智能視力保護(hù)器的研究與設(shè)計(jì)

劉雨佳

摘 要 本論文研究設(shè)計(jì)了一種能夠預(yù)防近視的智能視力保護(hù)器，該智能視力保護(hù)器能夠在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中提醒使用者在光線強(qiáng)度合適的環(huán)境中采用正確的學(xué)習(xí)姿勢(shì)進(jìn)行時(shí)間長(zhǎng)度適宜的學(xué)習(xí)，防止其在學(xué)習(xí)過程中無(wú)意識(shí)的對(duì)眼睛造成不利影響從而有效的幫助使用者預(yù)防近視。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了超聲波測(cè)距、電子定時(shí)器和溫度檢測(cè)的精度，并建立了光線強(qiáng)度與數(shù)據(jù)顯示的大概對(duì)應(yīng)關(guān)系，總體設(shè)計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞 51單片機(jī) 超聲波測(cè)距 電子定時(shí)器 光線溫度檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

該視力保護(hù)器以89C51單片機(jī)為核心，主要由超聲波測(cè)距電路、光線檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)補(bǔ)償電路、電子定時(shí)器電路和顯示報(bào)警電路組成，應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)和電子技術(shù)等。

1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

智能視力保護(hù)器的功能是基于對(duì)近視預(yù)防措施第一條養(yǎng)成良好的用眼習(xí)慣進(jìn)行設(shè)計(jì)的。其硬件設(shè)計(jì)主要包括三大模塊：（1）電子定時(shí)器倒計(jì)時(shí)報(bào)警模塊;（2）超聲波測(cè)距報(bào)警模塊;（3）光線強(qiáng)度檢測(cè)報(bào)警模塊。在硬件設(shè)計(jì)的過程中對(duì)超聲波測(cè)距理論和光線檢測(cè)原理進(jìn)行了分析，對(duì)電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)研究并對(duì)電路圖進(jìn)行了分析。

1.1電子定時(shí)器倒計(jì)時(shí)報(bào)警模塊

電子定時(shí)器主要有三部分組成，單片機(jī)為其提供時(shí)間源后由LCD1602液晶顯示屏顯示時(shí)間控制報(bào)警電路的工作。89C51單片機(jī)因其優(yōu)良的性能而被大范圍的應(yīng)用于各類智能儀器儀表中，本文采用的為89C51。89C51單片機(jī)的功耗低，其微處理高達(dá)8位，能夠進(jìn)行非在線編程和擦除。單片機(jī)有倆種產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的方式，即內(nèi)部時(shí)鐘方式 和外部時(shí)鐘方式，內(nèi)部方式是利用單片機(jī)芯片內(nèi)部的振蕩電路實(shí)現(xiàn)的，此時(shí)需通過單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳外接定時(shí)元件，定時(shí)元件一般用晶體振蕩器和電容組成并聯(lián)諧振電路。電容C1和C2一般采用30pF，主要作用是幫助振蕩器起振，晶體的振蕩頻率為1.2～13MHZ。晶振的頻率越高，單片機(jī)提供的時(shí)間誤差就越小。

1.2超聲波測(cè)距報(bào)警模塊

本文超聲波測(cè)距利用了HC—SR04模塊，該模塊中最主要的倆個(gè)電路為超聲波發(fā)射電路和接收處理電路。溫度檢測(cè)電路測(cè)得溫度后提供給單片機(jī)計(jì)算出超聲波傳播速度。單片機(jī)中的定時(shí)器控制發(fā)射電路和接收電路同時(shí)刻工作并記錄發(fā)射時(shí)間，當(dāng)接收電路檢測(cè)到超聲波反射回來(lái)的回波時(shí)單片機(jī)記錄時(shí)間，單片機(jī)再進(jìn)行計(jì)算、傳輸和現(xiàn)實(shí)。為消除發(fā)射電路計(jì)時(shí)和接收電路計(jì)時(shí)啟動(dòng)反應(yīng)時(shí)間帶來(lái)的誤差，由定時(shí)器同時(shí)驅(qū)動(dòng)倆個(gè)電路的啟動(dòng)。

當(dāng)單片機(jī)發(fā)送一個(gè)10uS以上脈沖信號(hào)到HC—SR04模塊時(shí)，該模塊會(huì)自動(dòng)的產(chǎn)生8個(gè)頻率為40kHz的脈沖信號(hào)并且能夠自動(dòng)檢測(cè)是否有回波信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到有回波的時(shí)候該模塊便會(huì)向單片機(jī)發(fā)出一個(gè)回響信號(hào)。此時(shí)探測(cè)到的物體距離與回響信號(hào)的脈沖寬度是正比的關(guān)系，即物體距離=高電平時(shí)間*聲速/2。

1.3光線強(qiáng)度檢測(cè)報(bào)警模塊

光線強(qiáng)度檢測(cè)電路利用光敏電阻GL5528將光線強(qiáng)度和電壓對(duì)應(yīng)起來(lái)，而后將電壓這一模擬信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)輸入到單片機(jī)中。

ADC0832是一種高分辨的具有雙通道的A/D轉(zhuǎn)換芯片，其分辨率達(dá)到8位且芯片的兼容性較強(qiáng)，同時(shí)由于其價(jià)格便宜、體積小而在A/D轉(zhuǎn)換廣泛應(yīng)用。CS端的電平控制芯片的工作狀當(dāng)處于低電平時(shí)芯片處于工作狀態(tài)，當(dāng)其電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)便停止工作，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過DODI口輸出。它的分辨率達(dá)到8位，所以可以輸出0-255共256個(gè)數(shù)據(jù)，因此當(dāng)電壓變化5/256時(shí)其輸出值變化發(fā)生改變，這樣便能準(zhǔn)確的反應(yīng)光線的變化。

2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)距的軟件設(shè)計(jì)思路是當(dāng)超聲波測(cè)距模塊在1S后發(fā)射超聲波并記錄此時(shí)的時(shí)刻，而后啟動(dòng)超聲波檢測(cè)電路，當(dāng)檢測(cè)到超聲波時(shí)便記錄此時(shí)的時(shí)刻，沒有檢測(cè)到時(shí)返回，循環(huán)上述過程。當(dāng)有檢測(cè)到回波時(shí)便可計(jì)算出測(cè)量距離，再將距離與設(shè)定值比較，當(dāng)小于設(shè)定值是發(fā)出警報(bào)，滿足條件時(shí)循環(huán)上述過程。

溫度檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)由于DS18B20本身測(cè)得溫度后能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)化成二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出，因此溫度檢測(cè)軟件主要負(fù)責(zé)對(duì)這一數(shù)據(jù)的顯示和讀取。DS18B20本身設(shè)計(jì)時(shí)為每1S測(cè)量一次，因此其顯示和讀取時(shí)至少每秒需讀取顯示一次以確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

光線照射到光敏電阻GL5528，光敏電阻阻值發(fā)生改變，在電路中分得的電壓通過8位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中與設(shè)定值比較，當(dāng)小于下限或大于上限時(shí)報(bào)警。

3實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

本次檢測(cè)超聲波測(cè)距所測(cè)得距離的精度實(shí)驗(yàn)選用的米尺精度為0.01m，擋板采用鐵皮板。測(cè)試方法為首先將超聲波擋板分別放置在超聲波測(cè)距儀測(cè)得距離為15cm、25cm、35cm、45cm、55cm、65cm、75cm和85cm位置下，然后對(duì)每個(gè)位置再用米尺測(cè)距五次，記錄數(shù)據(jù)并算出在每個(gè)位置人工測(cè)量的平均值，其次算出每個(gè)位置超聲波測(cè)距測(cè)得的距離和人工測(cè)量的平均值之間的誤差，最后在將不同距離下的誤差再做評(píng)價(jià)作為系統(tǒng)的誤差。根據(jù)測(cè)試得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 5.1，表中人工測(cè)量取平均數(shù)后保留一位小數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試讀出系統(tǒng)超聲波測(cè)距的誤差為0.175cm，系統(tǒng)的精確性較高，能夠滿足設(shè)計(jì)的要求，達(dá)到了預(yù)先的目的。

對(duì)溫度檢測(cè)精度的測(cè)試選用的儀器為科艦MC501電子溫度計(jì)，其精度為0.1℃。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法為選取一天中不同時(shí)間對(duì)室溫進(jìn)行測(cè)量，記錄數(shù)據(jù)后進(jìn)行對(duì)比得出溫度檢測(cè)的誤差。本次實(shí)驗(yàn)選取了雙流縣武警警官學(xué)院東區(qū)2015年3月25號(hào)7時(shí)、10時(shí)、12時(shí)、15時(shí)、18時(shí)和21時(shí)為測(cè)量地點(diǎn)和測(cè)量時(shí)間，通過測(cè)量得出表5.2，表中時(shí)間單位為時(shí)，溫度單位為℃。通過測(cè)量顯示溫度檢測(cè)的誤差為0.45℃，符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)先目標(biāo)。