單片機超聲波視力保護系統設計

羅發貴，李大洪，甘慶華

（興義民族師范學院，貴州 興義 562400）

本次設計的意義首先能迎合孩子學業壓力大的背景，給孩子創造比較好的學習環境，能保證高效學習的同時，保證身心健康；且其智能調光功能可創造比較合適的學習光線，保護眼視力；且系統使用的是穩定性極高的嵌入式微處理控制器（單片機），后期量產成本低，維護成本也低，很容易在市面推廣開來。系統也帶有GSM 短信通訊功能能夠讓家長在遠處就能得知孩子當前的學習坐姿情況，實現更加省力的監督。

1 系統設計方案

在開始設計前，需要整理各個功能部分，并明確所需傳感器和電路。此次設計用到了5 個輸入電路和4個輸出電路。通過多電路組合實現整體功能，系統總方案如圖1 所示。

圖1 系統框圖

本次設計通過對單片機最小系統的搭建，能夠利用單片機最小系統驅動LCD 液晶顯示器工作；能夠利用時鐘芯片來定時，并能通過單片機讀取到年、月、日、時、分和秒等時間信息；能夠搭建語音播報電路，進行語音提示；能夠利用按鍵觸發，調節系統參數；能通過光敏電阻檢測當前室內亮度情況，并實現LED 燈的自動開斷；利用GSM 芯片實現短信警報功能。

2 硬件設計LED

2.1 主控硬件設計

此次使用型號為STC12C5A16AD 單片機，此款單片機具有短小精悍、價格合宜及功能齊全等優勢，非常適合本次開發使用。且51 系列的單片機能在多種開發環境中使用。

通過KEIL 平臺就可以實現對單片機硬件的調試。且此款芯片共40 個引腳，其中能用于雙向通訊的I/O 口有32 個，剩余的有復位、晶振、電源正負極和外部地址引腳，其具體的引腳電氣原理如圖2 所示。

圖2 單片機引腳圖

2.2 顯示電路設計

本次設計的顯示器方案是LCD1602，因為其具有開發簡單，使用成本低等優點，此款顯示器在工業界得到了比較廣泛的使用，該顯示器有16 個引腳，分別是2 個背光燈引腳、8 個數據傳輸引腳、3 個控制引腳、1個對比度調節引腳和2 個工作電壓輸入引腳，其顯示電器如圖3 所示。

圖3 LCD 液晶顯示電路

2.3 電源電路設計

此次電源電路的設計已經考慮了市面現有電源的兼容性，且確定下來使用的是5 V-USB 接口電源，因為市面上的電器包括電腦、充電寶和手機充電器等都是外部輸出5 V 電源。此次設計只需要預留1 個USB接口，便可實現供電。電源接口電路如圖4 所示。

圖4 電源接口電路連接圖

2.4 按鍵電路設計

按鍵作為一種最簡單和直接的數據輸入方式，被廣泛應用到了社會的各行各業。單片機只需要通過判斷對應I/O 口的輸入電平狀態即可判別出外界要輸入的動作指令。且市面上的四腳按鈕，具有單邊流通的特點，在焊接多個按鈕電路的時候，非常方便。此次設計采用了4 個按鍵來設置時間信息。此次設計的按鍵電路原理如圖5 所示。

圖5 按鍵電路原理圖

2.5 語音電路設計

此款芯片外部自帶數據存儲器，能存入預先準備的語音內容。當要播報時，只需要單片機輸入具體的地址信號即可。語音芯片電路連接如圖6 所示。

圖6 語音芯片電路連接圖

2.6 光敏電路設計

此設計需要按照實時的環境光強度來調整臺燈的開關，所以需要設計光照強度采集電路。利用光敏電阻內光電效應在不同光照亮度下顯現的阻值不同的原理來實現檢測，通過搭建分壓電路實現電壓的測量和阻值的轉變。電氣原理如圖7 所示。

圖7 光敏檢測電路圖

2.7 GSM 通訊電路設計

本次設計最大的亮點就是要實現GSM 短信通訊，所以需要用到GSM 通訊芯片，通過在芯片板上插入手機卡，手機就會自動搜索對應的5G 服務信號，且此次設計選擇使用的GSM 通訊芯片型號是 SIM900A，其電氣連接如圖8 所示。

圖8 模塊與單片機接口圖

從連接圖上可以看到，此款芯片與單片機之間的通訊是使用串口通訊形式通訊，將其通訊口連接到單片機的P3.0 和P3.1 接口即可實現數據交互。

2.8 超聲波測距電路設計

本次設計需要測量人頭部與桌面的距離，且在方案選擇中確定下來的測距方案是超聲波測距。超聲波測距具有不易受外界干擾的優點，且響應速度快。利用超聲波在空氣介質中的傳播速度為340 m/s，再加上開始發射超聲波到接收到反射信號的時間差，就可以計算出所測距離。

3 主程序設計

本次設計的程序是在KEIL 平臺上完成的，通過逐個設計的方式，實現單片機驅動本次設計的所有外設。例如先實現LCD 液晶顯示器的驅動，然后再驅動光敏傳感器，將光強度采集后結合LCD 顯示。依次類推逐步實現所有程序的設計。

單片機程序的運行是在主函數中進行的，如圖9 所示：進入主函數后，先要初始化顯示器、AD 采集口和定時器，然后時鐘芯片開始計時，超聲波開始測距；接著LCD顯示器顯示距離值和時間信息；然后判斷有無按鈕按下，如果按下則進入按鍵設置子程序；否則繼續后面程序，讀取光照強度值并根據值來控制照明燈的開關，然后判斷距離是否過近，如果成立則語音播報提示距離過近，并開始計時，否則語音播報停止，并停止計時；然后判斷計時時間是否超20 s，如果成立則驅動GSM 發送短信到監護人，這樣就完成了本次主函數的1 次循環內容。

圖9 主函數流程圖

4 實物調試

4.1 KEIL 調試

KEIL 平臺界面大致分為4 個部分，任務欄一欄從左到右，涵蓋所有的開發使用功能；其次中間部分分為工程文件部分和主編輯頁面部分；最下面的是編譯鏈接結果顯示部位。在實現程序的編寫前，需要新建1 個程序工程文件，之后建立目標文件夾，在此文件夾下可以添加很多的程序子文件，通過雙擊“源組”即可實現程序子文件的新建，新建完成后才能真正意義上完成一個工程的新建。

程序編輯區已經可以輸入代碼，表示當前的狀態是正常的，此時可根據程序設計內容實現程序的編寫，并在平臺上實現編譯、鏈接和生成燒錄文件。

4.2 實物調試

通過使用USB 線就可以對實物進行供電，此次設計中只有語音芯片需要使用1 個3.3 V 的穩壓管，其他芯片都是使用5 V 供電方式進行供電的，所以在測試時只需注意語音芯片供電正確，其他芯片上電都能正確運行。

5 結論

本次設計已經實現了預期的所有功能，包括能夠實現單片機最小系統的搭建并能成功運行；能夠利用單片機最小系統驅動LCD 液晶顯示器工作；能夠利用時鐘芯片來定時，并能通過單片機讀取到年、月、日、時、分和秒等時間信息；能夠搭建語音播報電路，進行語音提示；能夠利用按鍵觸發，調節系統參數；能通過光敏電阻檢測當前室內亮度情況，并實現LED 燈的自動開斷；利用GSM 芯片實現短信警報功能。但是本次設計還有很大的優化空間，后期會不斷去更新版本，并根據實際的社會使用效果實現更新和完善。不光是對本次設計進行優化，對自我發展也將不斷樹立更高的目標，不斷地去追逐和實現目標。