《基于单片机的翻转视力训练仪的设计6600字（论文）》

基于单片机的翻转视力训练仪的设计目录TOC\o"1-2"\h\u13983摘要 2282241绪论 21461.1课题背景 2321741.2翻转视力训练仪国内外研究现状 328321.3课题研究的意义 3127921.4本课题的研究工作 4308501.5本章总结 4148002设计方案与论证 489832.1设计思想 4235182.2设计方案 47972方案一:以51单片机为基础的设计方案 5271854、51系列单片机的算法在运用方面也较为便利。 5290261、运算方法较为繁琐，会增加硬件和软件的负载 528147方案二:以STM32单片机为基础的设计方案 582571、STM32单片机的运行速度很快。 5138283、STM32单片机程序都是模块化的使用起来方便操作。 5165502.2.2方案选择 518342.3本章总结 5250423视力翻转训练仪系统的硬件设计 6253293.1主系统的构成 664663.2STM32F103C8T6单片机简介 6170173.3电源电路的比较与选择 7140193.4数据存储芯片的选择 7196503.5电机的选择 7107833.6蓝牙的选择 831193.7本章总结 9120244软件设计与实现 913754.1软件PID算法 9145544.2流程图 10249684.3本章总结 11103825硬件设计与实现 13125405.1设计实现准备工作 13238455.2设备启动内部展示 13119035.3主要元器件清单 1416355.4主要硬件组成 14293295.5本章总结 1729226翻转视力训练仪的调试 17158436.1调试设备 17122486.2硬件调试 17318826.3软件调试 18129786.4调试现象 18285896.5测试结果 18158296.6本章总结 1965927结果与展望 19摘要通过近几年大数据统计，我国患近视的人数群体非常之大，并且每年近视人数逐年递增，因此设计了翻转视力训练仪，它可以达到有效缓解真性近视和治疗假性近视的目的。本设计翻转视力训练仪的原理，是在翻转镜的上下工作中，眼睛可以自动调节瞳距并对眼部形成刺激，同时可以拉伸和收缩睫状肌，以便于有效缓解眼部疲劳，达到更好的控制和恢复视力。本设计功能实现主要由两个版块完成。第一版块是上电给单片机传递信号，进而控制步进电机驱动外镜框的翻转，同时在开机时翻转镜会翻转一次、灯柱亮作为开机提示；第二版块是手机APP通过蓝牙连接控制翻转镜的翻转时长、翻转周期、收缩时长。本设计操作简单，使用方便，且体积小，便于人们携带和使用。翻转视力训练仪的设计，在正常通电情况下，整个系统已经可以达到正常翻转的功能，且连续使用情况下可以有效实现其目的。关键词：翻转镜；单核ARMCortex-M3处理器；STM32单片机；蓝牙；步进电机1绪论1.1课题背景纵观近百年来世界电子技术产品诞生和发展的历史，绝大多数智能产品都经历了从外观和体积由大到小，从笨重到轻巧的转变过程。统计一些与人们生活密切相关的科技产品，涉及面广，涉及面广。就医药行业的发展而言，从无到有，从粗到精，从枯燥到先进，从片面到全方位，等等都发生了日新月异的变化。医疗产业的发展不仅促进了国家科技的发展，也有助于公众缓解疾病的压力，给人们带来更多的幸福和健康。在这种背景下，以医学为中心的领域得到了发展。许多医疗器械，帮助人们的生活，翻转视力训练仪是研发产品之一。翻转视力训练仪是一种利用现代微电子技术、无线蓝牙技术、驱动电机的新型电子器械产物，和传统的治疗镜相比，这个新型设计是一个很大的进步，在性能上，传统的治疗镜仅仅是让近视患者带上这个治疗镜，并不能训练到眼部，所以只能稍微控制视力不再增长，不能真正起到恢复视力的作用，而翻转视力训练仪是一副真正能起到治疗作用的设计，它是以科学试验研究、临床试验数据为向导，综合运用科学手段来恢复和治疗视力，在使用的过程中可以训练眼部睫状肌，弹性恢复便可以恢复近视。翻转视力训练仪及其控制管理系统的出现，将从基本上解决某种程度上的视力不健康状况，首先在外观上，采用头戴式、一键式操作，其结构质量很轻，便于使用且不会加重头部负担，同时体积很小方便携带，这些都一并取代了过去传统的恢复控制视力的设计，无论从结构还是性能方面都远远超出了传统治疗镜，翻转视力训练仪具有成本低，可靠性高、使用寿命长久及安全性高等优点，可帮助广大视力不健康受困人员.1.2翻转视力训练仪国内外研究现状对于视力的研究，虽然一直都有相关研究资料。但是市面上其有效产品涉及并不多，翻转视力训练仪在近两年的研究中，已经算是一个新的科技产物了，翻转视力训练仪的英文名称是Turningvisiontraininginstrument。翻转训练仪也有其他的名称，例如双面镜蝴蝶镜、调节训练镜，所以英文名称又叫"Flipper”。因为翻转镜的前身是手动翻转，它主要是由四个镜片、一个可以翻转的手柄组成，在外观看来像一只蝴蝶，翻动的手柄两侧分别有一副镜片，例如，一侧的度数是正200度，那么另一侧的度数是负200度。正负球镜的参数,一般从±0.50、±1.00DS、一直±6.00DS(其中±1.00DS~±2.50DS最常用)。而我们这个翻转视力训练仪就是在原有基础上进行增新、升级改造，翻转视力训练仪的研究在国外暂无相关研究资料。1.3课题研究的意义本次课题研究的意义将从两个方面进行阐述。从理论角度来说，通过本次“翻转视力训练仪”的设计与实现，可以达到以下几个目的：（1）全面了解近视的原因及其现状；（2）全面了解当下国内近视状况其发展趋势；（3）更加系统全面地了解此设计及面向大众、面向专业的应用；（4）更加深入地研究医疗器械对社会进步与发展的意义，以及两者相互影响的作用。从实践意义上来说，能够更好地学习到更多的知识，在整个设计的过程中，对于知识更多的是掌握了解，在了解到更多专业领域应用的同时，又能学习到以专业为基础而涉及到更深层次的知识挖掘，能够将知识与设计更好地应用、融合到一体，在整个设计过程中还会增强对知识和实践的领悟能力，能够更好的对技术模块着手REF_Ref26249\r\h[4]。1.4本课题的研究工作根据系统的需求，合理的选择单片机类型，并且对于功能特性进行详细叙述；详细介绍单片机的功能，选择出翻转视力训练仪所需的最佳方案；根据低功耗要求，对步进电机的选择和设计进行了试验和研究；详细分析了硬件工作的工作原理；对翻转技术做了简洁的说明，并对其软件的操控进行了详细的讨论；应用软件算法技术，对硬件进行修改和控制；1.5本章总结在本章中，主要对设计总体进行简要的概括，对设计背景、设计意义、研究现状及做的相关工作调查显示给予相关说明，在整个设计层面上，对整个结构进行深入分析，无论在软件的算法方面，还是硬件的设计方面都进行认真的分析研究试验。2设计方案与论证本章对翻转视力训练仪的设计提出了两种设计方案，还针对他们各自的工作原理和优缺点进行了简要分析，最终确定为采用基于STM32F103C8T6单片机的设计方案。2.1设计思想开机：按下开关键，翻转镜会翻转一下作为开机提示翻转：当参数设置完成后，翻转镜会由参数的设定值进行工作低电量提示：当电量低于25%时，电源灯柱会有一个灯闪烁2.2设计方案2.2.1主控制芯片的选择方案一:以51单片机为基础的设计方案优点:1、整个51系列单片机从整体到结构都有一套流畅的操作系统REF_Ref26415\r\h[7]。2、51系列单片机是8位的位处理器，具有较强逻辑运算，功能也较为完善，是许多产业以及使用者首选的单片机。4、51系列单片机的算法在运用方面也较为便利。缺点:1、运算方法较为繁琐，会增加硬件和软件的负载2、51系列单片机高电平输出无效果。3、51系列单片机运行速度比较慢。4、51单片机比较不耐用，容易烧坏芯片；方案二:以STM32单片机为基础的设计方案优点:STM32单片机的运行速度很快。2、STM32单片机有许多接口，但接口简单，易于掌握；且自身也带有非常多功能。3、STM32单片机程序都是模块化的使用起来方便操作。缺点：价格会比较高一点。2.2.2方案选择依投入成本方向分析，方案一需要网络结构复杂，所需要用到的设备较多，在设计初期经济投入最大，方案二次之。依设计的难易程度分析，方案二融合了微电子技术和单片机技术等，技术较为成熟容易实现，方案一次之。综合考虑以上两种方案，我们选择了第二种方案2.3本章总结本章是对设计所要用的主要单片机类型进行分析，51单片机和STM32单片机，在原理、实用性、引脚功能、总结构等一系列进行相关分析和比较，结合本设计所要实现的功能，已经决策出所要使用的最小单片机版本，STM32单片机无论在性能方面还是功能稳定性方面，都可以满足此设计的需求。3视力翻转训练仪系统的硬件设计第3章是本设计也是本文的主要部分，主要论述了整个设计的硬件部分。3.1主系统的构成主系统的框架图如图一所示，可以看出，系统由这样的一些功能模块组成，单片机最小系统、电源模块、稳压模块、蓝牙模块、检测电路模块、限位开关模块以及其他辅助电路组成，所有模块的设计综合考虑了设计的综合要求，本系统采用内部电池600mah，充电规格是DC5V-1A的供电模式PAGEREF_Ref25815\h20REF_Ref25815\r\h[1]。图一3.2STM32F103C8T6单片机简介STM32F103C8T6属于低成本+高性能+高代码密度+小硅片面积的微控制器，采用LQFP48封装，其程序存储器FLASH容量是64KB(64K*8bit)，RAM容量是20KB(20K*8bit)，2个12bitADC合计12路通道（外部通道只有PA0到PA7、PB0到PB1，并不是18通道），37个通用I/O口（PA0-PA15、PB0-PB15、PC13-PC15、PD0-PD1），4个16位定时器，2*IIC，2*SPI，3*USART，1*CAN，工作电压2V~3.6V，单片机结构图如图2所示REF_Ref26549\r\h[6]。图二3.3电源电路的比较与选择方案一：采用USB直接供电翻转视力训练仪的电源是通过适配器220VAC转换成5V—1ADC直流，既可以提供稳定的5V直流电压，也能够满足单片机系统的供电系统。方案二：自制直流稳压电源模块自制电源成本较高，同时高压转低压也带来不稳定等因素。有以上两种方案比较，明显的USB供电更为可靠，采用方案一.3.4数据存储芯片的选择方案一：采用单片机自带的RAM存储数据STM32f103单片机内自带了20K*8的RAM随机存取储存器，它可以随时读写，而且速度快，在性能方面符合设计需求。AT24C02是TI公司典型的基于I^2C总线协议的DIP8封装的偏外存储芯片。它的内部是一个2K位串行CMOSE^2PROM，内部含有256个8位字节。但这款芯片价格昂贵，硬件成本较高。综上分析，采用方案一。3.5电机的选择电机，也就是所谓的马达，是一种电磁装置，具有电能转换和传递的作用。电机的动力来源是通过驱动转矩。到目前为止，它已经被人们广泛的使用在各个地方和各个设备上面。方案一步进电机步进电机也是一种电机，属于减速电机，结构图如图3所示。本设计采用的是GM12-10BY型号的电机，是2相4线直径10BY全金属齿轮减速步进电机，步进电机也属于开环控制电机的一种，它可以将电脉冲信号转换为角位移。在数字程控交换领域应用非常广泛。图3方案二伺服电机伺服电机是一种间接变速装置，是指在\t"/item/%E4%BC%BA%E6%9C%8D%E7%94%B5%E6%9C%BA/_blank"伺服系统中可以控制\t"/item/%E4%BC%BA%E6%9C%8D%E7%94%B5%E6%9C%BA/_blank"元件转动的发动机，伺服电机在控制速度这一性能方面很好，且控制位置准确。输入信号可以控制此电机的转速，反应很灵敏。伺服电机可以分为两类，第一类是直流伺服电机，第二类交流伺服电机，这两者的主要特点是当信号电压为零时，电机不会旋转，并且转速会随着转矩的增大而匀速下降。伺服电机虽然有很多的优点，但维护不方便。有以上两种方案比较，选择方案一3.6蓝牙的选择方案一蓝牙4.0蓝牙4.0是2012年最新的蓝牙版本，有很多优点，功耗低、成本低、低延迟、有效连接距离长、加密等；蓝牙4.0是对蓝牙3.0+HS规范的补充，专门针对成本和功耗要求较高的无线解决方案，现在在市面上以及各行各业上面已经广泛应用。方案二蓝牙3.0蓝牙3.0根据802.11适配层协议应用了\t"/item/%E8%93%9D%E7%89%993.0/_blank"Wi-Fi技术，极大提高了传输速度。，蓝牙3.0在传输速度方面相对来说会损耗能量，且在待机时也会产生能量损耗。由以上两种方案，选择方案一。3.7本章总结本章介绍的是硬件的主要结构组成的方案比较，硬件设计整个结构的核心内容，在本章中，对主要的硬件结构组成部分进行了分析比较和采用，分别对电源电路、数据存储芯片、步进电机和蓝牙这些硬件在功能和稳定性成本方面进行了总体性评价方案。最终选择出最适合本设计的方案。4软件设计与实现市场所需在这里指的是这款设计相对于市场相对于大众需求而言的，在这次的设计中，其中在软件和硬件方面由以下几项主要的技术：4.1软件PID算法图4PID算法是一种结合了比例微分和积分的一种控制运算方法。它的应用最为广泛的。REF_Ref26024\r\h[2]。U(t)=KpKp比例增益Tt积分时间常数D(t)微分时间常数U(t)输出信号e(T)定值与测量值之差4.2流程图4.3本章总结本章主要是对软件方面进行了说明和分析，软件算法也是本设计主要的一项组成部分，在软件方面主要采用了PID算法，此算法在运用时具有精准、精确、高效的特点，此外在操作方面也绘出了相关流程图。 5硬件设计与实现5.1设计实现准备工作（1）首先本设备的软件支持安卓版本，下载APP“Eye博士视功能”；（2）注册个人账号信息；（3）登陆；（4）在登录界面有使用时长、训练收缩周期和训练舒张周期；（5）对于上面第四项提到的的参数设置，设置参数（参数的设置建议由验光师或医生检验过后给定）；（6）佩戴设备；（7）点击“开始”，即进入训练翻转状态；5.2设备启动内部展示图5图65.3主要元器件清单本设计主要用到的元器件有STM32单片机、步进电机、限位开关、蓝牙4.0、电池、外壳、内盖、电机盖、镜框、镜片、自贡螺丝。5.4主要硬件组成5.4.1电源模块电源模块主要是锂电池充放电电路来给整个系统运作供电，以保证整各系统进行有效工作。5.4.2稳压电路稳压电路部分主要是在工作过程中，为保证翻转拍稳定工作，给人以舒适使用的过程，要确保输出电压、电流稳定。5.4.3蓝牙蓝牙模块主要用于设计和APP之间的连接与控制。5.4.4单片机最小单片机系统STM32F103C8T6,STM32F103C8T6单片机作为整个系统的主要控制器，在单片机驱动控制下使用者可以通过智能反转拍进行灵敏度检测和正常眼部训练。5.4.5检测电路供单片机IO口检测使用，确保正常且正确输入和输出数据。且此部分电路也用于电路自检。5.4.6限位开关限位开关，主要用作翻转模块的辅助电路。5.4.7电机模块电机模块，主要驱动翻转镜的翻转5.5本章总结本章主要是对硬件各部分进行原理图模块化分析展示，并对各个模块在本设计中所需要的功能进行相应的说明。本章主要是综合软件算法、程序和硬件结构，将操作流程步骤进行说明，并对设计在工作工程时进行展现。6翻转视力训练仪的调试调试也是本次设计必不可少的环节，本章简要地阐述了系统硬件调试、软件调试和调试中出现的问题及解决方案。6.1调试设备手机一台，实验台,万用表,示波器,导线若干等.6.2硬件调试硬件调试主要检查的是系统硬件中存在的故障。硬件调试可分为静态调试与动态调试两步进行。6.2.1静态调试静态调试是在系统不工作情况下的一种调试。系统在静态调试中的流程如下:第一步:目测。检查电路板各个线路焊接是否牢固。第二步:用万用表测试。第三步:加电检测。看测试值是否在范围内。第四步:联机检查。6.2.2动态调试动态调试也就是在系统工作时的一种检测，是将硬件错误排除，在本设计中,该系统采用了模块化的设计,所以调试也采用了模块化调试。6.3软件调试软件调试是针对程序语法错误以及算法上面出现错误的一种调试。在本系统中,软件的调试部分包括各类程序的调试。6.4调试现象正因为在起初的设计方面进行了深入学习和研究，在调试的过程中较为顺利，但也出现了一些小小的问题，例如翻转镜的翻转有时翻转不会太顺畅，检查出原因是由于电机头卡的太紧，镜框间隙太小，电机的驱动力度无法驱动翻转镜的翻转，在经历一次又一次的拆、装检查中，系统已经可以正常工作，并且也达到了预