多功能视力保护器设计毕业论文.docx

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多功能视力保护器设计毕业论文

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摘要

青少年近视在我国已成为一个日益严重的社会问题。

近视作为一种现代通病，几乎没有办法根治它。

目前的激光切除手术其实是伤害了人体的自然完整，戕害着身心的健全。

于是，百年来人们沿用着“玻璃凹凸”的笨办法维系着人们对外界求索的目光。

研究表明，造成近视99％的原因，源自于孩子们平时读书、写字时坐姿不标准，导致眼睛距离书本太近所致。

本设计主要由三部分电路组成：

距离检测电路、光强检测电路、定时计时电路。

距离检测电路应用超声波反射原理，由发射器发出振荡脉冲，经反射后被接收器接收，再经放大电路将接收到的信号放大，驱动指示灯闪亮，实现距离检测和报警功能；光强检测电路应用光敏电阻的阻值随着外界光强变化，实现对环境光的检测作用，并提醒使用者调整光强；定时计时功能主要是应用CD4060芯片的计时功能实现的。

本人采用STC89C52单片机进行控制整个系统，使用光线自动调节功能，对亮度进行正确的调节；根据传感器来感知人体的位置，判断是否开关，或者是否发出相应警告纠正坐姿的控制方式。

关键词：

STC89C52；超声波；光敏电阻；CD4060芯片

Abstract

JuvenilemyopiahasbecomeanincreasinglyserioussocialprobleminChina.Asamoderncommondisease,myopiacanhardlybecured.Atpresent,laserresectionisactuallyharmfultothenaturalintegrityofthehumanbodyandthephysicalandmentalhealth.Therefore,forahundredyears,peoplehavebeenusingthestupidmethodof"glassconcaveconvex"tomaintainpeople'seyesofseekingoutsideworld.Researchshowsthat99%ofthecausesofmyopiaareduetochildren'ssittingposturewhenreadingandwriting,resultingintheireyestooclosetobooks.

Thedesignconsistsofthreeparts:

distancedetectioncircuit,lightintensitydetectioncircuit,timingcircuit.Thedistancedetectioncircuitusestheprincipleofultrasonicreflection,thetransmittersendsouttheoscillationpulse,whichisreceivedbythereceiverafterreflection,andthentheamplificationcircuitamplifiesthereceivedsignal,drivestheindicatorlighttoflash,andrealizesthedistancedetectionandalarmfunctions;thelightintensitydetectioncircuitusestheresistancevalueofphotosensitiveresistortochangewiththeexternallightintensity,soastorealizethedetectionofenvironmentallightandremindtheuserThetimingfunctionismainlyrealizedbythetimingfunctionofCD4060chip.IuseSTC89C52singlechipmicrocomputertocontrolthewholesystem,usetheautomaticlightadjustmentfunctiontoadjustthebrightnesscorrectly;accordingtothesensortoperceivethepositionofthehumanbody,judgewhethertoswitch,orwhethertosendoutthecorrespondingwarningtocorrectthesittingposturecontrolmode.

Keywords:

STC89C52;ultrasonic;photoresist;CD4060chip

第1章绪论

1.1  课题研究背景

青少年近视在我国已成为一个日益严重的社会问题。

近视作为一种现代通病，几乎没有办法根治它。

目前的激光切除手术其实是伤害了人体的自然完整，戕害着身心的健全。

于是，百年来人们沿用着“玻璃凹凸”的笨办法维系着人们对外界求索的目光。

经调研结果证明，大部分学生的近视眼是由学生平常学习的时候坐的姿势不标准，造成眼睛与书本之间的距离过于靠近。

而且很多学生在课堂上很自然而然就趴在桌子上看书，别人怎么说都不听，导致这个不良习惯一时间很难改变，这也是很多家长担心的地方。

结果还表明，有超过一半的学生和家长都欠缺有关如何保护眼睛的知识，不知道什么叫做近视与眼盲只有一步之差，再加上有四成以上的学生没有得到有效的矫正，同时又得到治疗。

经国家教育委员会决定，当学生在学习的时候，需要有一定的光照，而且眼睛需要与书本要有一定的距离，身体与桌子要有一拳的距离。

所以我们开始了探讨多功能视力保护器的实验。

利用一个适宜的学习环境与方法，来让学生在长期学习的过程中，可以保护好自己的眼睛，将一些近视、驼背等现象进行减少，用一些非常规的措施来戒掉这些不良的习惯。

1.2研究意义和目的

由于我们的实验设备的原因，所以在对多功能视力保护器的机器进行研发的时候，需要对一些硬件进行制造。

所以实验内容由两部分组成：

就是对视力保护器的硬件进行设计和实现。

在实验的时候需要考虑到怎样把视力保护和硬件调试的难点。

而设计实验硬件设备的时候，多功能视力保护器的电路需要利用到超声波技术的参与，也就是利用超声波接收头来对超声波信号进行改变，这样就可以达到利用声光就可以提示电路进行工作的要求，在经过多次实验可以得到，这个视力保护器可操作，可实现，操作起来非常简单，但是也存在一定的缺点，那就是缺乏光线控制报警，因为光线也是影响学生视力的一个原因。

这个实验利用的是这个电子硬件的基础知识来进行探讨的，可以帮助后期进行多功能视力保护器的研究，而且也可以为怎样提升视力保护的效果提供很大的参考价值。

因为国内外出现很大的需求，所以视力保护器在诞生阶段就备受关注，全球每个国家都有一些公司对此进行研发，希望在以后的某一天，视力保护器会有一个非常好的发展，这也可以造诣广大学生。

经历了这次实验，让我对我大学四年所学，所见，所想而做出了一次总结。

这也是我人生当中对大学的一个总结。

这个实验综合了多个学科的知识，有机械、编程等，可以很好的提高我的实践能力。

为以后的工作打下坚实的基础。

1.3  设计方案的提出 

这个设计选择的是STC89C52单片机来用作多功能视力保护器的中央处理器件,这个保护器利用的是光敏电阻来接收光线的，经过AD来感应光线的强弱，将光线的强弱分成很多级别，利用设定的报警级别来感应光照，从而发出报警信号。

还要通过超声波测距传感器来检测人与桌面的距离大小，如果小于设定值，则会发出警报。

利用单片机自带的定时器，可以当用户连续使用超过设定值，也同样会发出警报。

这个系统选择的报警电路是用三极管驱动蜂鸣器来制作的。

1.4本文的主要研究内容及论文结构安排

第1章.主要介绍本设计的课题背景及国内外研究状况；

第2章.主要说明系统方案的选择；

第3章.主要介绍硬件电路的组成及使用方法；

第4章.主要介绍软件设计；

第5章.主要介绍硬件调试；

第2章 总体方案的选择

本系统采用单片机STC89C52+LCD1602液晶+超声波模块+蜂鸣器+ADC0832+光敏电阻+按键而成。

2.1系统核心硬件的选择

在构造硬件电路之前必须明确设计的方案，尤其是模块与模块之间哪些互斥哪些互通要进一步规划好，进而选择合适的硬件设施。

2.1.1主控芯片的选择

方案一：

以单片机STC89C52用作核心控制芯片

STC89C52是宏晶科技公司的产品具有8K网络程序设计闪存的低功耗8cmos微处理器，STC89C52使用的MCS-51内核为加强版，加强后的MCS-51内核要比未加强的MCS-51的功能要多上许多，比如芯片具有4KEPROM存储器，并且与STC89C52芯片指令兼容，并且需要以电的方式存储数据，则可以直接使用内部存储器，而不必使用外部存储器芯片将其存储在其中。

它具有成本低、开发方便和线上编程和下载等优点。

方案二：

采用MSP430单片机作为主控芯片

1996年，德州仪器公司发布了一款MSP430单片机，也叫混合信号处理器。

它可以生成数字电路和模拟电路，还可以形成具有各种功能的处理器，多功能处理器的优点是功能强大，它能把多个模拟电路集成到一个芯片上，同样不同功能的微处理器也可以集成在一个芯片上。

MSP430虽为混合信号处理器，但它的能耗却很低，带有简单的命令集。

这种单片机发难度大，价格高，不被普遍采用，一般在用电池供电的便携仪器中用得比较多。

综上所述，之所以决定使用宏晶科技的STC89C52单片机作为主控芯片，这是综合考虑到了开发的难易度、成本以及资源的合理分配做出的决定。

2.1.2显示模块的选择

选择一：

显示设备配置的是LCD1602I液晶屏

LCD1602液晶屏的优点是能大范围的显示出各类字符，可以将16*2也就是32个字符全部显示出来，这些字符主要包括数字，字母，符号，自定义字符。

LCD1602主要用于小范围的显示场合，主要是5*7点阵组成的一个字符，其在数据传输主要是采用串行数据传输，因此看起来十分简单，这个显示器和市场上的显示设备HD44780液晶屏控制原理是一致的。

选择二：

选用LCD1602液晶显示设备

LCD1602主要表现是大屏，其显示的分辨率为128*64，一共具有8192个，由4位/8位串行和并行组成的液晶显示屏，其的主要接口比较简单，方便操作，可以在系统上表现是人机互动界面，这款显示设备显示信息量巨大，它显示的主要对象是8*4行16*16的点阵汉字，这样就能够对能源大大减少消耗，在显示功能上表现很全面，但是如果不全部用完就会造成空间的浪费，因此如果在设计不需要这么大的屏就不要用，不然造成成本上的浪费。

综合上述的描述，考虑到本设计显示内容比较少，最终选用LCD1602液晶显示屏来显示。

2.1.3坐姿检测模块

因为此保护器需要判断坐姿是否合理，所以列出一下两个方案：

方案1：

选用红外热释电传感器，红外热释电传感器可以灵敏地感应到红外线，若人坐姿正确，即可打开视力保护开关，若坐姿不正确，红外热释电传感器就会输出低信号。

若红外热释电传感器敏感度高，则对视力保护的作用不大，即使人发生一些很小的移动，保护器也会发出报警，所以影响不好。

只有当人坐着不动的时候，才能正常运行。

综上所述，红外热释电传感器不是多功能视力保护器的最佳选择。

因此放弃此方案。

方案2：

选用超声波传感器来进行检测。

超声波传感器可以利用人的脸与学习的桌子的距离来判断坐姿是否正确。

如果距离达不到设定值，就会发出报警。

这个传感器的质量小，个体小，且操作简单，成本低，可以很好地用作视力保护器，而且也符合实验要求。

综上所述，选择这个方案。

2.1.4 光照强度检测模块

光照度传感器的选择

方案1：

选用的光照度传感器的型号为M124749，此传感器是选择比较成熟的电路来进行开发，足以符合该实验对于光照测量的需求，还有一个原因是此传感器的输出功率相比而言更标准，个体更小，安装起来也是非常简单，有着很远的传输距离，能够很好的抵抗干绕，不过有个缺点就是成本很高且不容易购买。

方案2：

选用光敏电阻来测试光照强度。

光敏电阻的工作原理主要是利用光线照射，从而让电阻内的电子进行激发，然后转变成自由电子。

当光线照射的强度越大，自由电子的数量就越多，最后电阻就会更小。

这个光敏电阻有一个好处是，它里面的光电效应与电极没有什么关系，因此能够使用直流电源。

这个光敏电阻与灵敏度，半导体材料以及入射光的波长有关，价格又比较便宜而且性价比高。

对比上面的两个方案，方案一有着较好的线性度和准确度，不过缺点明显。

方案二则有着较好的性价比，它也能够达到系统开发的需求，综上所述，选择第二个方案。

2.1.6电源稳压电路设计

因为这个实验是选择用电池来进行供电的，所以列出以下方案：

方案1：

选用12V的蓄电池来作为系统的供电设备。

蓄电池有着很强的驱动电流能力，并且输出的时候十分可靠。

它的缺点就是个体太大，当出现问题的时，更换的成本非常高，在视力保护器里使用不太合适。

因此我们决定放弃这种方案。

方案2：

选用3节1.5V干电池来作为系统的供电设备。

它也能提供单片机的电压，经实验验证，系统在运作时，单片机、传感器都能够达到系统的需求。

当电池出现问题的时候，更换也非常简单。

综上所述，选择的是方案2。

2.1.7语音模块

语音模块用的是WT588D语音芯片（单片机）。

正常情况下这款语音芯片是利用当从片发声的，有非常多的输出、输入接口，又拥有外置FLASH存储器，完全符合一台FLASH单片机的配置。

WT588D的性能好，使用起来又相对简单。

这款和51单片机有相同之处。

WT588D语音芯片是广州唯创与台湾华邦合作研发的，其优点是可重复擦除烧写的语音单片机芯片，用处非常大。

2.1.8报警模块的选择

方案一：

采用语音报警模块

语音报警，表面上看起来是方便的，但是编程上相对比较复杂。

方案二:

发光二极管和蜂鸣器作为报警模块

该方案编程简单，利用声光相结合不仅降低人工成本，还能及时的反馈用户信息。

综上所述，最终还是决定采用发光二极管和蜂鸣器作为报警模块。

2.9智能蓝牙台灯方案的确定 

1.STC89C52单片机上带有两种电路，一种是复位电路，另一种是晶振电路。

其中复位电路也分为两种，手动和上电模式。

2.其中有三个功能，第一种是利用超声波来进行测量距离，第二种是用光敏电阻来检测光照强度，第三种是设置定时报警装置提醒学习时间。

3.不仅能利用超声波的感应范围来改变测量的距离，还能利用光线的强度差异来调节光敏电阻的阻值，而且能利用学习时间的多少自定义报警时间。

4.当超声波感应到人体的面部和桌子的距离小于安全值时，便会使用声光提醒使用者及时改变坐姿。

5.会自动检测学习、工作环境光线的强度，一旦发现光线强度过高、或者过低便会发出声光警报来提醒使用者需要及时改变光照的强度了。

6.学习、工作的时间可以自动进行计时，一旦时间比设定值久，就会发出声光来提醒使用者该休息了。

第3章硬件设计

3.1单片机及最小系统

3.1.1STC89C52单片机的介绍

●我所用来作为电路控制核心处理器的STC89C52是Atmel公司专为单片机研发的芯片，此芯片是运用高密度非易失性存储器，成本低能源消耗低的控制器。

存储空间为8K,空间相对比较大。

可进行编程的控制芯片，STC89C52被人们广泛的运用于各方面。

在本小节中将对STC89C52的引脚结构进行挑选式讲解其中的一部分来说明该芯片的运用方式。

引脚结构如图3-1所示：

图3-1STC89C52引脚结构

VCC:

电源

GND:

地

如图所示，P1.0与P1.2是外输入引脚，P1.0/T2是触发输入引角，其它引脚号的功能请对照下表。

引脚号

第二功能

P1.0

T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1

T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5

MOSI（在系统编程用）

P1.6

MISO（在系统编程用）

P1.7

SCK（在系统编程用）

P3口除了本身所具备的功能外还可以作为STC89C52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。

引脚号

第二功能

P3.0

RXD（串行输入）

P3.1

TXD（串行输出）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断0）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器1外部输入）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器写选通）

RST:

是电路的复位输入。

能够在看门狗计时完成后对其进行复位操作。

3.1.2STC89C52单片机的最小系统

对于整个单片机系统的设计，主要是各个部件的设计和安置需要深入分析，整个系统主要是两种只有两种电路，一种是复位电路，另一种是时钟电路电路复设计了两种复位模式，一种是自动复位一种是按键复位。

使用的电路设计相对是比较简单的，并且容易操作，出现问题也比较容易解决。

这种复位方式是通过将电源VCC与RST端经电阻作为连接而接通电路来实现其功能的。

主要是让整个系统保持独立工作不受外界影响，就需要对时钟电路分外看重。

时钟信号的控制是本次设计的首要选择，能够及时反映出个部件的运行情况。

而内部时钟跟外部时钟是时钟电路设计的两种基本形式。

针对这次的研究，我们利用的是时钟电路中的内部时钟电路，这种电路能够及时准确的显示各部件的工作情况。

下图所示是单片机中最小工作系统的电路设计图

3.4图呈现的是STC89C52单片机最完整的最小系统电路详细设计图

然后晶振电路中的输入是XTAL1，输出是XTAL2，主要被设置在内部电路振荡器上面，进行内外部的驱动信息的转化，根据图3.2可以知道，本次研究主要是利用利用震荡电路的原理结合时钟模式把XTAL1、XTAL2接上能够设定时间的元件，一般是晶体和电容，通过电路输送进行振荡反应，晶振的频率如果越来越高，那么消耗的电能也越来越大。

工作正常时，晶振的频率选择范围在1.2MHz到12MHz之间，但也有可能会超出这个范围，比如频率翻翻甚至更高的情况出现。

由于AS608温湿度传感器识别识别模块与单片机直接采用的是串口方式进行通讯，而选用11.0592MHz晶振可以产生9600波特率0%误差，主要采用的11.0592MHz的石英晶振。

电容的主要作用在于削弱晶振，降低频率。

石英材质的晶振电容的选择范围在20~40pF的区间，本次实验选的是范围内的中间值30pF，而陶瓷材质的谐振器选择范围却要比石英要大些，在30~50pF这个区间

图3.2晶振电路

对于整个复位电路的设计，主要是自动和手动两种方式。

图3.3中所示的复位电路既有手动也有自动。

当接上电源的时候，电容的负极和RESET相连，电阻有电压通过，当RESET的一端输入高电平的时候，整个芯片就会被还原位置。

然后芯片还是处于不断的工作当中，当加大电源的时候，电压就会逐渐变小并接近于0。

由图可以知道，复位按键跟电容是并联在一起的，一旦复位按键没有被启动，那么整个电路就不能连通。

就是说只有接通芯片运行正常，开关闭合后，若电平达到10ms以上，单片机复位键会自动闭合，电路处于连通状态

图3.3复位电路结构图

3.1.3　主控模块电路原理图

DHT11传感器把收集到的数据信号传递给单片机主程序，单片机再把收到的信号进行加工，然后把加工好的信号传递给显示设备，至此，系统完成数据接收、加工、发送的整个流程。

然后启动报警系统，再连接蜂鸣器报警，系统完成。

结构如下图所示。

图3.6STC89C52模块电路设计结构图

3.2LCD1602液晶显示模块

LCD按显示内容分为两种，一种是显示字段，另一种是显示字符。

显示字段时，只要把需要显示的信号输送到与其对应的管脚处就行，这点与LED的字段显示操作近似。

字符显示则是看个人需求。

此次设计运用的就是按需显示的字符显示方式。

本系统的显示设备为LCD1602显示器。

对比过去的数码管显示器LED,LCD1602显示器优势明显，它整体结构轻便小巧，耗能小，显示的内容更加的丰富多彩，当然，最明显的优点是没有额外增加的驱动电路，如今LCD显示设备已经替代LED屏成为了通用的显示设备。

二、LCD1602采用的是标准的十四脚，它的接口引脚的功能有以下八点：

（1）第一脚：

VSS是地电源。

（2）第二脚：

VDD是接5V的正电源。

（3）第三脚：

V0是液晶显示器对比度的调整端。

（4）第四脚：

RS是寄存器选择，高电平时选择数据寄存器和低电平时选择指令寄存器。

（5）第五脚：

RW是读写信号线，高电平的时候进行读的操作，低电平时进行写的操作。

当RS和RW同时是低电平时，可以写入指令或者显示地址，当RS是低电平RW是高电平时，可以读忙信号，当RS是高电平RW是低电平时，可以写入数据。

（6）第六脚：

E端是使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

（7）七到十四脚：

D0～D7是8位的双向数据线。

（8）十五、十六脚：

是空脚。

3.2.1　1602液晶显示模块电路原理图

液晶显示模块：

主要功能是依据液晶它本身的性质，然后用电压来控制相应的显示区域，一旦有电压到达的地方，它就会发出亮光，那么它就会得到相应的图像。

由于液晶显示器的有不一样厚度、不一样分辨率特点，最后呈现出来的图像，其清晰度也会随之变的不一样，现在液晶显示器已经遍布电视、电脑以及手机等多个领域。

图3.71602显示模块

其实物图如下图所示。

LCD1602液晶实物图

3.2电源电路设计

供电电源采用7805稳压芯片稳压成5V给传感器，单片机供电。

电路如图3

图3电源电路

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。

图4L298N引脚图

3.4按键电路

系统采用4个按键来设定参数，和设定光照强度报警值。

电路如图5

图5按键电路

3.5光照强度检测电路

光照强度的检测是通过光敏电阻来进行感应的，一旦光线强烈程度不一样，对应的阻值也会变得不一样，最后得出的电压也随之不一样。

通过AD收回来之后能够知道每种光照下的数值。

最后得到最适合的光线强度警报值。

电路如图6所示

图6光照采集电路

3.6语音模块

WT588D的特性：

1.外挂2M～32M的Flash，时间从32—1054秒。

掩膜为内置ROM，最长支持400秒（@6K采样）。

采样率支持6K～22K

2.DAC输出：

13Bit，PWM输出：

12Bit

3.内置0.5W功放，可直接推动0.5W/8Ω扬声器

4.支持加载MP3/WAV/WMA三种音频格式

5.工作电压：

DC2.8V～5.5V

6.静态休眠电流：

<10uA

7.可通过电脑软件，随意组合语音，可插入静音，插入的静音不占用内存的容量，一个已加载语音可重复调用到多个地址，重复调用的，不占空间，这是其它芯片所不具备的

8.USB下载方式，支持在线下载/ISP下载

9.7种控制方式：

MP3控制模式、按键控