基于51单片机的视力保护仪设计-毕业设计说明书

PAGEPAGE1毕业设计说明书基于51单片机的视力保护仪设计办学单位：应天职业技术学院班级：电子121班学生：彭小滠指导教师：葛东旭提交日期：2015年3月

摘要摘要：本论文阐述了一种基于单片机的智能视力保护器的设计。该设计以89C52为核心，可实现距离监测、设置报警距离等功能，通过LCD显示各种参数信息，并能在线修改各个参数初值来适应不同使用者的需求。测距是利用超声波传感器来实现。软件利用C语言进行编程，并采用模块化的设计思路。该系统具有简单实用的特征，对青少年视力保护具有很好的效果。关键词：STC89C52；超声波:视力保护Abstract:Thispaperexpoundsadesignofintelligentvisionprotectorbasedonsinglechipmicrocomputer.Thesystemwith89C52asthecoreusesLCDtodisplayvariousparameterinformation,andchangestheparameterinitialvalueonlinetoadapttotheneedsofdifferentusers.Distancemeasurementisrealizedbyultrasonicsensors,lightintensitydetectionisachievedbyphotosensitiveelement,timerfunctionisrealizedby89C52’stimer.SoftwaredesignusesClanguagetoprograme,withmodularthought.Thesystemhasthecharacteristicsofsimpleandpractical,hastheverygoodeffecttoteenagersvisionprotection.Keywords:STC89C52;Ultrasonic;Visionprotection

目录第一章绪论 31.1选题背景 31.2选题的意义 31.3设计的任务 3第2章系统总体方案系统设计 42.2系统主要模块的选择与论证 42.2.1探头检测模块的选择与论证 42.2.2单片机控制模块的选择与论证 42.2.3显示模块的选择与论证 42.3总体系统设计框图 5第3章系统硬件系统设计 63.1概述 63.2控制模块 63.2.1STC89C52单片机简介 63.2.2单片机主控电路设计 93.4.11602液晶简介 133.4.2指令说明 143.4.3显示电路原理图 153.5报警模块 15第4章系统软件系统设计 16第5章系统分析与调试 18参考文献 20结论 21附录 22第一章绪论1.1选题背景当前由于电视、网络的高速发展、学习压力的加重等诸多因素，使得青少年长时间不卫生、超负荷用眼，造成了青少年近视率大大提高。据国家统计局最近的一项调查显示，目前我国学生视力低下的状况令人担忧。小学生近视比例为34%，初中生为68%，重点高中生为90%左右，在校大学生视力合格者更少。而在高考体检中由于自身缺陷原因被限考的学生当中有74%为近视。据卫生部、教育部联合调查，目前我国学生近视发病率居世界第二，人数居世界之首，全国近视及眼疾患者近3亿人，已经成为全社会关注的公共卫生和社会问题。视力下降不仅影响青少年的日常生活和学习，对青少年的身心健康造成极大的影响，同时给青少年的成长与发育造成极大的障碍。在这种情况下，亟须开发一种智能视力保护器。通过创造健康的读写环境和科学方式，避免因长期读写而导致的近视、驼背、脊柱侧弯、斜视、颈椎病等疾病的发生和发展，用非医药的手段，防范和解除不良读写习惯，避免给人们身体带来伤害。1.2选题的意义目前，坐姿劳动者的腰部疼痛的发病率逐年升高，腰椎疼痛、腰骨酸痛、腰椎间盘突出、臀部及肩部的肌肉酸痛已成为坐姿办公一族的常见疾病，而这一现象的元凶则为我们已沿袭几千年来的不良坐姿。再者，多数青少年学生因为坐姿不良导致近视，轻微驼背，身高发育不良，据调查，有41.6%的学生并未采取任何矫正坐姿的措施，又缺乏专业机构的治疗；因此坐姿矫正系统的设计将给使用者带来健康的读书与办公环境，用非医药的手段来防患不良坐姿所带来的身体伤害。1.3设计的任务本设计是以单片机为核心的主体电路，坐姿纠正、报警功能。首先是对各单元电路进行设计，并选择合适的元器件。在选择元器件时，要注意所选芯片的性价比，对于电阻、电容等常用元件要先进行参数计算后再选择；其次是设计整个电路其中单片机选用较为普遍的STC89C52，坐姿传感器选用超声波传感器，报警发声选用蜂鸣器发声硬件电路。本次毕业设计的研究内容是设计一个智能视力保护器。它具备以下功能和特点：（1）当使用者脸部与读物之间的距离小于设定距离时,电路将发出声音提示；（4）电路可靠,做出实物能够实现相应的功能。真正帮助学生做到国家教委规定：学生在读写时，应在一定亮度下，眼离读物一尺，身离书桌一拳。第2章系统总体方案系统设计2.2系统主要模块的选择与论证2.2.1探头检测模块的选择与论证方案一：选用红外线传感器测距。其原理是传感器的红外发光管发出红外光，光敏接收管接收前方物体反射光，接收管接收的光强随反射物体的距离变化，据此判断前方是否有障碍物并根据接收信号强弱判断物体的距离。但是价格贵。方案二：坐姿检测系统采用超声波传感器测距，通过测量人脸与桌面的距离来确定坐姿。当距离小于设定距离时就发出警报提醒。超声波传感器体积小，重量轻，使用方便。价格实惠，是一种较为理想的方案。上述分析，方案一虽然精度更精确。却稍显复杂。方案二超声波传感器体积小，重量轻，使用方便。价格实惠更加容易实现，也更加稳定可靠。所以我选择方案二。2.2.2单片机控制模块的选择与论证方案一：采用传统的STC89S52单片机作为主控芯片。此芯片价格便宜、操作简便，低功耗，比较经济实惠。方案二：采用TI公司生产的MSP430F149系列单片机作为主控芯片。此单片机是一款高性能的低功耗的16位单片机，具有非常强大的功能，且内置高速12位ADC。但其价格比较昂贵，而且是TPFQ贴片封装，不利于焊接，需要PCB制板，大大增加了成本和开发周期。考虑到此系统需要不用到ADC，从性能和价格上综合考虑我们选择方案一，即用STC89S52作为本系统的主控芯片。2.2.3显示模块的选择与论证方案一：采用12864液晶显示屏。12864液晶显示模块自身内置8192个中文汉字、128个字符及64X256点阵显示RAM。可以显示汉字以及图案。方案二：选择使用LCD1602液晶显示屏。LCD1602能够显示16列2行,但是只能显示字母、数字和符号能显示16*2个字符，不能显示汉字。由于LCD1602寄存器不止32个，所以软件编写可以使字符一个个显示、字符从左到右或从右到左显示等等，显示效果比较简单。经过上述分析，在编程使用方面，12864液晶显示屏和LCD1602难度差不多，虽然12864液晶屏可以显示更多的字符，汉字，乃至图案，有更多LCD1602不具备的功能。但是LCD1602液晶屏也能实现系统设计的要求，而且LCD1602价格比较便宜一点点，我们接触的比较多。综上所述，显示器模块选择方案二的LCD1602。2.3总体系统设计框图系统采用STC89C52单片机作为多功能视力保护器的核心控制单元,通过设定报警等级来实现报警；利用超声波测距传感器测出人脸部与桌面的距离，当小于设定距离时发出报警声提醒；系统采用的报警电路由三极管驱动蜂鸣器组成。系统总体的设计方框图如图2.1所示。超声波模块超声波模块蜂鸣器报警模块STC89C52主控模块电源模块按键图STYLEREF1\s0SEQ图\*ARABIC\s11？？？？第3章系统硬件系统设计3.1概述本次的毕业系统设计主要由4个模块构成，分别是STC89C52单片机主控模块、超声波传感器模块、LCD1602液晶显示模块及报警模块。其中STC89C52单片机主控模块是本系统设计的核心模块，核心模块主要是指STC89C52芯片，它控制整个系统的运行，利用STC89C52单片机各个口分别控制其它模块，使超声波传感器，LCD1602液晶显示器，蜂咛器形成一个稳定运行的系统，进而满足本系统设计的功能需要；报警模块主要是指将蜂咛器接入单片机电路。由软件编写给蜂咛器报警所需要距离范围，实现越限报警；接STC89C52单片机即可。LCD1602液晶显示模块同样直接接入STC89C52单片机即可，LCD1602主要的功能就是完成对单片机处理后的数据进行显示。3.2控制模块CPU是STC公司的8051系列单片机STC89C52。时钟电路由一个频率为11.0592MHz的晶振和两个22pF的电容组成。复位电路由一个10k的电阻组成，采用上电复位方式。3.2.1STC89C52单片机简介（1）概述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ST89C52单片机可为您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，ST89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。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）主要功能特性兼容MCS51指令系统8k可反复擦写(>1000次）FlashROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断?时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共8个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能（3）8051单片机的引脚功能MCS-51系列单片机一般采用40个引脚，双列直插式封装，用HMOS工艺制造，其外部引脚排列如图3.1所示。其中，各引脚的功能为：(a)DIP引脚图(b)逻辑符号图STYLEREF1\s0SEQ图\*ARABIC\s138051单片机外部引脚排列EQ\o\ac(○,1)主电源引脚Vcc（40脚）：接＋5V电源正端Vss（20脚）：接＋5V电源地端一般Vcc和Vss间应接高频去耦电容和低频滤波电容。EQ\o\ac(○,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，这个放大器构成了片内振荡器OSC。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和内部时钟电路的输入端。当采用外部振荡器时，此脚接外部振荡器的输出端。EQ\o\ac(○,3)控制信号线RST/VPD（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。（29脚）：外部程序存储器读选通信号，低电平有效。/VPP（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。对片内EPROM编程时，此脚接21V编程电压。EQ\o\ac(○,4)多功能I/O口引脚8051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，口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）——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位地址总线，用于对外部存储器的接口电路进行寻址。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3.1所示：端口引脚第二功能注释P3.0RXD串行口数据接收端P3.1TXD串行口数据发送端P3.2/INT0外中断请求0P3.3/INT1外中断请求1P3.4T0定时/计数器0外部计数信号输入P3.5T1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读选通信号输出表3.1P3口特殊功能3.2.2单片机主控电路设计单片机主控电路原理图如图3.2所示图STYLEREF1\s0SEQ图\*ARABIC\s11单片机主控电路单片机主控模块包括了振荡电路、复位电路，同时接入了下载接口，方便下载程序，保证了整个系统的灵活性。单片机是整个系统的控制中枢，它指挥外围器件协调工作，从而完成特定的功能。硬件实现上采用模块化设计，每个模块只实现特定功能，最后再将各个模块搭接在一起。这种设计方法可以降低系统设计的复杂性。其中下图为电源开关部分电源部分电路3.3超声波模块系统设计本系统超声波测距模块采用HC-SR04测距模块。HC-SR04测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达到3mm,模块包括超声波发射器、接收器和控制电路。基本工作原理： 采用IO口TRIG触发测距，,加至少10us的高电平信号；模块自动发生8个40KHZ的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高低平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2.HC-SR04的外型及引脚如图3.6所示，HC-SR04的性能参数和引脚定义分别如表3.1和表3.2所示。图3.6HC-SR04超声波测距模块外形图表3.1HC-SR04性能参数工作频率40MHz工作电压DC5V工作电流15mA最远射程4m最近射程2cm测量角度15度输入触发信号10us的TTL脉冲输出回响信号输出TTL电平信号，与射程成比例规格尺寸45*20*15mm(宽*长*厚)表3.2HC-SR04引脚定义引脚功能VCC5V电源GND地线GNDTRIG触发控制信号输入ECHO回路信号输出HC-SR04的超声波时序图如图3.7所示。图3.7HC-SR04超声波时序图以上时序图表明只需要提供一个10us以上的脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40KHZ周期电平检测回波，一旦检测到有回波信号则输出回响信号，回响信号的脉冲宽度与检测的距离成正比，由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。3．4显示模块显示部分是LCD1602液晶一般1602字符型液晶显示器实物如图3-9和3-10所示：图3-9液晶屏正面图3-10液晶屏背面3.4.11602液晶简介1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图所示：（1）1602LCD主要技术参数： 显示容量:16×2个字符 芯片工作电压:4.5—5.5V 工作电流:2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压:5.0V 字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm（2）引脚功能 1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表10-13所示:编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极3.4.2指令说明1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表10-14所示：序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM）10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容3.4.3显示电路原理图图3.113.5报警模块蜂鸣器工作原理:图3-12蜂鸣器工作原理图第4章系统软件系统设计4.1LCD1602液晶显示模块系统设计LCD1602液晶显示模块可与STC89C52直接接口的。软件流程图如图4-1所示：开始开始LCD初始化延时设第一行显示位置显示第一行内容设第二行显示位置显示第二行内容图4-11602液晶显示模块程序流程图4.2超声波模块系统设计超声波模块的软件流程图如下图4-2所示图4-2超声波模块的软件流程图第5章系统分析与调试本系统设计是在KeilC环境下开发的，KeilC软件支持C语言的编程及调试，运用方便，是做C语言毕业系统设计者的首选。KeilC程序运行如图5-1,5-2所示图5-1keilC运行图图5-2程序烧录运行图在完成对程序的调试及烧录之后，还需要对其进行演示，把开发板与电脑连上，设置好对应的接口，完成供电及下载。开始供电后、稍等几秒后LCD1602液晶屏能正常显示当前距离和报警距离。我们可以用手按下按键对距离进行修改，测试能否达到报警。经过测试，本系统设计完全可行，进而实现了对人脸和桌子间的距离的简单控制。参考文献[1]沈红卫.单片机应用系统设计实例与分析[M].北京航空航天大学出版社，2001（7）：298～312[2]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2001.397～407[3]杨恢先，黄辉先.单片机原理及应用[M].海：复旦大学出版社,2002.3652[4]徐淑，程退安，姚万生.单机微型机原理及应用[M].哈尔滨：尔滨工业大学出版社,1994.85[5]戴佳戴卫恒.51片机C语言用设计实例精讲[M].北京电子工业出版社，2007[6]何立单片机应用系统抗干扰技术[M].北京:北京空航天大学出版社，2000.99110[7]涂时亮.单片微机软件设计技术[M].重庆:科学技术文献出版社重庆分社，2003.72[8]邦田.电子电路实用抗干扰技术[M].北京：人民邮电出版社，1994.34[9]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社,2001[10]夏路易,石宗义.电路原理图与电路板设计教程PROTELL99SE[M].北京：北京希望电子出版社,2002[11]高鹏，安涛，寇怀成.电路设计与制版一PROTEL99入门与提高[M].北京:人民邮电出版社，2000，1-305[12]赵晶.电路设计与制版—PROTEL99高级应用[M].北京:人民邮电出版社，2000，1-405[13]贾兴泉.连续波雷达数据处理[M].北京:国防工业出版社，2005，1-223[14]黄培康，殷红成，许小剑.雷达目标特性[M].北京:电子工业出版社，2005，1-338[15]张谦琳.超声波检测原理和方法[M].北京：中国科技大学出版社，1993.10[16]沈小丰.电子技术实践基础[M].清华大学出版社，2005.09，130—141结论回顾起此次单片机课程设计，我仍感慨颇多，从理论到实践，在毕业设计这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题。首先，说说焊接的美观程度，焊接的很美观、明了这一点比较满意。但在设计的过程中也发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深，把硬件焊接出来后，由于编程不熟，导致推迟了对硬件功能的检测，而且在设计过程中也给指导老师增添了不少麻烦，老师的批评声我会永远记在心上，我以后会更加努力的！谢谢您。附录A硬件原理图BC语言部分程序#include<REG52.H> //器件配置文件#include<intrins.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbitRX=P1^1;sbitTX=P1^0;sbitLCM_RW=P2^6;//定义LCD引脚sbitLCM_RS=P2^5;sbitLCM_E=P2^7;#defineLCM_DataP0sbitK1=P1^2;//定义Keyboard引脚sbitK2=P1^3;ucharSlong=30;//报警距离值如果需要修改报警距离，则改此处数值就可。sbitspeak=P1^7;//蜂咛器报警的口线定义#defineBusy0x80//用于检测LCM状态字中的Busy标识voidLCMInit(void);voidDisplayOneChar(unsignedcharX,unsignedcharY,unsignedcharDData);voidDisplayListChar(unsignedcharX,unsignedcharY,unsignedcharcode*DData);voidDelay5Ms(void);voidDelay400Ms(void);voidDecode(unsignedcharScanCode);voidWriteDataLCM(unsignedcharWDLCM);voidWriteCommandLCM(unsignedcharWCLCM,BuysC);unsignedcharReadDataLCM(void);unsignedcharReadStatusLCM(void);unsignedcharcodejuli[]={"Thedistanceis"};unsignedcharcodekaiji[]={""};unsignedcharcodeASCII[15]={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','.','-','M','S'};staticunsignedcharDisNum=0;//显示用指针 unsignedinttime=0;unsignedchartimer=0;unsignedlongS=0;bitflag=0;bitflag_one=0;bitflag_two=0;unsignedchardisbuff[4]={0,0,0,0,};#include"eeprom52.h"voiddelayms(unsignedintms){ unsignedchari=100,j; for(;ms;ms--) { while(--i) { j=10; while(--j); } }}/******************把数据保存到单片机内部eeprom中******************/voidwrite_eeprom(){ SectorErase(0x2000); byte_write(0x2001,Slong); byte_write(0x2060,a_a); }/******************把数据从单片机内部eeprom中读出来*****************/voidread_eeprom(){ Slong=byte_read(0x2001); a_a=byte_read(0x2060);}/**************开机自检eeprom初始化*****************/voidinit_eeprom(){ read_eeprom(); //先读 if(a_a!=2) //新的单片机初始单片机内问eeprom { Slong=30; a_a=2; write_eeprom(); } }//写数据voidWriteDataLCM(unsignedcharWDLCM){ ReadStatusLCM();//检测忙 LCM_Data=WDLCM; LCM_RS=1; LCM_RW=0; LCM_E=0;//若晶振速度太高可以在这后加小的延时 LCM_E=0;//延时 LCM_E=1;}//写指令voidWriteCommandLCM(unsignedcharWCLCM,BuysC)//BuysC为0时忽略忙检测{ if(BuysC)ReadStatusLCM();//根据需要检测忙 LCM_Data=WCLCM; LCM_RS=0; LCM_RW=0; LCM_E=0; LCM_E=0; LCM_E=1; }//读数据unsignedcharReadDataLCM(void){ LCM_RS=1; LCM_RW=1; LCM_E=0; LCM_E=0; LCM_E=1; return(LCM_Data);}//读状态unsignedcharReadStatusLCM(void){ LCM_Data=0xFF; LCM_RS=0; LCM_RW=1; LCM_E=0; LCM_E=0; LCM_E=1; while(LCM_Data&Busy);//检测忙信号 return(LCM_Data);}voidLCMInit(void)//LCM初始化{ WriteCommandLCM(0x38);//设置模式WriteCommandLCM(0x0c);//不显示光标WriteCommandLCM(0x06);//设置指针自加WriteCommandLCM(0x01);//清屏}//按指定位置显示一个字符voidDisplayOneChar(unsignedcharX,unsignedcharY,unsignedcharDData){ Y&=0x1; X&=0xF;//限制X不能大于15，Y不能大于1 if(Y)X|=0x40;//当要显示第二行时地址码+0x40; X|=0x80;//算出指令码 WriteCommandLCM(X,1);//发命令字 WriteDataLCM(DData);//发数据}//按指定位置显示一串字符voidDisplayListChar(unsignedcharX,unsignedcharY,unsignedcharcode*DData){ unsignedcharListLength;ListLength=0; Y&=0x1; X&=0xF;//限制X不能大于15，Y不能大于1 while(DData[ListLength]>0x19)//若到达