隨著溫度的改變而改變，正常情況下，溫度變化1℃，聲速相應(yīng)變化±0.067 m/s[8]，可得溫度T與超聲波速度v的關(guān)系式為：

進(jìn)而可得測試距離為[9]：

式中：S為測量的距離；T為環(huán)境溫度；t為超聲波從發(fā)射到返回所用時(shí)間。

在測量精度要求高的場合，必須通過溫度補(bǔ)償?shù)姆绞絹頊p少測量距離的誤差。

2.3 溫度檢測模塊

溫度采集系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器作為溫度檢測器件，溫度傳感器DS18B20實(shí)物圖及其相關(guān)電路如圖5所示。

圖5 溫度檢測電路

該溫度傳感器外觀類似三極管，有3個(gè)引腳，引腳1接地，引腳2接數(shù)據(jù)端，引腳3接電源。該傳感器具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[10]，采用單總線的接口方式，與微處理器連接時(shí)僅需1條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。單總線具有經(jīng)濟(jì)性好、抗干擾能力強(qiáng)、測量溫度范圍廣和測量精度高等特點(diǎn)，其測量范圍為-55℃～125℃，在-10℃～85℃范圍內(nèi)的精度為±0.5℃。而且該傳感器還具有負(fù)壓特性，即在電路連接過程中發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)也不會燒毀。

2.4 光線強(qiáng)度檢測模塊

光線強(qiáng)度檢測模塊電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 光線強(qiáng)度檢測電路

該模塊主要由光敏電阻和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0832組成。光敏電阻具有易檢測、測量范圍廣和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。其工作原理屬于光電效應(yīng)，即當(dāng)有光線照射時(shí)，電阻內(nèi)原本處于穩(wěn)定狀態(tài)的電子受到激發(fā)，成為自由電子。因此，光線越強(qiáng)，產(chǎn)生的自由電子就越多，電阻就會越小[11]，從而引起電路電壓變化。在該電路中，光敏電阻在光線照射的作用下所引起的模擬信號的電壓變化，經(jīng)ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字信號，并將其傳送給單片機(jī)。單片機(jī)對收到的數(shù)字信號即光照強(qiáng)度進(jìn)行處理并將其顯示在LCD液晶屏上。

2.5 電源模塊

保護(hù)器系統(tǒng)電源采用電壓為5 V的穩(wěn)壓供電系統(tǒng)，可保證單片機(jī)與各模塊之間的正常工作，并使用自鎖開關(guān)實(shí)現(xiàn)電路的閉合與斷開，方便使用者操作和控制。電源電路如圖7所示。

圖7 電源電路

2.6 報(bào)警提示模塊

本設(shè)計(jì)提供了多種報(bào)警提醒方式，其中蜂鳴器及發(fā)光二極管相關(guān)電路組成的聲光報(bào)警電路如圖8所示。

此外，還利用語音播放模塊電路和振動模塊電路，分別對不符合各參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的情況進(jìn)行提醒，方便學(xué)習(xí)者判斷有誤學(xué)習(xí)習(xí)慣的類型，從而進(jìn)行調(diào)整。

圖8 蜂鳴器驅(qū)動電路

YS-M3語音播放模塊共有9個(gè)觸發(fā)端口，利用編碼模式觸發(fā)，具備31首歌的點(diǎn)播功能，以豐富的歌曲數(shù)量避免單調(diào)。其中A1-A5為5個(gè)編碼端口，端口工作低電平觸發(fā)，通過單片機(jī)的I/O口控制。另外，在I/O口處添加撥碼開關(guān)，可進(jìn)行手動選擇，方便控制。YS-M3語音播放模塊的電路設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 YS-M3語音播放電路

在振動模塊中，采用了1027手機(jī)扁平馬達(dá)。由于單片機(jī)輸出的電平不能使馬達(dá)正常工作，因此需放大電路電流，即通過1個(gè)NPN型三極管8050來放大電路電流，從而驅(qū)動馬達(dá)工作。馬達(dá)振動驅(qū)動電路如圖10所示。

2.7 液晶顯示模塊

采用LCD1602液晶顯示器作為顯示數(shù)據(jù)的器件，其引腳圖如圖11所示，管腳功能表如表1所示。

圖10 馬達(dá)振動驅(qū)動電路

圖11 LCD1602引腳圖

表1 LCD1602管腳功能

LCD1602液晶顯示模塊電路連接簡單，具有體積小、功耗低和顯示內(nèi)容豐富等優(yōu)點(diǎn)。該顯示模塊是字符型液晶顯示模塊，可顯示2行數(shù)據(jù)，每行顯示16個(gè)字符，字符包括字母、數(shù)字和符號等形式[12]。通過在程序中定義各管腳所對應(yīng)的單片機(jī)I/O口，讀取各模塊電路發(fā)送給單片機(jī)的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示器上。

2.8 按鍵模塊

按鍵控制模塊主要用來對學(xué)習(xí)時(shí)間、光線強(qiáng)度范圍及人臉距書本距離的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)采用4個(gè)獨(dú)立按鍵來進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)值的設(shè)定和調(diào)節(jié)，獨(dú)立按鍵的具體功能如表2所示。

表2 獨(dú)立按鍵功能

3 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要是在Keil uVision4中完成的程序編寫和編譯。Keil uVision4是ARM公司開發(fā)的51系列單片機(jī)軟件，具有強(qiáng)大的編譯功能，同時(shí)支持C語言的開發(fā)，由于C語言不但具有可讀性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)清晰、易于移植和可維護(hù)性強(qiáng)等特點(diǎn)，而且使用C語言編寫程序能很好地整合單片機(jī)的軟硬件資源，使功能實(shí)現(xiàn)更加簡單。因此，C語言開發(fā)單片機(jī)已經(jīng)被越來越多的單片機(jī)開發(fā)者所接受。本電路系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)編程的思路，系統(tǒng)程序分為系統(tǒng)主程序、超聲波測距子程序、液晶顯示子程序、蜂鳴器報(bào)警子程序、振動模塊子程序、語音播放子程序及按鍵模塊子程序。系統(tǒng)主程序流程圖如圖12所示。

圖12 主程序流程圖

超聲波測距子程序設(shè)計(jì)流程如圖13所示。

通過系統(tǒng)主程序?qū)Τ暡y距等子程序的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)各個(gè)電路模塊的協(xié)同工作，使單片機(jī)系統(tǒng)能穩(wěn)定進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)對人臉距書本距離、光線強(qiáng)度大小和學(xué)習(xí)時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測并實(shí)時(shí)顯示，并將結(jié)果與預(yù)先設(shè)置的相關(guān)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號，從而達(dá)到保護(hù)視力的目的。

圖13 超聲波測距子程序流程圖

4 結(jié)語

本文研究了基于單片機(jī)的多功能視力保護(hù)器的軟硬件系統(tǒng)。該視力保護(hù)器能夠較準(zhǔn)確地測量人臉距書本的距離，采集學(xué)習(xí)環(huán)境的光照強(qiáng)度，記錄學(xué)習(xí)的時(shí)間及監(jiān)測溫度，能夠清楚、實(shí)時(shí)地顯示各參數(shù)值，對不符合標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警提示，以準(zhǔn)確糾正學(xué)習(xí)者的讀書習(xí)慣。該系統(tǒng)參數(shù)測量精度較高，使用方便，性能穩(wěn)定，只需外加模塊即可增加電路功能，具有良好的可擴(kuò)展性，開發(fā)空間較大。

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