视力保护器的设计.docx

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视力保护器的设计

毕业设计

题目视力保护器的设计

学生姓名学号

所在学院物理与电信工程学院

专业班级通信1201班

指导教师

完成地点物电学院实验室　　

2016年６月５日

陕西理工学院本科毕业设计任务书

院（系）物理与电信工程学院专业班级通信工程（通信1201）学生姓名

一、毕业设计题目视力保护器的设计

二、毕业设计工作自2015年12月22日起至2016年6月18日止

三、毕业设计进行地点:

物电学院实验室

四、毕业设计应完成内容及相关要求：

为了保护青少年的视力，现如今越来越多的公司都在研发生产各种视力保护产品，国内主要有眼保姆，坐姿矫正器和各种护眼灯；国外有法国艾斯布鲁斯研发的光明天使博士镜，以及美国眼科专家威廉贝茨研发的阿瞳二代产品。

但这些产品功能单一，不能满足消费者的个性化需求。

针对这一问题，提出将单片机与视力保护相结合，利用单片机芯片的智能处理功能，结合超声波测距原理，光敏电阻随光强变化的特点，设计一个多功能视力保护器。

该设计的技术要求是当学习时间超过45分钟时，产生声光报警，提醒学生注意休息；当光线过强或过暗，产生声光报警，提醒学生在适合的光照环境下学习；当测量的距离小于设定值，产生声光报警，确保学习时眼睛和书本保持一定的距离，从而保护视力。

五、毕业设计应收集资料及参考文献：

1、应收集与课题相关文献12篇（其中包括一篇英文文献），文献的发表年限应为2010年至2016年；

2、除了文献之外，所参考的书目不能超过3篇；

3、所有的参考资料要留存电子版，在交论文时一并打包交予指导教师。

六、毕业设计的进度安排：

1、必须查阅大量资料（包括一定数量的外文资料），了解课题的研究背景、意义，熟悉设计中要用到的相关电路知识；完成开题报告；并完成一篇外文文献的全文翻译工作；（1月1日－3月18日）

2、进行系统的概要设计；（3月19日－4月10日）

3、熟悉设计软件，并提交中期报告；（4月10日－4月20日）

4、系统的设计与实现；准备作品的验收；完成论文第一稿；（4月21日－5月10日）

5、根据要求对对论文及作品进行完善，完成论文第二稿；（5月11日－5月20日）

6、制作答辩PPT，准备答辩材料，准备答辩，并完成后续工作；（5月21日－6月10日）

7、必须定期与指导老师见面，汇报进展情况，按时完成论文的撰写工作。

指导教师签名专业负责人签名

学院领导签名批准日期2016-01-10　

视力保护器的设计

（陕西理工学院物理与电信工程学院通信工程专业,1201班陕西汉中723000）

指导教师：

[摘要]随着社会电子产品的日益增加，视力保护已成为人们共同关注的话题。

为了达到人们对视力保护的要求，设计了一种基于单片机的多功能视力保护器。

利用超声波测距、光敏电阻感应光线强度、STC89C52单片机进行定时以及1602液晶显示等技术，就视力保护器的理论与硬件的设计进行了研究。

通过试验证明该视力保护器可实现超距报警、光线强度报警以及定时报警功能且可靠性良好，使用方便、易于实现。

[关键词]视力保护器;超声波;传感器;STC89C52

Thedesignofthevisionprotector

LiuShaoshuai

（Grade 2012,Class 01,Major in Communication Engineering,School of Physics and Telecomm-unication Engineering of Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,Shaanxi）

Tutor:

LiuYafeng

Abstract:

Withtheincreasingofsocialelectronicproducts,visionprotectionhasbecomeatopicofcommonconcern.Inordertomeettherequirementsoftheprotectionofvision,amultifunctionvisionprotectormustbedesignedbasingonsinglechipmicrocomputer.Thetheoryandhardwaredesignofthevisionprotectorarestudiedbyusingtheultrasonicranging,thelightintensityofthephotosensitiveresistance,theSTC89C52singlechipmicrocomputerandthe1602LCDdisplaytechnology.Thetestprovesthatthevisionprotectorcanrealizethesuperdistancealarm,thelightintensityalarmandthetimingalarmfunction,andhastheadvantagesofgoodreliability,convenientuseandeasyrealization.

Keywords:

visionprotector;ultrasonicwave;sensor;STC89C52

引言

由于数码科技产品的不断进步，我们的视力急剧下降。

学生近视在我国已成为一个日益严重的社会问题。

一旦近视，花再多钱去治疗都是不可能恢复到最初的视力。

统计显示，中国学生的视力低下，初中生是53.43%，高中生是72.8%，大学生是77.95%。

超过50%的学生和家长缺乏视力保健的最基本的科学知识，不了解“近视与盲的距离只差一步”，41.6%的视力不好的学生没有采取任何纠正措施并缺乏专业治疗。

研究表明，99%的近视原因是儿童阅读、写作的坐姿不正确导致视力下降。

大多数孩子喜欢趴在桌上书写，教师和家长对孩子屡教不改，这一直是令老师和父母头痛的事[1]。

在国内外，许多电子公司有自己生产的视力保护装置。

国内在这方面的研究现状是：

国内生产的视力保护器，被称为坐视宝，它能有效地在不当的坐姿情况下声音提示用户矫正坐姿，可以正确的阅读、书写。

总体来看，国内生产的视力保护装置的功能特点是比较简单的，但它不能很好地满足用户的需求。

国外也致力于对视力的保护研究，但更侧重于研究近视的原因。

德克萨斯大学西南医学中心的博士，他说，吃鱼和新鲜蔬菜能保护视力，降低近视的发生概率。

他们认为，通过适当的饮食和营养搭配和正确的学习习惯，对视力的保护能起到事半功倍的效果，但现实是事与愿违。

因此，设计一个能多方面保护视力的视力保护装置是很重要的。

基于以上所述的特点，展开了研究，此次设计是在现有硬件平台的基础上，主要实现了硬件的开发与设计，并完成了相应的硬件制作。

研究内容分为两个部分：

视觉力保护器的硬件设计和硬件制作。

在设计中如何有效的提高视力保护以及对硬件电路准确调试是本次设计的难点。

在硬件设计上，基于超声波技术的设计实现了对多功能视力保护器的距离控制，光敏电阻对光线感应进行控制，单片机对时间进行控制。

对工作的理论研究具有一定的指导意义[2]。

现在很多国内外市场的需求，视力保护器才刚刚开始，有很大的发展空间，在这方面的研究在各个国家的许多公司都在进行，未来的视力保护器能对中小学生进行基本的保护，我相信可以得到很大的发展。

对于单片机的智能处理功能来说，这次设计,使用理论计算和实验验证相结合的方法，单片机芯片为主要部分的主体电路。

第一步是对各部分电路进行设计，并选择合适的元器件。

在选择元器件时，主要看的是芯片的性价比，对于电阻、电容等常用元件要先进行参数计算再选择。

第二步是设计整个电路，并在计算机上对各单元电路进行相应功能的调试仿真。

其中单片机芯片选用性价比较高的89C52型，光线报警选用光敏电阻，报警发声系统选用蜂鸣器。

在设计中利用89C52型单片机的定时功能即P3.4和P3.5的T0和T1，利用单片机的C语言编程[3]。

本次毕业设计的研究内容是设计一个多功能视力保护器。

它有以下功能：

1）当用户脸部与桌面之间的距离小于30CM（可调）时，电路发出声音提示。

2）当用户在读写环境光线照度不足时，电路将发出声音提示。

3）当连续用眼时间达到45min（可调）时，电路自动发出声音提示，提醒使用者休息。

4）单片机的主频为6KHZ；电路测光报警灵敏度可调。

5）电路可靠，要求能够实现相应的功能。

1硬件设计

1.1系统硬件设计

1.1.1电源稳压电路设计

方案一：

采用12V蓄电池稳压后为系统供电。

电池具有相对较强的电流驱动能力和稳定的电压输出性能。

但电池过大，更换成本高，在使用报警装置时不方便。

所以我们放弃了这个计划。

方案二：

使用USB做为单片机，传感器的电源。

经过测试和验证，单片机和传感器的工作电压可以满足系统的要求。

综上所述采用方案二。

1.1.2主控制器模块

方案一：

采用的可编程逻辑器件CPLD作为控制器。

CPLD可以实现复杂的逻辑功能，而且还有许多其他优点，如体积很小、密度很高、稳定性良好、功能扩展很方便。

采用并行输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合于大型控制系统的控制系统。

但从经济的角度来看，我们必须放弃这个计划。

方案二：

使用STC89C52单片机作为整个系统的核心，系统采用STC89C52单片机作为多功能视力保护控制单元的核心，我们系统全面的分析，关键在于系统实现自动报警，提醒和处理超声波信号和光强信息，在这一点上，芯片显现出它的优势，控制简单，方便，快捷。

其结果是，单片机可以充分发挥其能力，具有更强大的控制功能和可寻址的操作功能，价格低廉等优点。

STC89C52单片机具有强大的位操作指令和I/O端口可以按位寻址，程序空间高达8K。

对于本次设计是绰绰有余的，更可贵的是STC89C52单片机，价格很低[4]。

因此，该方案是一个理想的方案。

从使用的角度来看，我们选择了方案二。

1.1.3光照强度检测模块

光照度传感器方面的选择。

方案一：

光照度传感器M124749。

采用先进的电路模块技术的发射机发展的照度传感器，用于环境照明测量，输出标准电压和电流信号，体积小，安装方便，线性度好，传输距离远，抗干扰能力强，可调范围。

但价格昂贵，而且不容易买。

方案二：

使用光敏电阻。

光敏电阻的工作原理是当光照射时，内部电阻已处于稳定状态的电子激发并变成自由电子，所以光是强的，自由电子产生的就越多，电阻就越小。

光敏电阻的优点是具有光电效应的内部和电极独立（光电二极管有关），可以使用直流电源。

灵敏度和半导体材料，低价格。

对比以上两种方案相比，该方案具有较好的设计精度和线性度，但成本不如光敏电阻好。

方案二具有较高的性价比，同时能满足系统的设计要求，所以选择光敏电阻作为一个光传感器。

1.1.4报警提示模块

方案一：

使用语音报警，可实现语音提示，提醒用户进行休息，以及是否是正确的姿势，直接清晰。

虽然使用语音提醒有很多优势，但语音芯片编程需要专业的程序员，复杂程序，不适用于视力保护器的普及。

经过全面的比较，我们放弃了计划。

方案二：

蜂鸣器报警。

蜂鸣器，体积小，重量轻，组装简单，使用方便，价格实惠，对促进视觉保护设备的普及有一个很好的优势。

能更好的满足系统的要求，所以我们选择了这个方案。

1.1.5坐姿检测模块

本系统需要检测坐姿是否正确，我们选了两种方案

方案一：

利用红外热释电传感器，红外热释电传感器的红外感应敏感，当坐姿良好，然后打开视力保护器，如果姿态变化电传感器将有一个高到低的电信号输出。

虽然红外热释电传感器的灵敏度很高，但它并不适用于视觉保护器，当人们只是轻微的运动的眼睛保护器会报警，产生大量的误报。

红外热释电传感器不适用于多功能视力保护器的坐姿检验，除非该人坐在那一动不动。

经过综合考虑，我们放弃了此方案[5]。

方案二：

用超声波传感器检测。

通过测量人的脸和桌面之间的距离确定坐姿。

若距离小于30cm，则报警。

超声波体积小，重量轻，使用方便。

价格低廉，对于促进视觉保护设备的普及有一个很好的优势。

能更好的满足系统的要求，所以我们选择了这个方案。

1.1.6显示模块

方案一：

用数码管显示。

数码管显示的速度快，使用不但简单，而且显示的效果简洁明了，但显示较单一，而且不能表达出很好的人机界面，因此我们放弃了用数码管来显示。

方案二：

用LCD1602液晶显示。

LCD1602因为其显示清晰，显示的内容丰富、清晰，显示的信息量大，使用方便，显示快速而得到了广泛的应用。

对于此系统我们需要显示的内容丰富，人机界面需要友好。

综上我们选择方案二。

1.2最终方案

经过反复论证，我们最终确定了方案：

1）用USB供电；

2）用89C52单片机作主控制器；

3）用光敏电阻检测光照强度；

4）用超声检测坐姿；

5）用LCD1602液晶显示；

6）用蜂鸣器提醒。

硬件主要是基于89C52单片机、超声波测距报警电路、光报警电路，定时报警电路等。

使用单片机语言编程。

图1.1是系统设计的基本框图。

图1.1系统设计基本框图

1.3STC89C52单片机

STC89C52单片机包括中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时器/计数器、并行接口、串行接口和中断系统单元和数据总线，地址总线和控制总线和总线[6]。

1.3.1单片机管脚及功能

STC89C52单片机的管脚图如图1.2所示，其功能如下所述。

图1.2STC89C52单片机的管脚图

其中，各引脚的功能为：

1）主电源引脚

VCC（40脚），接＋5V电源正端。

GND（20脚），接＋5V电源地端。

2）外接晶体或外部振荡器引脚

XTAL1（19脚），接外部晶振的一个引脚。

在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。

当采用外部振荡器时，此引脚应接地。

XTAL2（18脚），接外部晶振的另一个引脚。

在片内接至反相放大器的输出端内部时钟电路的输入端。

当采用外部振荡器时，此管脚接外部振荡器的输出端。

3）控制信号线

RESET（9脚），复位信号输入端，复位/掉电时内部RAM的备用电源输入端。

ALE（30脚），地址锁存允许/编程脉冲输入，用ALE锁存从P0口输出的低8位地址。

在对片内EPROM编程时，编程脉冲由此输入。

PSEN（29脚），外部程序存储器读选通信号，低电平有效。

EA（31脚）,访问外部存储器允许/编程电压输入。

EA为高电平时，访问内部存储器；低电平时，访问外部存储器。

4）多功能I/O口引脚

8052单片机设有4个双向I/O口（P0、P1、P2、P3），每一组I/O口线都可以独立地用作输入或输出口，其中：

P0口（32～39脚），双向口（三态），可作为输入/输出口，可驱动8个LSTTL门电路。

实际应用中常作为分时使用的地址/数据总线口，对外部程序或数据存储器寻址时低8位地址与数据总线分时使用P0口，先送低8位地址信号到P0口，由地址锁存信号ALE的下降沿将地址信号锁存到地址锁存器后，再作为数据总线的口线对数据进行输入或输出。

P1口（1～8脚），准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。

用作输入线时，锁存器必须由单片机先写入“1”，每一位都可编程为输入或输出线。

P2口（21～28脚），准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。

可作为输入/输出口，实际应用中一般作为地址总线的高8位，与P0口一起组成16地址总线，用于对外部存储器的接口电路进行寻址[6]。

P3口（10～17脚），准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。

双功能口，作为第一功能使用时，与P1口一样；作为第二功能使用时，每一位都有特定用途，其特殊用途如表1.1所示。

表1.1P3口第二用途

端口引脚

第二功能

注释

P3.0

RXD

串行口数据接收端

P3.1

TXD

串行口数据发送端

P3.2

/INT0

外中断请求0

P3.3

/INT1

外中断请求1

P3.4

T0

定时/计数器0外部计数信号输入

P3.5

T1

定时/计数器1外部计数信号输入

P3.6

/WR

外部RAM写选通信号输出

P3.7

/RD

外部RAM读选通信号输出

（1）STC89C52

STC89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的STC89C52单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合。

STC89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线。

STC89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

（2）主要功能特性

1）兼容MCS51指令系统；

2）8k可反复擦写（>1000次）FlashROM；

3）32个双向I/O口；

4）256*8bit内部RAM；

5）3个16位可编程定时/计数器；

6）时钟频率0～24MHz；

7）2个串行中断；

8）可编程UART串行通道；

9）2个外部中断源；

10）共8个中断源；

11）2个读写中断口线；

12）3级加密位；

13）低功耗空闲和掉电模式；

14）软件设置睡眠和唤醒功能[7]。

1.3.2单片机最小系统

STC89C52的最小系统如图3.2所示。

整个最小系统由三个部分组成：

晶振电路部分、复位电路部分、电源电路等三个部分组成。

晶振电路包括2个30pF的电容C2和C3，以及12M的晶振X1。

电容的作用在这里是起振作用，能够帮助晶振更好的起振，取值范围是15-33PF。

晶振的取值也可以是24M，晶振的取值越高，单片机的执行速度越快。

在进行电路设计的时候，晶振电路越靠近单片机越好。

复位电路由10uF的极性电容C1和10K的电阻R4构成。

利用电容电压不能突变的性质，可以知道，当系统一上电，RESET脚将会出现高电平，并且这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。

典型的51单片机当RESET脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位[8]。

最后一个是电源部分，采用5V的USB直接供电，可采用手机充电器、电脑USB口、移动电源等设备进行供电。

此外，除了单片机最小系统的3个部分之外，这里还多了一些外部电路。

由于STC89C52的P0口是漏极开路输出，因此在P0口接了一个10K的排阻R1，使得P0口可以作为普通的I/O口使用，本设计用P0口来做液晶的数据口。

特别注意的是，对于31脚（EA），当接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行；当接低电平时，复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。

由于我们的程序存储在了单片机内部，所以EA要接高电平，保证单片机是从内部读取程序去执行的。

单片机最小系统如图1.3所示。

图1.3单片机最小系统

1.4超声波测距报警电路

1.4.1超声波的工作原理

超声波模块使用的HC-RS04超声波，此模块可以提供非接触式距离传感功能范围是2cm-400cm，测距的精度可达3mm。

该模块包含了超声波发射器、接收器和控制电路。

基本工作原理：

利用IO端口触发位置，给其至少为10us高电平信号；模块自动地发送40kHz方波，并自动检测是不是有信号回来；有信号回来的话，通过IO端口输出高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到回来的时间。

测试距离=（高电平时间*速度（340m/s））/2。

如图1.3所示，只需要提供一个脉宽10us以上的触发信号，该模块将发出8个40kHz的周期电平和回波检测。

一旦检测到有回波信号的话，就会输出回波信号。

回波信号的脉冲宽度和所测量的距离是成正比的。

从这个信号接收到回波信号的时间间隔可以计算得到的距离[9]。

当距离小于设定距离时，报警电路被触发工作，并且声音提醒学生坐直，达到保护学生视力的目的。

图1.3超声波时序图

1.4.2超声波的基本特性

超声波是在弹性介质中的一种机械振荡，他的振荡频率超过20kHz，分为两种方向振荡：

横向和纵向振荡，超声波在气体、液体和固体中都可以传播。

它有折射和反射现象，并且在传播过程中是有所衰减的。

超声波的特性所述如下：

1）波长

波的传播速度是频率乘以波长。

电磁波的传播速度为3×108米/秒，但在空气中的声波传播速度却很慢，约344m／s（20°C）。

这个相对较低的传输速度，波长是非常短的，这意味着该分辨率的距离和方向可以得到。

正是由于这种高分辨率的特性，使得它可以在测量中获得很高的精度。

2）反射

为了检测一个对象是否存在，超声波可以在对象上得到反射。

因为许多的物品都可以反射近100%的超声波，所以我们可以很容易地找到这些对象。

因为布、棉、毛等都可以吸收超声波，就很难用超声波来检测。

与此同时，由于不规则的反射通常是很难检测的，凹凸的表面和斜坡表面的对象。

这些因素决定了理想的超声检测环境是在开放的地方，测试对象必须是反射超声波[9]。

3）温度效应

声波传播速度可以用以下公式表示。

C=331.5+0.607t（米/秒），T为温度（C），也就是说，周围温度变化时声音传播的速度是不同的。

因此，要精确地测量对象的距离，就要经常检查环境温度，尤其是在冬天的时候，因为室内外温差较大，对超声波测距精度的影响较大，在这个时候可以采用18B20作为温度补偿以此来减少由于温度变化而引起的测量误差，在房间里，超声波主要用于实现避障功能，考虑到测试环境的设计，对测量精度要求不高，所以温度对系统的影响问题不需要深入探讨。

4）衰减

超声波在空气在空气中传播随着距离变长而减弱。

这是因为衍射现象所引起的球面扩散损失，而且还因为介电吸收的能量产生的吸收损耗。

超声波频率越高的话，衰减率随之越高，超声波传播距离越短，这说明超声衰减特性直接影响到超声波传感器的有效距离。

HC-RS04型超声波传感器的振荡频率是40kHz，10米的传播会衰减到40个声压级。

此时，超声波接收探头将会很难接收到回波信号[10]。

1.5光线报警电路

该模块的电路分为光敏电阻控制的电路和声光报警电路。

它的功能是完成由光敏电阻控制的电路发出脉冲仅当条件满足时，这个脉冲作用在89C52单片机P1.0端口上，通过检测P1.0端口是不是高电平，通过中断控制P1.1口给出满足探测电路的脉冲，然后由发声电路声音提醒学生认为光线太暗，需要调节灯光亮度，从而保护学生视力。

图1.4光敏控制电路

图1.4为光敏控制电路原理图。

若有较强的光照射在光敏电阻上时，光敏电阻的阻值变低，输出高电平，这个是模拟信号，它经过ADC0832转换成数字信号然后经过反向器传给89C52，传过去的信号是低电平，说明光线输出正常时输出的信号为低电平；当光较弱时光敏电阻阻值无穷大，此时是低电平，相同的经过反向器作用输出电压为高电平。

反馈到89C52上，触发蜂鸣器报警[11]。

1.6定时报警电路

报警电路分为单片机控制电路和报警电路