多功能视力保护器.docx
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多功能视力保护器
多功能视力保护器
【摘要】
现在这个社会近视的人越来越多了。
所以设计一个视力保护器是非常重要的。
本次毕业设计主要从单片机的知识层面出发，我把所学的课堂上所学到的理论知识运用到本次的毕业设计中，通过软件上不断的调试后，在硬件方面主要实现人在使用视力保护器的时候，脸部与桌面在距离50cm的时候，当下学习环境的亮度低于30%的时候，学习时间超过45min时，蜂鸣器皆会发出提醒。
关键词：
单片机；硬件；视力保护
1、绪论
1.1课题背景
现在这个社会是学生学习的压力越来越大。
在2016年09月时，某省关于青少年心理健康宣传月活动取得圆满成功，在本活动期间，有很多心理咨询专家在对大中小学生进行义务咨询时发现，有大概25%学生在与人沟通时表现出尴尬困难，近50%中小学生学习压力大。
想必大家都知道，现在很多工作均有明确的视力要求，而一旦近视，花再多的钱医治也不可能恢复原来的视力。
所以有一个好视力是多么的重要。
当今的中小学生作业繁多，学习压力巨大。
就保护孩子视力而言，拥有一个好的视力保护器是多么重要。
在整个大环境里，无论在哪里，青少年视力低下的现象都受到密切关注。
根据相关研究表明，我国小学生视力低下率为26%，初中生53%，高中生72%，大学生77%。
在这个调查中发现，更令人不可思议的是调查显示大部分的家长及学生本人在视力保护方面健最基本的知识都不了解，根本不懂得自己离近视越来越近。
因此绝大部分近视的学生不懂得如何保护自己的眼睛，更不要说有专业机构的治疗。
本次设计目的就是想通过用非医药的手段，在孩子们学习的时候，养成一个好的学习习惯，在根源上有效杜绝近视给人们身体带来的不好影响。
为了避免因长期使用不正确的读写姿势而导致近视问题。
本次的设计出发点很符合当下的趋势,从人们读写习惯出发,给出一个好的学习环境以及正确的坐姿，防止给人们的身心带来风险。
1.2当下视力保护器的趋势
根据设计之前的市场调研，现在很多的厂家都有生产一些保护视力的产品。
从整个市场看来，国内生产的视力保护器在功能方面还存在许多不足。
绝大部分的产品没办法全面的改善使用者的视力，只是起到一个辅助的功能，在我的设计理念里面。
一个好的视力保护器应能在很大程度上的纠正使用者在读写时候的不良坐姿。
从根本上有效的防止近视恶化这一问题。
视力保护这一方面在国外也获得到高度重视，可是他们更倾向于钻研造成近视的原因。
在美国大学某博士表示，吃新鲜果蔬和鱼能够在一定的程度上保护视力，降低发生近视的风险。
很多专家研究表明饮食营养搭配合理，以及正确的学习习惯跟环境，对眼睛的保护能够有很好的效果。
经过大量的市场数据证实，现今市场上没有一款真正意义上的多功能视力保护器。
大部分的产品都是侧重于辅助视力这一块，功效单一，不能从根本上的维护使用者的视力。
1.3设计要求
本课题设计主要以单片机为主要路线，在设计好相关的电路原理图以后，就可以开始买每个电路所用到的元器件了，在买元件的时候要注意所选芯片的性价比，为了防止一些元件买来以后自己用不上，不符合自己的要求。
有些电子元件应根据你所需要的参数先计算好后再选择，比如电阻、电容。
在经过多次的比较后，本课题的主要芯片选用STC89C52，在光线报警的时候选用光敏电阻来实现，检测坐姿的传感器用的是超声波传感器，蜂鸣器发声用来提示报警。
主要能实现以下功能：
1．当读写环境光线照度低于30%时,电路将发出声音报警提示；
2．当学习时间达到45分钟时,电路自动发出声音报警提示,提醒使用者注意学习过久适度休息；
3．当使用者脸部与桌面之间的间隔小于30CM时,电路将发出声音提醒；
4．光照强度的报警灵敏度可调；
5.电路安全可靠，稳定性好。
2、总体方案设计
本设计主要是通过单片机来控制。
光照强度信号的采集主要依靠光敏电阻来现，在光照强度不足30%时蜂鸣器发出报警。
利用超声波传感器来检测出人脸部与桌面的距离。
在正常坐姿的情况下，人的脸部与桌面的距离小于30CM时蜂鸣器发出报警声提醒。
设计框图如图1所示。
2.1硬件电路设计
2.1.1电源电路设计
由于本系统采用电池供电，有以下几种方案为系统供电。
（1）我一开始想到的是用12V蓄电池稳压后为作为电源装置。
因为它的整个驱动能力比较强能够带动整个系统，但是它有一个不好的地方就是体积过于庞大，在更换电池的是时候在成本上来讲比较不划算，在报警器实现上使用的时候比较不方便。
（2）因为系统的电源供电方面的要求不高，所以我想到了平常家里面用的干电池就可以用来当作电源模块啊。
我用了3节电池在经过多次验证后，所用的电压可以驱动单片机，能够满足系统的要求，更重要的是性能也很稳定，另外一个好处就是在换电池的时候比较容易成本也比较小。
2.1.2主控制器模块
（1）在本系统控制器这一方面，我先想到的是用可编程逻辑器件CPLD。
因为它在解决较为复杂的编程上很实用，在许多大规模控制系统上用的也是它。
可在本设计上在编程要求来说对逻辑功能的要求并不是很复杂，也不需要非常高的数据处理速度。
（2）在学过单片机以后就知道，51可以作为一个很好的控制元件，用它来实现对多功能视力保护器的控制，从整个设计上来看，主要是实现人的脸部与课桌的距离，光照强度的检测。
从这一方面看来，单片机的优势就表现的比较明显了，从各方面综合考虑我们选用STC89C5来作为本次系统控制的核心单元。
2.1.3光照强度检测模块
光照度传感器的选择
（1）在光照强度上来说因为所需要检测的是当我们在学习时候的一个环境的光照亮度。
如果用M124749作为光照度传感器的话，虽然它在这一方面有很好的电路模块技术，检测的范围广，稳定性比较好，但是有一个不好的地方就是它的价格比较贵，还不是很好买。
（2）在学传感器的时候我就知道光敏电阻的工作原理了。
所以在检测光照的时候我就想到了，能不能在这个设计里面，也用上光敏电阻，因为它的运用原理简单，在经过多次的调试以后，我发现使用光敏电阻，就能很好的满足我设计的目的，在整个环境光照的检测中，它能在实现系统功能时，价格便宜，性价比高，所以选用光敏电阻。
2.1.4报警提示模块
实现本设计的报警提醒功能的方法有许多，例如
（1）在报警提示这一模块上可以用语音报警模块，如果要用这个模块的话，它在芯片编程上的技术要求较高，虽然使用它能很好的实现报警功能，但是在整个设计成本的角度上来看它的价格昂贵编程还很复杂，不适合用在这个地方。
（2）我们平常在实验室里做实验的时候，一般都是蜂鸣器报警模块。
因为蜂鸣器个头会比较小在使用的时候比较方便，从应用的角度上来说它能很到的满足系统的需求，实现精确报警。
所以不论从成本上来说，还是在整个功能的实现上来讲，都可以选用它来做报警提示。
2.1.5坐姿检测模块
在检测使用者的坐姿是否正确方面，有以下两种方案
（1）可以用红外热释光传感器，在使用者用正确的坐姿开始学习的时候，打开视力保护器装置，它只要检测到在我们学习的过程中只要坐姿一发生变动，就会有高到低的电信号输出。
虽然它的灵敏度非常高，但不适合用于本次设计，因为如果采用它的话，人只要有轻微移动时，系统也会报警，假警报很多情况，因为每个人在学习的时候不可能是一动不动的，所以它不适合用在这里。
（2）在这个设计中主要测量人脸与桌面之间的间隔来确定座位位置，可以使用超声波传感器。
它在使用的时候操作简单，安装又方便，只要把对应的引脚放在对应的位置就可以了，它可以很好的实现系统功能，在人的脸部与桌面小于50cm的时候提醒使用者，所以我选用了它。
2.1.6显示模块
（1）前面谈到几个参数的检测，单单的检测是没有用的，还的把相关的数值显示出来，在整个数值的显示上，无非就是用数字管显示，或者是显示屏。
数字管显示的速度虽然快，但是它显示效果简单，不能表达良好的人机界面，所以我们放弃使用数字管显示。
（2）在数值的显示的这一方面，我选的是用LCD1602液晶显示器来完成。
LCD1602它显示清晰，在超声波检测出的距离，以及光照的强度数值，学习的时间数值，都可以在上面看到，让我们一目了然。
并且人机界面需要友好，所以我们选择了这个方案。
2.2最终方案
经过一系列的调试和仿真论证，我们最终确定了如下方案：
1、电源采用家里常用的5号电池
2、采用STC89C52单片机作为主控制器。
3、用光敏电阻检测光照强度。
4、用超声波传感器检测坐姿。
5、用LCD1602液晶显示。
6、用蜂鸣器提醒。
3、硬件实现及单元电路设计
3.1主控制模块
主控制最小系统电路如图2所示
3.2电源电路设计
我根据设计要求在多方面思考后，决定用下面这种电源供电方法。
原理电路如图3
3.3蜂鸣器驱动电路
蜂鸣器采用三极管驱动，驱动原理图如图4。
3.4按键电路
本在这个设计中我们选用的参数设定方式是用4个按键来完成所需要的参数设定，以及光照强度报警值参数的设定。
电路如图5
3.5光照强度检测电路
在本设计中用的是光敏电阻来检测所处学习环境的亮度值。
电路如图6所示
3.6液晶显示模块
整个数值的显示上用的是LCD1602液晶屏来显示，显示电路如图7
4、系统软件设计方案
在设计好硬件电路的框架设计好以后，就要解决编程方面的问题了。
我按照自己平常做实验时的编程想法，大致思路就是先确定好主程序，把主函数写好以后，根据每个硬件电路功能来设计子程序模块，编写子程序。
最后在把子程序与主程序相结合，这样编程的话不会让自己很乱，由于子程序模块与硬件电路是对应好的，所以在调试的时候如果有什么问题的话检查起来也比较方便。
程序框图如图8所示。
4.1系统主程序流程图
如图9所示为系统坐姿检测超声波测量人的脸部与课桌时的主程序流程图。
图9超声波测距子程序流程图
5、系统的安装与调试
5.1安装步骤
1.检查元件的好坏
欲先善其事，必先利其器，想要做好一件事情，规划非常的重要，来不得半点马虎，在事情的准备过程中要万分仔细，良好的开端是成功的一半。
所以我在设计好电路图以后，仔细检查了所买的电子元件是否符合自己设计要求的标准，查看电容、电阻等电子元器件的规格和参数是否符合自己的需要，检查焊锡、电烙铁、松香焊料等，是否都准备妥当，防止焊接的时候东找西忙。
2.放置、装配焊接各元件
在焊接这个过程当中，必须的万分小心。
因为在焊接的时候只要有一个电子元件焊错的时候，基本上整个元件电路就会出错，影响整个电路结果，更重要的是得不到你原先设计的系统要求。
所以在焊接的时候，为了防止出错不能凭大脑中的电路记忆图来焊接。
每一个元件都的按照所设计打印出来的原理图焊接，将相应的元件在放在对应的位置上。
还有一点值得注意的是，在焊接的过程中要注意一些比较脆弱的元件，防止它因温度过高而烧坏。
先焊接比较容易的地方，再焊接精度高的位置，还需防止虚焊，漏焊等问题。
5.2电路的调试
大家都知道现在的电子元件都是做好的，不需要花费太多的时间再去设计，所以在题目定好以后，自己设计基本原理图，用pcb画好图后，就可以在网上联系厂家制作你所画的电路板，在这个过程中，要注意一般的厂家都不会制作单块板。
一般都是10块以上，也为了防止自己在后面焊板的过程中，把电路焊错掉，能有其他的来代替，不至于又要重新联系厂家，花更多的时间再这上面。
在板的运用这个方面，需要注意的是，不能用洞洞板来当做设计板。
虽然可以实现功能，但是比较容易虚焊也不美观，每个老师的要求不同，在这方面我们要根据老师要求来走。
综合多方面来讲，在制版的时候应该准备多些电路板。
在pcb敷铜板、电子元件、等焊接工具都准备好后，就可以对着所设计的原理图开始焊接了。
焊接的时候要注意小心不能大意马虎，要一个个元件焊好才可以开始下一步骤。
整个设计过程中路调试这个过程会比较的繁琐，我们应该不厌其烦的反复调试直到达到我们的设计要求，坚持不懈的调试，电路调试的时候，因为还在学校，刚好就可以利用上学校的资源。
我都是在综合实验楼的5楼单片机实验室里进行调试，跟老师申请一下就可以了，这里设备也比较齐全。
在进行调试之前，把作品带过去以后，再把已经编写好的程序，烧写到仿真软件里就好了，在这个点上要充分注意到，程序的编译千万不能出错，最害怕的也就是这个了。
有次调试的时候，就因为烧写程序的时候，漏掉了一个分号，导致程序编译出错，因而之后的步骤就无法进行，更不要说都到仿真结果了，我将系统程序烧写到调试仿真软件，编译运行成功后查看结果是否符合设计要求。
在明显示系统程序内容正确时，然后加入超声测距程序，调整超声灵敏度，达到理想的效果。
因为先确定系统程序没出错以后，才能进行子程序的编译，这样做的目的是在程序出错的时候，不至于在大篇幅的程序中找错，为难自己。
在调试程序中，一些指令被发现是错误的，导致电路功能无法完全实现，除了软件程序外，有些延迟太长，有些太短。
只有在不断的调试过程中我们才能总结出问题出在哪里，不断的解决问题，达到我们的设计要求。
换个方面来讲，不管是在平常做实验的时候，还是现在做毕业设计，有问题的存在是很正常的，每次遇到问题，只要我们不逃避它，慢慢的总会解决的，只有不断的遇到问题，解决问题我们才能进步。
所以我们在这个电路调试过程中再怎么仔细也不为过。
结论
本次课题的设计在总体上实现了视力保护器的多功能报警，分别在使用者脸部与课本之间的间隔小于50cm，关照亮度过强或者过低，学习时间超过45min的时候会有蜂鸣器报警提醒，让使用者在正确的环境下，保持良好的坐姿学习，避免因不好的习惯而导致近视。
本文创新点：
从设计的出发点还看这一立意还是比较新颖的，把单片机的知识在我们日常生活中得到了应用，把课堂上的东西运用到了生活实际上面，利用光敏电阻电路来检测学习时候的亮度，用超声波传感的技术来帮助改善学生不良坐姿，矫正视力。
从很大的程度上，保护了使用者的视力。
应用的前景也非常好。
时间总犹如指间沙，悄然而过，流走了青春年华。
大学四年时间一晃而过，我们终将离开象牙塔步入社会这个大熔炉，这一过程中我们应当无所畏惧。
在面临毕业的时候，我知道以后的日子，不可能会一马平川，肯定会有风风雨雨，但是阳光肯定是最的。
就像在这次毕业设计一样，问题肯定会有的，不过不懂得地方，问同学，请教老师，都能解决的。
我坚信无论在日后的生活过程中，无论遇到什么问题，只要认定目标加上完整的规划，本着一颗执着的赤子之心，无惧走出象牙塔。
就想这次毕设一样，是的，没错，许多事情都不会一帆风顺，总会出现一些小插曲，不尽人意。
当是我们也不应该放弃，因为你从来都不是一个人，在校园里，有老师指导你，同学帮助你，走出象牙塔以后，有家人爱着你，朋友关心你。
就好比在这次做毕设的时候从指导老师一确定的时候，他就一直在帮助着我们，不管是在课题立意的时候，还是在设计硬件电路的时候，以及在调试出现错误的时候，老师总是耐心的教导着我们，一直默默的为我们付出，在写论文的时候老师也是不厌其烦的给组里每一同学讲如何立意以及论文的格式。
指导老师每天不但要给学弟学妹们上课，还的抽出休息时间来给我们讲毕业设计的各种问题。
每一个同学都一一讲过去，还教我们各种注意的事情。
在各种方面都给了我们很多指导，做了我们的好榜样，是我们的模板，传授给我们很多经验。
三尺讲台，奉献一生。
真的很感谢你们，你们是人类灵魂的工程师，在临近毕业的时候，我们就要离开校园，可能以后碰面的机会比较少，但无论以后我们走向何方，你们的教导会跟随我们一生，教我们做人做事的道理会永远伴随着我们，你们的教导将永远会留在我心中。
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