视力保护器的设计和实现 电子科学技术专业

目录32528_WPSOffice_Level21绪论 327999_WPSOffice_Level22总体技术方案 412189_WPSOffice_Level22.1技术方案比较 48467_WPSOffice_Level12.2总体技术方案 66931_WPSOffice_Level23硬件系统设计 630348_WPSOffice_Level23.1硬件总体原理框图 631651_WPSOffice_Level23.2关键元件介绍 729128_WPSOffice_Level23.3电源电路设计 727999_WPSOffice_Level33.3.1单片机最小系统电路 729128_WPSOffice_Level13.3.2超声波测距电路 926192_WPSOffice_Level13.3.3声光报警提示电路 1011401_WPSOffice_Level13.3.4环境光强度采集电路 1125552_WPSOffice_Level13.3.5供电电路 1123373_WPSOffice_Level23.4总体电路原理图 1226192_WPSOffice_Level24软件系统设计 1311325_WPSOffice_Level24.1软件设计思想 1311401_WPSOffice_Level24.2程序流程框图 1324737_WPSOffice_Level24.3程序的实现 1425552_WPSOffice_Level25装置样机的制作与调试 16135_WPSOffice_Level26测试 1718831_WPSOffice_Level17总结 1827015_WPSOffice_Level2参考文献 1915171_WPSOffice_Level1致谢 21视力保护器的设计摘要:当下，社会经济发展迅猛，计算机网络技术也随之得到一定的进步，在一定程度上改变了当下社会的通讯结构，但是也带来了一些不利影响，最近几年来，青少年近视出现低龄化趋向。青少年视力下降主要受以下几个因素的影响：眼睛距书本过近、长时间用眼、过度使用视屏终端、学习时光线太强或太弱等。此次设计主要针对解决青少年视力下降的问题，设计出一款视力保护器，保护器主体以单片机作为整体的控制核心，对整体硬件电路以及软件电路进行设计操作。其中还包括超声波测距仪模块、光线检测模块、报警提示，模块以及相应的按键模块组成。这一款视力保护器，主要是为了能够加强青少年在学习过程中对于视力的保护。当青少年距离桌面太近或者光线太强时进行提醒。为了对设计进行验证，进行了实物的制作，在最后的调试环节，最后的结果显示，这款视力保护器基本达到了预期的目标。从最后的系统调试结果上来看，整体设计基本符合预期目标，通过超声波测距模块以及光线检测模块的工作，可以在青少年过近或者所处环境太暗的状态下进行报警提示，在实际意义上做到了保护视力的主要目的。关键词：单片机；传感器；定时器；超声波DesignofvisualprotectorAbstract:Nowadays,thiseraiscalledtheinformationage.Inrecentyears,therapiddevelopmentofcomputernetworkcommunicationtechnologyhaschangedthecurrentsocialcommunicationstructuretoacertainextent,butithasalsobroughtsomeadverseeffects.Inrecentyears,youngpeople'smyopiaappearsatrendofyoungerage.Thevisualacuitydeclineofadolescentsismainlyaffectedbythefollowingfactors:tooclosetothebook,toolonguseofeyes,excessiveuseofvideoterminals,toostrongortooweaklearningtimeline,etc.Thisdesignmainlyaimsatsolvingtheproblemofyoungpeople'svisiondecline,anddesignsavisionprotector.Thisprotectormainlytakesthesinglechipcomputerasthecontrolcoreofthewholesystem,anddesignsandoperatesthewholehardwarecircuitandsoftwarecircuit.Italsoincludesultrasonicrangefindermodule,lightdetectionmodule,alarmprompt,moduleandthecorrespondingcasemodule.Thiseyesightprotectorismainlydesignedtoenhancetheprotectionofyoungpeople'seyesightinthelearningprocess.Remindteenagerswhentheyaretooclosetothedesktoporwhenthelightistoostrong.Inordertovalidatethedesign,theactualproductionwascarriedout.Inthefinaldebugginglink,thefinalresultsshowthatthevisionprotectorbasicallyachievesthedesiredgoal.Fromthefinalsystemdebuggingresults,theoveralldesignbasicallymeetstheexpectedgoals.Throughtheworkoftheultrasonicrangingmoduleandthelightdetectionmodule,thealarmwarningcanbegivenwhentheteenagersaretoocloseortheenvironmentistoodark.Inpracticalsense,themainpurposeofprotectingeyesightisachieved.Keywords:microcontroller;sensor;timer;ultrasou1绪论当下电子科学技术迅猛发展，相对应的电子设备层出不穷。在我们日常生活中，电子设备的使用范围相当广泛的，这一现象一方面给人们的日常生活带来了极大的便利，满足了人们日益增长的物质文化需求。但是也带来了一些不利的影响，由于长期使用电子设备或通讯软件，导致人们视力整体下降，尤其是在青少年人群中，近视的发病率日益提高。据有效统计，我国是近视发病率最高的国家之一，通过调查发现，在青少年群体中导致视力下降的主要原因是因为坐姿不准确，学习环境较差，光线强弱影响了对视力的保护。由于缺少家长的监督，学生自律性较差，导致近视率的提高。我国政府在对青少年视力保护的工作开展中重视度不够，青少年由于日常学习，经常用盐，导致在全国近视眼人群中占据了较大比例，据调查，我国学生近视度数较高，而且人数没有减少逐年递增，递增比例较大。这一问题需要引起政府的相关部门重点关注。为了能够为学生减压，对于广大学生来说具有重要的实践意义[1]。从目前市场上视力保护器的相关研究成果来看，类型较多，无论国内还是国外都有一部分电子设备科技研究团队展开对视力保护器的研究，从研究成果上来看，在使用者操作过程中，一旦其坐姿不准确或者距离目标太近时，就会相应的发出语音提示功能，不能够满足不同工作状态下人们对于视力保护的要求。在对相关设计使用过程中的市场调研结果来看，视力保护器主要实现定时、感光、测距三种要求。为了满足市场上对于视力保护器的使用需求，相关研究应当结合实际所需，结合技术不行进一步的研发工作。视力保护器发展具有广阔的空间，具有重要的研究意义。根据市场的调查研究，现在有很多公司开始设计生产自己的视力保护器。市场上最常见的视力保护器分为机械式和电子式，如：在网上热卖的“猫太子”防近视坐姿矫正器就是采用机械式，产品夹在桌面上，下巴托抵住下巴防止低头看书写字，抵胸托防止身体靠在桌子上。但此产品有一定的安全隐患，长期使用有可能造成青少年的颈椎和胸部造成伤害，只能进行坐姿的矫正而不能从源头上真正的保护视力[3]。基于以上要求，此次论文设计展开对视力保护器的研究工作，此次设计中主要是以单片机作为系统的控制核心，在其他电路组成上，主要包括光线检测模块、超声波测距仪模块、报警提示电路模块、按键模块以及显示器模块电路。在光线检测模块的设计过程中，主要是利用光敏电阻来对使用者所处环境的光线强度进行检测操作，在超声波测距仪模块，利用传感器来检测使用者与目标物之间的距离。在使用前设定标准的数值，包括合适的光照强度以及距离，一旦在使用过程中，发现使用者环境的光照强度或者使用者与目标物之间的距离经过检测，一旦小于或大于目标数值，通过系统通信进行报名去报警操作，来提醒使用者调整正确坐姿，根本上实现保护视力的作用。系统中相关数据信息的显示操作主要是通过LCD1602液晶显示，包括得主环境的关系线强度，需要者与目标之间的距离。视力保护器在设计过程中主要满足以下要求：第一利用光敏电阻来检测环境那光线的强弱，一旦光线变弱就会发出报警，第二测量使用者与目标之间的距离，一旦低于设定距离就会发出提示，第三，当学习时间超过一定的时间，提醒注意休息。2总体技术方案2.1技术方案比较方案一：图2.1方案一图方案二：图2.2方案二图第一种方案主要是采用采用市电220V为系统供电，市电容易获取，但是考虑到整体电路的设计过程中，需要进行5V的电压输入，如果运用市电的话，需要进行整体电路的降压操作。采用光感度传感器VEML6070，是手持设备、可穿戴设备以及健康监控与健身设备的理想之选。从使用过程中来看，此种传感器体积较小，使用过程较为便利，同时检测精度较高，具有较强的实用意义。但因为其灵敏度高，所以价格也高且不宜购买。在报警电路模块，采用语音提示报警，用语音提示学生注意坐姿是否正确，光线是否合适，注意休息，符合人机交互习惯。使用过程较为便利，但是由于其开发成本较高，专业化的编程操作，不利于产品化的推广。距离采集模块设计中主要是利用红外线传感器作为距离检测模块，当学生的坐姿出现一定的改变时，检测模块中，相关电流信息就会由高到低进行转化，传入单片机进行相应的控制工作，在整体使用过程中，红外传感器灵敏度较强，操作较为简单，对外界因素有抗干扰能力，但易受光源影响，价格低廉，但由于其过高的灵敏度，学生的坐姿只要稍微有点改变，报警器也会报警。第二种方案主要是采用采用5V电源为系统供电，经过试验测得5V电压能够使单片机、AD转换模块、传感器稳定运行。本设计通过USB电源输出接口为系统供电，为了环保目的放弃使用3节5号1.5V干电池为系统供电。利用光敏电阻来检测环境中的光线变化情况，使用较为方便，直流电压和交流电压都可以进行使用。报警模块的设计过程中，主要是利用蜂鸣器来对整体电路进行报警提示工作，同时利用LCD进行相关信息的现实操作。蜂鸣器以及LCD器件体积较小，适用于视力保护器的普及，能够满足系统的要求。在距离采集模块，使用超声波传感器作为距离检测模块，超声波传感器的接收端将声音信号转换为电信号，单片机内部的定时器定时，利用时间差来计算距离。超声波传感器和热释电红外传感器价格差不多，不易受光源影响，安装使用方便，能够满足系统要求。对比两种方案的设计，根据实际操作中所遇到的情况，为了尽可能降低成本，提高系统使用效率，安装轻便，所以采用方案二的设计。2.2总体技术方案经过反复论证，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。此次系统的总体设计框图如图2.3所示。蜂鸣器报警模块显示模块电源供电按键模块蜂鸣器报警模块显示模块电源供电按键模块STC89C52STC89C52主控模块温度检测模块复位电路温度检测模块复位电路LED提示模块测距模块LED提示模块测距模块晶振电路晶振电路图2.3系统总体设计框图3硬件系统设计3.1硬件总体原理框图视力保护器要选择多方面保护视力，以解决现有视力保护器功能过于单一的主要问题，具有三个功能：检测光线强度、检测头部与书本的距离、学习时间计时，任意数据不符合设定值时，报警电路提示青少年注意用眼的习惯。系统的整体电路原理图如图3.1所示。LED2（光线）二进制计数LED2（光线）二进制计数分频器振荡器光线检测报警器 报警器LED3（定时）定时器LED3（定时）定时器 LED4（距离）距离检测 LED4（距离）距离检测图3.1整体电路原理图3.2关键元件介绍蜂鸣器在电路工作过程中，主要利用直流电压进行供电操作，使用范围较广，蜂鸣器作为发声器，主要应用于电路报警提示模块的应用，此次设计主要利用蜂鸣器来对视力保护器设计中，使用者在光线要求以及距离要求不符合的情况下进行相应的提示报警操作。3.3电源电路设计3.3.1单片机最小系统电路单片机最小系统电路图如下：其中EA直接接电源，表示先执行片内城西存储器的程序。图3.2单片机最小系统电路主控制器的内部结构如图3.2，整体电路结构简单明了，在此次毕业设计的写作过程中，用户可以根据自身要求来相对应的进行程序的下载操作，在此同时还需要对内部芯片进行相应的调试操作，这样做也是为了保证单片机内部的存储器可以顺利进行操作。STC89C52系列的单片机兼容性强，为程序在线调试提供便利。单片机在应用过程中，应用范围广，所以将此应用于STC89C52的设计，整体设计简单，操作性强。复位电路主要是将整个电路状态，恢复成初始状态，通过此功能电路可以进行整个系统的复习工作，处理器一旦开始商店，就是处于护卫的状态，所以一旦启动处理器就可以进行复位操作。在此次设计方案中，在复位电路中当按键按下之后，此时整个电路中，单片机的RST脚保持2个RTC周期为高电平，此时电路中的复位信号就会响应，MCU会将单片机内部的存储状态恢复成默认值。图3.3单片机复位电路在单片机的工作过程中，为了在整体设计中提高整体单片机的工作频率，在此次论文设计中，主要是通过采用无源晶振来作为整个电路的晶振部分，为了从整体上提高单片机内部的工作效率，将系统配备有两个电容来改变内部结构，加快运行速度。在启动程序之后必须进行程序的读取工作，处理器在读取代码的时候，周期就是处理器的节拍。处理器通过设计晶振电路，产生时钟，而整个电子电路系统需要时钟的作用，才可以进行运转工作。作为整个处理器运行的核心外围电路，晶振电路在此次设计过程中，主要电路图如3.4所示，单片机内部有振源，但是出于此次设计考虑，在外部选择了振源。图3.4晶振电路3.3.2超声波测距电路本设计采用HC-SR04超声波测距模块来检测头部和桌面的距离。超声波的传播速度较快，中相分辨率较高，超声波不会受到环境色彩以及光照强度电磁场等因素的影响。即使被测物体处于光线昏暗、布满灰尘等污染物同时受到电磁干扰等恶劣的环境下，超声波依然能够正常工作。超声波在测距技术发展过程中，在其战棋的工作过程中，主要利用机械方式以及电气方式进行工作。在测距接收端，将声能转化为电能，进行电路处理操作。超声波传感器利用压电晶体的共振来工作。其原理图如图3.5所示。图3.5超声波检测电路3.3.3声光报警提示电路报警提示电路由一个9012型PNP三极管、限流电阻、蜂鸣器、LED灯组成。当光线检测、超声波距离检测发生异常就发出相应的报警提示操作，同时由于蜂鸣器的特性，给予其不同频率的开通和关断时间则会产生不同的声音，用于提示学生注意用眼习惯，其原理图如图3.6所示。图3.6声光报警提示电路图3.3.4环境光强度采集电路 光线检测电路在构成上主要包括光敏电阻、AD转换模块芯片、2K色环电阻组成。电压的大小通过CH0引脚输入给芯片，，同时STC89C52通过P1.5引脚向ADC0832的时钟信号输出端CLK输入脉冲信号，芯片接收到时钟信号，通过D0或D1口向单片机输出数字信号。由于D0、D1口在通信时不能同时有效，所以可以将其并联在一起使用。经过AD采集模块不断地采集不同光线下的电压值，从而找到符合教委规定学习环境的比较值。光线检测电路如图3.7所示。图3.7光线检测电路图3.3.5供电电路在整个实物的设计过程中，由于实际使用中都是220V的交流电，因此本次系统的取电也采用220V交流，在全桥整流滤波之后，再通过三端稳压器L7805输出5V给系统供电，如图3.8所示主要是对供电电路进行设计。图3.8供电电路3.4总体电路原理图本设计采用STC89C52单片机作为视力保护器的核心控制单元。图3.9电路原理图4软件系统设计4.1软件设计思想在此次软件系统设计的过程中，主要是通过利用C语言作为系统整体设计的编程语言，首先在Keil中新建一个工程并保存该工程，然后根据使用的单片机型号选择Intel公司的51系列单片机，把该文件添加到工程中，进行程序编写，程序编写完成后，在编译之前更改操作中的设置，查看程序有无错误。4.2程序流程框图 图4.1主程序设计流程图（1）对整个系统进行初始化操作；（2）若按下开始按钮S3键，对光线、距离、定时等的值进行判断，若距离、光线、定时偏离设定值，则系统进行报警提醒，报警结束后返回继续监测，若没有变化，则继续监测，当再次按下S3键时间暂停，停止检测；（3）若按下S2键（设置键）进入系统设置，设置各模块的设定值，S2键数字加，S3键数字减，对系统进行设置。4.3程序的实现本设计编程使用的软件是KeilμVision4，在μVision下的操作大致包括以下4个环节：（1）创建项目和打开项目，并向其中添加文件。（2）编写编辑源程序文件。（3）设置项目和文件的操作属性。被设置的项目操作属性包括：明确目标芯片和系统的硬件环境、对项目输出文件和清单文件提出要求、选择项目的调试方法等。有时需要对项目中的个别文件单独设置操作属性.（4）项目制作，生成中间文件产物（可重新定位目标文件、列表文件等）和最终文件产物。（5）项目调试。Keil软件的编程通常有以下几个步骤：第1步：在Keil中新建一个工程并保存该工程；第2步：根据使用的单片机型号选择Intel公司的51系列单片机；第3步：新建一个文本文档保存为.C格式，并把该文件添加到工程中，程序编写；第4步：程序编写完成后，在编译之前更改操作中的设置，使其能生成.HEX文件，为Proteus仿真做准备；第5步：进行程序编译，查看程序有无错误。C语言与汇编语言相比较在程序可读性和移植性上有明显的优势，同时它的编程周期也相对的较短[9]。丰富的函数数据库为程序中函数的调用提供了方便，由于其代码能够通俗易懂且经过系统的学过C语言的知识，所以编程起来较为简单。综上所述，本设计采用C语言为系统的编程语言。Keil有专门的仿真运行工具，在代码的功能逻辑设计完成后，就可以进入仿真环境。如图4.8所示。图4.2调试一在开发工具的菜单栏View处，选择WatchWindow，就可以对所要观察的数据进行监控。如下图：图4.3调试二在界面的右下方的Watch窗口，可以输入想要观察的变量数据，如下图：图4.4调试三输入参数count，可以监控此变量的在程序运行时的变化，可以输入多个变量进行监控，便于对运行程序进行监控，如下图：图4.5调试四在工具栏有很多对于仿真运行进行调试的工具，这些都是便于我们进行调试的按钮。如下图：图4.6调试四经过调试，系统设计准确无误后，我们将HEX代码放入STC89C52单片机中。5装置样机的制作与调试系统仿真调试过程中，需要对系统设计进行整体测试工作，主要利用万用表以及示波器来对电路板进行整体调试工作，保障每个器件都可以在连接电源过程中正常工作，整体调试分为静态调试和动态调试。前者主要包括对所设计的面板进行检查，包括电源正负极是否正确连接，各个端口连接点是否正确，利用万用表进行相关电源的测试。避免由于一些细小的问题，导致电路出现短路或者未接通的电源问题，确保整个系统正常平稳运行。而后者则是在金泰条是没有问题的基础上，保证系统构成的每个器件都能够在正常状态下工作，整体上完成系统开发的功能实现要求，同时提高整体系统的运行性能。6测试将单片机放置到程序下载器上，通过USB口与电脑连接用STC_ISP_V480软件将仿真调试过的程序下载到单片机中。下载完成后，对系统上电。在本设计中，设定的距离为30CM，使用时间为45分钟。再按下系统开始工作键，系统开始进行工作，开始使用计时。当检测到的信号不符合设定值，系统报警，提醒使用者注意用眼习惯[10]。当按下暂停键时，系统暂停计时工作，若此时距离和光强不符合设定值，系统仍不会报警。在具体的调试过程中，设计采用超声波测距模块来检测头部和桌面的距离，并将距离实时显示。在光照强度的调试过程中，主要通过人为的方式自动控制涉及实物所处环境的光照亮度，并将数据实时显示。针对时间的调试操作，主要是通过设计实物上的按键进行调整操作。图6.1实物图7总结本次毕业设计以单片机作为系统的控制核心，在其他电路组成上，主要包括光线检测模块、超声波测距仪模块、报警提示电路模块、按键模块以及显示器模块电路。等各个电路的硬件设计和软件设计工作。同时还进行了实物的制作，来验证设计，基本完成了设计要求。但是也存在很多不足和改进的地方:如电路板的一些端口出现虚焊,功能较为单一，不能进行光强的调整，测试距离不精准等等。下一步可以增加WIFI远程控制功能，