超声波视力保护器设计.docx

超声波视力保护器设计.docx

《超声波视力保护器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超声波视力保护器设计.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

超声波视力保护器设计

一、绪论

1.1 课题背景

在现在这个时代，许多中小学生承受着巨大的学习压力。

在2006年09月13日的时候，在黑龙江省暨哈尔滨市举办了一场青少年心理健康宣传的活动，并且活动举办的很成功，在这个月里，将近50多位心理方面的专家针对2000多个大学中学小学的学生进行免费咨询期间发觉，接近有30%的学生不会处理人际关系，还有接近60%的中学生小学生有着巨大的学习压力。

近视的学生在中国已然变成了越来越严峻的普遍问题。

现在国内好多工作都有着视力要求，而且当你眼睛一旦开始近视，那你花再多的钱视力也不会变好了。

于是有专家提出说学生近视的根本原因是没有良好的坐姿。

综上，这么大的学习压力下拥有一个能够爱护眼睛的装备是多么的重要

截止到今日，青少年的实力问题已经引起了国内和国外一致关怀的大问题。

有材料表示，国内小朋友有26.96%的比率是眼睛不好的，初中生更多，已经多达53.43%，更有甚者是高中和大学生，普遍高达75%往上。

追其根本原因还是因为学生和自己的父母都没有对眼睛的爱护意识，不了解视力不好会带来的诸多问题和危害。

因此有将近一半的学生并没有重视这一问题，所以我们花了很长时间来研究视力爱护器。

通过营造科学的读书环境来规避长时间的读书和写字导致眼睛视力下降和身体的一些变形等问题

 1.2视力爱护器的现状

  就目前来看，国内和国外的很多电子公司都制造生产了视力爱护器，虽然国内制造的视力爱护器能够语音提醒用户坐姿不对甚至可以纠正一些读书时的不好的坐姿，但是总的来说，国内制造的视力爱护器的用途比较单一，对比现在人们的灵活的需要还是有一定的差距，所以这是满足不了用户的需要。

虽然在国外也在大力研究视力爱护的仪器，但是他们更倾向于研究近视的根本原因。

在美国的德克萨斯大学一位名叫于光的博士说，使用新奇的鱼类和果蔬是对视力的一种爱护，可以减少近视发生的几率。

他们觉得通过一些餐食进行有营养的搭配加上良好的学习习惯，可以非常好的爱护视力。

然而事实研究表明，现如今商场里真正能对视力起到爱护作用的机器基本上是没有的。

并且已经存在的视力爱护器仅仅是偏向爱护视力多一点，它的有用性不高，达不到刀哥方面爱护用户的视力。

下面要讲的就是对超声波技术视力爱护器的研究。

通过已经拥有的试验室平台，研究的目标就是开发和设计多功能爱护器的硬件而且还要对他进行硬件制造。

可以把他内容的研究分成两个部分：

就是制作视力爱护器和设计视力爱护器。

当然也遇到了很多困难和阻碍，比如说怎么才能有效的增加对视力的爱护和硬件电路的精准调试。

在这些硬件的设计里，通过超声波技术从而设计的爱护器电路对超声波调制和输出来实施声控和光控提醒其钻研的意义所在，然后可以经过事实证明这个爱护器是非常可靠的并且具备很强的有用性，但也有美中不足的是，他没有对光线发出警报并且能够控制它的能力，还有一个不好就是，光线是会损害学生的视力的。

但是基于国内和国外这么多的社会需要，对视力爱护器的研究步伐才刚刚开始，还有相当大的想象和进展的空间，现在许多国家都为此开始了重大的研究，我相信在以后视力爱护器的进展前景一定是非常大的，这样才能更好的去爱护那些中小学生的眼睛。

1.3设计要求

  基于对单片机芯片智能的处置功能这个设计使用的是结合了理论计算和试验验证通过单片机芯片作为核心的主体电路。

它先是针对每一个单元的电路来实施设计，从中抉择出能用的元器件，然后在对元器件上时，还要留意所选择芯片的有用性，像电阻、电容等经常使用的元件要先对其参数计算然后再进行选择。

再然后就是设计出所有的电路，还得在电脑上针对单个的电路进行一系列的功能仿真的调试!

在这中间单片机芯片选择了相对比较普遍的STC89C52，坐姿传感器选择使用了超声波传感器，光线报警选择使用了光敏电阻来体现，发声硬件电路使用的是报警发声蜂鸣器。

这一次的毕业设计的内容研究为设计出一个真正具备多功能的视力爱护器。

它拥有如下的功能:

1.当用户的脸部和桌子之间的长度不大于30CM时,此电路就会发出提示的声音2.当读书和写字的时候产生光线不足时,电路就会发出提示的声音:

3.当使用的时间超过45分钟的时候,电路就会自动发出提示的声音,用来提醒用户需要注意休息了;

4.可以调节电路测光报警的敏感度:

5.电路非常可靠,做出的实物可以实现对应的功能。

能确切的帮助了学生做得到国家教委的规定即当学生在读书写字的时候，需要在一定光度下，眼睛距离读物一尺，身子距离书桌一只手。

二、总体方案设计

      系统使用了STC89C52 单片机当做核心控制多功能视力爱护器，这个系统由光敏电阻来收集光线的信号，由AD采集光线信号的大小，将光线强度分成一些等级，再由设置报警的等级来决定光照如果不足的警报。

再通过超声波测量距离传感器测试出人风光部和桌子之间的距离，等到他不大于30CM的时候就会发出提醒的报警声。

通过单片机里面的定时器计知道,当产品用到高于45分钟的时候电路就会自己发出提示的声音，来提醒用户需要注意休息了。

这个系统使用的作为提示的电路是由三极管驱使蜂鸣器而组成的。

整个系统的设计框架图如图1显示。

图1系统总体方框图

2.1硬件设计

2.1.1电源稳压电路设计

因为这个系统使用的是电池供电，是以我们想到了下面几种方法作为系统供电。

方案1:

使用12V的蓄电池稳定电压以后给系统进行供电。

蓄电池具备很大的驱动电流的能力和电压输出性能的稳定。

美中不足的是是蓄电池有很大的体积，还有想当大的成本，不适合在报警器上的使用。

所以我们没有使用这个方案。

方案2:

使用3个1.5 V的干电池总共4. 5V做为电源，给单片机和传感器提供电量。

当试验证明系统运行的时候,单片机和传感器稳定的工作电压可以满足系统的需求，并且更换电池也比较便利。

所以通过两个方案的对比方案2是比较可行的。

2.1.2 主控制器模块方案1:

      使用能够编程规律器件的CPLD当做控制器。

CPLD能够实现每种难懂的规律功效、它的规格模式大、密度较高、并且体积小、较强稳定性、I0资源比较丰富、简单对功能进行扩展。

使用一起进行的输入还有输出的方式，大大提高了系统对东西处理的效率，比较适合作为大范围对来控制核心系统。

但是这个系统用不上难懂的规律功能，它对数据的处理效率要求不高。

并且根据性价比的方面考虑我们没有采纳这个方案。

方案2：

使用STC89C52单片机当成核心系统,系统使用了STC89C52单片机当做多功能视力爱护器控制单元的主要重心，全面的分析了我们的系统，它的关键是可以实现系统能够自动报警和提醒，用来处理超声波感应的信号，还有处理光照强弱的信息，于是在这一个方面，单片机就体现出来了它的优势就是能够简洁的控制并且便利还有快捷。

所以，单片机就能够充分展现其资源、拥有很强大的控制功能还有能够对位置进行感应操作的功能，且价格不高一些优点。

STC89C52单片机拥有很厉害的操作位置的功能，I/0 口都能按照定位寻觅地点，它的程序内存已经达到8k，对这个设计完全够用，并且更值得一提的是STC89C52单片机的造价很廉价。

所以综上，我们对这个方案还是比较中意的。

所以我们选择了第二个方案

2.1.3光照强度检测模块

光照度传感器的选择方案1:

使用光照度感应器M124749,这个光照度感应器使用了比较先进的电路模块技术研发变送器，适合用用于测量环境光照度，显示出标准的电压和电流信号，并且它的体积不大，还有便利安装，较好的线性度，传输的距离比较长，还有较强的抗干扰能力，能够调节量程。

但是造价非常昂贵，而且有用性不高，还有不太简单采购   

方案2:

使用光敏电阻。

光敏电阻是根据当有光线照耀的时候，激发电阻里面原本处于比较稳定状态的电子，让他变成自由电子，所以越强的光线，其产生的自由电子也变得越多，电阻就变得越小。

光敏电阻的优点就是可以使用直流电。

灵活敏感的程度和半导体材料还有入射光波的波长有关，并且价格很廉价，有用性高。

所以对以上两个方案进行对比，方案1虽然对精度和线性度有更好的设计，但有用性没有光敏电阻的好。

方案2拥有很强的有用性并且还能提供对系统的设计要求有一定的满足，所以使用第二个方案光敏电阻作为光照度感应器。

2.1.4报警提示模块

这个系统是多功能视力爱护器,相对报警器来看,他有很多种提醒方式。

所以我们想出了下面两种方案。

方案1:

启用语音的报警功能，能够实现让用户休息的语音提示，还有其姿势是不是对的，简洁明白。

虽然使用语音提醒有很多的优点，但是编程语音芯片要有专业的编程器，并且价格非常贵和变成很是复杂，不适合去普及多功能视力爱护器的使用。

所以根据综合的设想，我们摒弃了这个方案。

方案2:

使用蜂鸣器来报警。

蜂鸣器的体积小并且重量轻还有装配单一，并且用起来便利。

价格不高，对普及视力爱护器的有很大的优势。

还能够更多的满足对系统的要求，所以我们打算使用这个方案。

2.1.5 坐姿检测模块

这个系统还需要检测是否有良好的坐姿，所以我们选择了一下两种方案

方案1:

使用红外线热释电感应器，红外线热释电感应器对红外线的感应非常敏锐，当人调整为良好的坐姿时，再开启这个视力爱护器，但如果没有坐好，红外线热释电感应器就会输出一个由高到低的电信号。

红外热释电感应器虽然有着较高的敏感度，但并不适合用在视力爱护器上面，当人们如果只是有一点点的移动视力爱护器就也会发出警报，很多情况下都是错误的警报，除非人们坐在那里一点都不动，所以红外线热释感应器不能用于多功能视力爱护器对坐姿的检测，多以综上来看，我们没有使用这个方案。

方案2:

使用超声波感应器来检测。

他是通过测量人脸与桌子的长度来确定坐着的姿势。

当长度不大于30CM的时候就发出提醒。

并且超声波的体积不大，不重，用起来比较便利。

还有价格低廉，对普及视力爱护器的有很好的推势。

可以很好的满足对系统的要求，所以我们选用了这个方案。

2.1.6 显示模块方案1:

使用数码管来显示的时候。

它的显示速度比较快，而且使用起来简洁,显示的效果也是简洁易懂，但是显示的比较单一，表达不出很好的人机的界面，所以我们没有使用用数码管显示。

方案2:

使用LCD1602液晶来显示。

LCD1602因为其显示清楚，还有丰富的内容展示，内存又大，使用起来便利快捷而得到了非常广泛的应用。

就针对这一个因素考虑我们选用了这个方案。

2.2  最终方案

经过一次又一次的论据证明，我们最终确定了最终方案:

1、电源使用了3节5号电池2、使用用STC89C52单片机当做主控制器。

3、使用光敏电阻来测试光照的强弱。

4、利用超声波感应器来测试坐姿。

5、还用LCD1602液晶来显示。

6、用蜂鸣器作为提醒。

三、硬件实现及 单元电路设计

3.1主控制模块

主控制最小的系统电路如图2所示。

图2单片主控电路

3.2电源电路设计

供电源使用7805稳定电压芯片压缩成5v给感应器，单片机提供电量，电路如图3

图3电源电路

3.3蜂鸣器驱动电路

图4L298N引脚图

3.4按键电路

系统启用了4个按键设置了参数和设置了光照强度报警值。

电路如图5

图5按键电路

3.5光照强度检测电路

如图6

图6光照采集电路

3.6显示模块

显示采纳LCD1602液晶显示电路图7

图7数码管显示

3.7超声波坐姿测距模块

      超声波模块启用现有的HC-RS04超声波模块,这个模块能够提供2cm-400cm的不接触式的长度感测功能,测量距离的精准度可高达3mm。

该模块包含了超声波放射器、接收器和电路的控制。

它的基本的工作原理为:

使用I0口TRIG来触发测量距离，提供至少10us的高电平的信号;模块自己发送发送有8个40khz 的方波，并且自动检测是不是有信号来回往返;当有信号返回时，通过I0口ECHO来输出一个高电平，这个高电平持续的时间就当做超声波通过放射往返的时间。

测试的距离等于（高电平时间*声速（340M/S））/2.

这中间VCC供电5V，GND为地线，用TRIG来触发控制信号的输入，ECHO回响的信号输出等四支线。

3.2.1超声波的基本特性

超声波就是一种机械振荡在弹性介质中进行的，它的频率超过了20KHz，分为横向振荡还有纵向振荡两样，超声波能够在气体和液体以及固体中进行传播,当他传播速度不同的时候会有折射和反射的现象，并且在传播的过程中有逐渐衰减。

超声波的基本特征有如下所述:

1.波长

波的传送速度是使用频率*以波长来显示。

电磁波的传送速度是3*10'm/s，但是声波在空气中的传送速度不快，大约是为344m/s （20C时）。

于是在这种不快的传播速度下，波长非常短，就说明能够获得比较高的长度和方向的分辨率。

正是因为这种比较高的分辨率特征，才让我们有可能在开始测量时得到非常高的精确度。

反射

如果想要探测某一个物体是不是存在的,超声波就可以在这个物体上得出反射。

出于金属、木器、混凝土和玻璃还有橡胶和纸等物品能够反射将近100%的超声波，所以我们能够很简单地察觉出这些物体。

又因为布和棉花还有绒毛等这些能够汲取超声波的无匹，所以我们不能轻易就利用超声波探查到它们。

与此同时，因为不规章的反射，通常不能轻易的探测出凹凸的表面和斜坡表面上的物体,这些原因导致了超声波需要在空旷的场所进行测试，而且测试的物体一定得能够反射超声波。

温度效应

声波的传播速度“c”能够用以下的公式来表示。

c=331. 5+0. 607t （m/s）式中，t=温度（C）也表明，声音的传播速度是随着周围温度的改变而改变的。

因此，如果要想能够精准的测量和某一个物体之间的长短时，要一直不断的检查周围温度，格外是冬天室内外的温差比较大，他对超声波测量距离的精准度影响比较大，这个时候能够用18B20当做温度补偿来较少温度改变而造成的测量误差，由于考虑到这个设计是在室内测试的，并且超声波主要是用来实现规避故障的功能,对测量精准度的要求不高，故关于温度效应对于系统的影响主要问题在这里就不做更深入的探讨了。

4.衰减

传送到空气中的超声波强弱伴随着距离的改变而减弱,这是由于衍射现象导致的在球形的表面上产生的扩散损失，也是由于介质汲取最产生的损失。

如图9所示，当超声波的频率越高时，衰减的机率就越高，超声波的传播长短也就越短，所以能够看见超声波的衰减特征能影响超声波感应器的有效距离。

HC-RS04型超声波感应器的震荡频率是40KHz,传送10米超声波信号强度就衰减了

3.2.2 超声波的电器特性

1.声压特性

声压级（S.P.L.） 是用来表明音量的单位，利用以下的公式作为表示。

S.P.L.= 201ogP/Pre （dB）式中，“P”为有效声压（μ bar）, “Pre”为参考声压（2X10-4μbar）如图8所示为几种常用超声波传感器的声压图。

图8超声波传感器的声压图

      分析上面的研究结果可以看出超声波感应器工作在40KHz 范围里具备最大的声压级和最号的灵敏度,这指明白设计中选择合适的超声波感应器的方向 

3.3定时报警 电路

      报警的电路分成报警发声电路还有单片机控制电路。

它是能通过单片机的固定计时计数的功能来完成定时45分钟后并让报警电路去发出报警声,用来告知学生注意休息!

89c52单片机里含两个能编程的定时器或者叫计数器，能满足像对外部脉冲做一个记数，产生精准的定时时间，当做串行口的波特产生器等功能的需求，它们拥有两种工作模式和4种工作方式。

他控制字都在相对应的格外功能的寄存器中，通过编制它的特别功能寄存器，能够便利的选出相应的工作模式还有工作方式。

四、系统软件设计方案

如图9

图9

4.1安装步骤

      1.检测元件的好与不坏

      按照电路图买完元件以后第一要先检查买回来的元件的是否完好，再按照么一个元件的检测方法来逐一进行检测，注意一定要专注仔细。

并且需要专注核实原理图是不是一致的，然后在检查完好以后才能上件和焊件，以防出现错的焊件后不便利改正。

图10超声波测距子程序流程图

      2.放置、焊接各元件

      通过原理图的位置摆放每一个元件,然后在摆放的过程中需要先摆放然后在焊接比较低的元件，最终焊接比较高的和要求比较高的元件。

尤其是简单损坏的那些元件要最终再焊，当在焊集成芯片的时候接连焊接的时间不能超过10s，还要注意芯片安装的方向。

4.2 电路的调试  

wwOcR只首先导入显示程序，当控制液晶显示正常时。

说明显的示部分没有问题。

再加入超声波测量距离的程序，来调节超声波的敏锐度从而达到理想的效果。

在调节程序的时候，如果发觉有的指令使用的不对，就会导致电路功能不能实现，再有就是在软件程序中过长的延时和过短的延时。

这样的现象很多就不一一举例了。

总结

这篇文章的主要内容就是是电路的测试和调试的相关注意事项

参考文献

[1] 家庭电子1998年合订本. [J]1999. 212-214

[2] 康华光电子技术基础模拟部分. [M]北京:

高等教育出版社, 2005. 1-20[3]康华光.电子技术基础数字部分.[M]北京:

高等教育出版社,2005.40-60[4]电子工艺实习[J]成都，2003. 1-23[5]电子技术试验. [J]成都，2005. 1-20

[6]电子线路设计t试验测试第二版. [M]武汉:

华中科大出版社，2002. 1-40[7]赵健.有用声光电及无线电遥控电路300例.[J]北京:

中国电力出版社，2005. 90- 100

[8] 郑浩，高静.怎样用万用电表检测电子元器件修订本. [J] 北京:

人民邮电出版社，2005. 32 -66

[9]全新有用电路集粹编辑委员会编著.全新有用电路集粹，[W]北京:

 机械工业出版社，2006. 56-74

[10] 王新贤.通用集成电路速查手册第二版.[M] 山东科学技术出版:

社,22-57

[11] The Institute of Electrical and El ect ronics Engi neers, Inc. IEEEStd 802. 3, 2000 edition, 2000. 44-94