基于STM32F嵌入式視力保護儀設計與實現

基于STM32F嵌入式視力保護儀設計與實現

目前，隨著我國各階段教育的普及，近視青少年人數卻在逐年增加。主要原因是青少年的學習習慣不良，研究一種能夠糾正青少年學習習慣，減少近視發生幾率的產品變得很急迫。市場上大多數產品具備有眼保護、糾正坐姿和眼保護燈等功能，但是這些產品功能單一，不能滿足消費者個性化需求。同時很多產品采用51單片機作為其處理器，因51單片機資源不足，同時完成超聲波傳感器數據解碼、A/D轉換和數據顯示，大大降低了系統性能。故不能很好的滿足市場應用。本設計采用STM32F103嵌入式處理芯片，響應速度快，可擴展性能好。根據stm32的處理器的內部定時器功能，超聲波傳感器的測距功能，光敏電阻測光特性，結合液晶顯示器的顯示方法，設計一種多功能視力保護裝置。

1 總體方案設計

1.1 系統工作流程

系統工作流程如圖1所示，主要包括光敏電阻測光電路、超聲波測距電路、液晶顯示電路和聲光報警電路。結合圖1整個系統工作流程如下：

(1) 感光過程。光敏電阻感光模塊根據光線強度輸出不同電壓值，stm32內置的A/D轉換功能將電壓值轉換成數字信號。根據數字信號大小判斷光線的強弱。

(2) 測距過程。超聲波傳感器由兩部分組成：發射部分和接收部分，發射模塊發射發射連續矩形脈沖，接受模塊接受反射回來脈沖。通過Stm32處理器內部定時器記錄脈沖來回時間，計算出距離。測量范圍0cm~450cm，測量精度1cm以內。

(3) 聲光報警過程。當光線小于設定值誰stm32驅動蜂鳴器和led電路發出聲光提示。當學習者離桌面距離小于45cm時，也發出聲光提示。同時，學習者可以設定學習的時間，到達時間后提示學習結束。

圖1 系統整體框圖

2 硬件設計

2.1 STM32處理器及系統接口電路

STM32F103ZETT6處理器是32位的ARM微控制器，采用Cortex-M3內核，工作頻率為72 MHz。內部集成多達512 KB的閃存，64 KB的SRAM。外設接口豐富，包括2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、3個12 位ADC、1個FSMC接口以及112個通用IO 口。采用Cortex-M3內核的ARM處理器實時性能好、功耗低、性能高、性價比高、主要用于競爭性價格于一體的嵌入式領域。

2.2 超聲波測距電路

US-100超聲波測距模塊測距的范圍為0~4.5m，工作電壓為2.4~5.5V，低于2mA的靜態功耗，可以工作在GPIO和串口兩種模式下，通過自身的溫度傳感器完成對最終結果的校正，由于自身看門狗功能，工作穩定可靠。

圖2 超聲波接口電路

電平觸發測距工作原：STM32F處理器在 Trig/TX管腳輸入一個10US以上的高電平，超聲波傳感器立刻發出8個40KHZ 的超聲波矩形脈沖，超聲波接收模塊立刻檢測有無返回信號。同時單片機啟動計時器開始定時；然后處理器不停的檢測PA9引腳，當PA9引腳由低電平變為高電平則超聲波信號已經返回，模塊還要進行溫度值的測量，然后根據當前溫度對測距結果進行校正。Stm32的PA9管腳的高電平時間即為超聲波在空氣中傳播來回時間。最后，將校正后的結果通過Echo/RX管腳輸出。高電平通過Echo管腳輸出，根據Echo管腳輸出高電平計算測量的距離。可以用公式表示為：(高電平時間×340m/s)÷2。

圖3 超聲波測距時序圖

2.3 光線檢測電路

光敏電阻測光電路工作原理：光敏電阻根據外界光線變化改變其阻值，引起STM32處理器PA1管腳電壓變化。PA1管腳作為AD轉換數據的輸入管腳。同時，設置stm32工作模式為掃描模式，工作通道為1，初始化AD采用頻率為12MHZ。經過處理器處理數據，顯示在液晶顯示屏上。

圖4 光敏電阻測光電路

2.4 聲光報警電路

在本設計中采用有源蜂鳴器作為聲音發出元件，由于stm32引腳驅動電流有限，所以采用PNP型三極管增強驅動能力。當stm32f203處理器的PA3管腳輸出高電平時，三極管Q1導通，集電極電流流過蜂鳴器使其發聲。并聯在蜂鳴器兩端的led燈點亮。反之，蜂鳴器不發聲，led不亮。

3 總結

本文設計的視力保護儀，采用stm32f高性能處理器芯片對超聲波傳感器和光敏電阻采集的數據進行分析和AD轉換，可以準確測量出距離和光線強弱，極大地提高系統的響應速度，減少了系統的硬件開支。同時，由于stm32自帶的定時功能和強大的處理速度，使得系統定時和顯示功能變得容易且為以后功能的擴展提供了可能。

圖5 聲光報警電路

[1]蔡光昭.洪遠泉.周永明.基于 STM32的超聲波測速測距系統設計.現代電子技術,2014,37(24):87-89.

[2]佚名.STM32 開發指南 V1.0 庫函數版本[EB/OL]. [2013-02-18].http： //wenku.baidu.com.

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[4]何冰.王菊霞.蘇變玲.基于單片機的視力保護器設計.電子設計工程,2015,23(3):89-92.

[5]姚遠毛海莉徐國平吳炎波.基于單片機的超聲波測距系統設計.高等函授學報（自然科學版）,2012,25(4):69-71.

胡曉輝（1985-）男，河南信陽人，助教。研究方向：智能控制。