鐘東升無線收發(fā)通信10-13100731122

1、桂林理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計·論文學(xué) 號： 3100731122 題目類型： 設(shè)計 (設(shè)計、論文、報告)桂林理工大學(xué)GUILIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY本科畢業(yè)設(shè)計(論文)題目： 基于單片機的超聲波視力保護器設(shè)計 學(xué) 院： 信息科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)(方向)： 通信工程 班 級： 通信10-1班 學(xué) 生： 鐘東升 指導(dǎo)教師： 張飆 2014年5月20日27摘 要為避免因非標(biāo)準(zhǔn)坐姿這些壞習(xí)慣的產(chǎn)生和發(fā)展，而導(dǎo)致近視、斜視、駝背等疾病的在學(xué)生中的高發(fā)生率，本文針對視力保護領(lǐng)域，提出一種在單片機和超聲波的基礎(chǔ)上設(shè)計的視力保護儀。在基于單片機的實際生產(chǎn)應(yīng)用的大背景下，通過

2、對基于89C52單片機的語言編程進行軟件設(shè)計，運用單片機的定時功能實現(xiàn)操作，在超聲波技術(shù)的理論基礎(chǔ)上，通過超聲波接口對超聲波信號接收進行調(diào)整輸出，實現(xiàn)硬件設(shè)計。超聲波視力保護器是以單片機運用與超聲波技術(shù)相結(jié)合，軟件設(shè)計與硬件設(shè)計相對應(yīng)，通過光強度信號、超聲波信號及時間定時信號三者共同控制，實現(xiàn)報警功能，進行自動控制視力保護。本文完成了基于單片機的超聲波視力保護器的設(shè)計，詳細介紹了視力保護器的軟件編程過程和硬件設(shè)計及制作過程，并給出了各個過程中的難點問題及相應(yīng)的解決辦法，且該視力保護器在實踐運用中證明，可實現(xiàn)自動視力保護功能，方便使用，操作簡單，具有實用性和推廣性。本設(shè)計難點在于如何實現(xiàn)視力保護

3、以及如何準(zhǔn)確調(diào)試電路，意在通過基于單片機的超聲波視力保護器設(shè)計，應(yīng)用于相關(guān)視力保護方面的研究和產(chǎn)品開發(fā)，有助于超聲波技術(shù)的實際運用，留下一些可靠的、有效的信息和數(shù)據(jù)，作為進一步深入研究的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：單片機；超聲波；視力保護器Design of Ultrasonic eye protection Based on MCUStudent:ZHONG Dong-sheng Teacher:ZHANG BiaoAbstract：In order to avoid the occurrence and development of students sitting irregularities cau

4、sed by myopia,strabismus, humpback and other diseases, This paper presents a design method based on single chip ultrasonic vision protector. Mainly introduced in the application of single-chip in view of the actual production of the background,By 89C52 microcontroller-based programming lan

5、guage for software design， tThe use of single-chip timing to achieve operating, by ultrasonic interface to adjust output ultrasonic signal reception, the hardware design.Eye protection is a microcontroller ultrasound combined with ultrasound technology to use, software design and

6、 hardware design correspond to the light intensity signal by ultrasonic signals , the timing signal three times the common control, alarm function, automatic control of eye protection. Paper completed Based on Ultrasonic Eye protection design, detailing the process of software program

7、ming and hardware design and production process of eye protection, and gives each process difficult problems and the corresponding solutions,and the vision protection is demonstrated in practical application, automatic visual protection, easy to use, practical and promotional. Th

8、e design challenge is how to achieve the vision and how to accurately debug circuit protection, intended by the microcontroller-based design of ultrasonic eye protection, eye protection is applied to relevant aspects of the study and product development to help the practical application of

9、 ultrasonic technology, leaving some reliable and effective information and data as the basis for further research.ound technology.Key words：Micro Controller Unit；ultrasonic wave；eye protection目 次摘要IAbstractII1 緒 論11.1 課題研究背景與意義11.2 課題主要研究內(nèi)容11.3 本文結(jié)構(gòu)安排22 方案設(shè)計32.1 設(shè)計要求32.2 總體設(shè)計33 硬件設(shè)計與制作43.1 電源系

10、統(tǒng)43.2 核心控制系統(tǒng)43.3 測距系統(tǒng)63.3.1 測距系統(tǒng)設(shè)計63.3.2 測距系統(tǒng)原理63.3.3 測距系統(tǒng)制作103.4 光強度檢測系統(tǒng)113.5 報警系統(tǒng)123.6 顯示系統(tǒng)133.7 定時報警系統(tǒng)144 軟件設(shè)計154.1 軟件設(shè)計總流程154.2 子程序設(shè)計154.2.1 計時子程序154.2.2 報警子程序174.2.3 超聲波傳感器子程序184.2.4 測光強子程序194.3 主程序設(shè)計225 安裝調(diào)試265.1 安裝265.1.1 檢查元器件265.1.2 焊接元器件265.2 調(diào)試266 結(jié)論27致 謝29參考文獻301 緒 論1.1 課題研究背景與意義目前，近視問題已

11、經(jīng)成為困擾廣大學(xué)生與家長的重點問題，配戴近視眼鏡降低近視度數(shù)、激光手術(shù)消除近視眼等技術(shù)的興起，讓預(yù)防近視保護視力成為了人們共同關(guān)注的問題。據(jù)調(diào)查研究表明，采用非標(biāo)準(zhǔn)的讀寫姿勢、看電視和用電腦的時間太長、讀寫時光照強度差等，都是導(dǎo)致學(xué)生近視的原因，但是，閱讀和寫作的姿勢不正確還是產(chǎn)生近視的最重要誘因。在閱讀和寫作中的學(xué)生，標(biāo)準(zhǔn)姿勢應(yīng)是書本距離眼睛大于有一尺，書桌與身體應(yīng)該相隔一個拳頭遠近，且要在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的合適亮度中進行。在越來越大的壓力和越趨激烈的社會競爭這樣的環(huán)境壓迫下，學(xué)生學(xué)習(xí)的時間越來越長，在社會科技發(fā)展越來越猛烈的趨勢下，電腦電視的普及，也會造成學(xué)生用眼時間的增多，而不正確的用眼會導(dǎo)致

12、視力急劇下降，給生活帶來不便。因此，視力保護器的產(chǎn)生對學(xué)生視力的保護至關(guān)重要。視力保護的研究源于國外。國外學(xué)者趨向于研究產(chǎn)生近視的內(nèi)因，他們認(rèn)為，要降低發(fā)生近視的概率跟合理的飲食營養(yǎng)搭配有關(guān)，要多吃魚和新鮮的蔬菜才能有效得保護視力，而且要有正確的學(xué)習(xí)習(xí)慣，才能預(yù)防近視。當(dāng)然，國外的研究是基于他們國家的教育制度的基礎(chǔ)上，由于跟中國的教育制度存在一定的差異，國外的研究結(jié)論并不能完全適用于中國。在中國，有許多的電子公司生產(chǎn)的視力保護器，主要是稱為視寶或讀寫姿勢矯正裝置，通過語音提示不良或者非標(biāo)準(zhǔn)坐姿來提醒使用者進行調(diào)整，可以糾正使用者的讀寫姿勢，但是由于現(xiàn)有的視力保護器功能單一，具有很大的局限性，與

13、人們的多種需求不符，還存在著很大的差距，無法滿足使用者的要求，也不能從根本上起到保護視力的作用。在學(xué)習(xí)壓力日趨增大，社會競爭日益激烈的大背景下，一個具有良好實用性的視力保護裝置對學(xué)生來說顯得越來越重要1。1.2 課題主要研究內(nèi)容基于保護人們視力和預(yù)防視力的目的，本文提出一種在單片機和超聲波的基礎(chǔ)上的儀器設(shè)計方法，即在單片機的超聲波基礎(chǔ)上的視力保護器的設(shè)計。課題的主要研究內(nèi)容是在基于單片機的實際生產(chǎn)應(yīng)用，通過對基于89C51單片機的語言編程進行軟件設(shè)計，運用單片機的定時功能實現(xiàn)操作，在超聲波技術(shù)的理論基礎(chǔ)上，通過超聲波接口對超聲波信號接收進行調(diào)整輸出，實現(xiàn)硬件設(shè)計。超聲波視力保護器是以單片機運用

14、與超聲波技術(shù)相結(jié)合，軟件設(shè)計與硬件設(shè)計相對應(yīng)，通過超聲波信號、傳感器信號及時間定時信號三者共同控制，實現(xiàn)報警功能，進行自動控制視力保護。設(shè)計主要采用理論與實際相結(jié)合的方法，對于主電路的設(shè)計是基于89C52單片機芯片作為整個電路的核心，整體思路下，然后選用相應(yīng)的基于合適性價比和參數(shù)的元件，而后進行各單元電路的設(shè)計，最后在計算機上對電路進行仿真分析，進行相應(yīng)的功能的調(diào)試工作。本次設(shè)計中，選用器件為：89C52單片機、超聲波傳感器、光敏電阻、蜂鳴器用來作為報警系統(tǒng)。1.3 本文結(jié)構(gòu)安排為達到本課題的研究目的，更有條理地完成課題的研究內(nèi)容，本文主要分為五大部分，分別介紹了課題研究背景與意義、主要研究內(nèi)

15、容和本文結(jié)構(gòu)安排；硬件設(shè)計與制作；軟件設(shè)計；安裝調(diào)試。具體的論文結(jié)構(gòu)安排如下所示：第一部分：介紹本課題的研究背景和意義，強調(diào)超聲波視力保護器設(shè)計的必要性，總結(jié)課題的主要研究內(nèi)容及闡述了本文結(jié)構(gòu)安排。第二部分：完成超聲波視力保護器的可行方案設(shè)計，并從中比選出最佳設(shè)計方案。第三部分：完成超聲波視力保護器各個組成系統(tǒng)的硬件設(shè)計與制作。第四部分：完成超聲波視力保護器各個組成系統(tǒng)的軟件設(shè)計。第五部分，完成本設(shè)計的總體安裝與調(diào)試，并分析解決調(diào)試中遇到的問題。最后，本設(shè)計進行總結(jié)。2 方案設(shè)計2.1 設(shè)計要求本設(shè)計內(nèi)容為基于單片機的超聲波視力保護器設(shè)計，要求設(shè)計成品達以下要求：(1) 出現(xiàn)以下三種情況時，視

16、力保護器將發(fā)出聲音起到警示作用：1） 當(dāng)使用者眼睛與桌面距離小于30厘米時，即坐姿不正時；2） 當(dāng)使用者處于光線不足的環(huán)境讀寫時；3） 當(dāng)使用者用眼超過45分鐘時，即需停下來休息保護視力。(2) 可調(diào)節(jié)視力保護器的檢測光線靈敏度，根據(jù)需要設(shè)置亮暗。(3) 視力保護器電路安全可靠，在做出實際模型時同樣可以實現(xiàn)相應(yīng)的功能。2.2 總體設(shè)計本設(shè)計中，超聲波視力保護器主要的控制系統(tǒng)為核心組件，即89C52單片機，報警系統(tǒng)分為三方面：(1) 超聲波測距傳感器，用于檢測使用者臉部與桌面之間的遠近，使眼睛與桌面距離不得小于30厘米，否則將發(fā)出聲音作為提醒用戶注意坐姿的警告；(2) 光敏電阻用以采集光線信號的

17、強弱，用來判別光線強度是否適合讀寫，若光線強度不足，將發(fā)出警告聲提醒使用者；(3) 單片機的內(nèi)部定時器/計數(shù)器，用于提醒學(xué)生要注意時間，不要用眼過度，當(dāng)內(nèi)部定時器的計數(shù)到達45分鐘，表明用眼時間已到達45分鐘時，視力保護器自動提醒功能開啟，產(chǎn)生警告聲提醒使用者停下讀寫，保證休息時間，保護視力?？傮w設(shè)計框架如下圖所示23：電源系統(tǒng)STC89C52核心控制系統(tǒng)光強度檢測系統(tǒng)超聲波測距系統(tǒng)蜂鳴器報警系統(tǒng)圖2-1 總體方案設(shè)計框圖3 硬件設(shè)計與制作3.1 電源系統(tǒng) 由于本系統(tǒng)是由電池供電的，我們考慮了以下為系統(tǒng)供電兩種選擇：(1) 選用9V的電源，即1.5 V干電池共6節(jié)，為系統(tǒng)主電路提供電源動力。經(jīng)

18、過實踐表明，總體電路工作時，單片機、超聲波傳感器和發(fā)聲報警電路處于穩(wěn)壓電路，可以滿足系統(tǒng)的要求，和電池更換方便，易于操作。(2) 選用蓄電池穩(wěn)壓后為單片機、超聲波傳感器穩(wěn)定提供電源，蓄電池為12V。蓄電池的優(yōu)點是電流驅(qū)動性能好、可以穩(wěn)壓輸出，但其體積過大的缺點也十分明顯，還有攜帶不便，更換成本高，在發(fā)聲報警器上使用極為不方便。因此放棄此方案。綜上所述采用方案(1)。電源采用6節(jié)1.5V電池供電，而后選擇7805穩(wěn)壓芯片來穩(wěn)定電壓，將電源電壓穩(wěn)定為5V。用來給超聲波傳感器、STC89C52單片機提供動力，能充分滿足總系統(tǒng)的電力需求，且在一定程度上節(jié)約電源。電源系統(tǒng)的電路圖設(shè)計思路如下圖所示。圖中

19、電容用于補償由于電感產(chǎn)生的無功功率，減少線路損耗；電阻用于防止正負(fù)極直接連通；發(fā)光二極管用于方便看出通電與否。9VVin1GND2Vout3VW-1sw-2470uFC4103C5CAPD2LED2KR5GNDGNDVCC12P2圖3-1 電源系統(tǒng)電路框圖3.2 核心控制系統(tǒng)單片機的優(yōu)勢在于易于操控、攜帶方便、反應(yīng)快。核心控制系統(tǒng)可選擇的有許多，但本設(shè)計最終采用89C52單片機，因為其可實現(xiàn)自動報警與提醒的基本功用，同時可以判別超聲波傳感器所得到的距離的遠近，以及分析光敏電阻接收的光照強度進行等級分類。單片機可充分發(fā)揮其便于攜帶、性價比高、控制功能較強及可位尋址操作功

20、能等優(yōu)點。故STC89C52單片機對于本次設(shè)計核心的控制系統(tǒng)是一個非常好的選擇。圖3-2 STC89C52單片機芯片原理圖STC89c52單片機片內(nèi)含有掩膜ROM型程序存儲器。因為這種只讀存儲器中的程序要由單片機生產(chǎn)廠制作芯片時為用戶固化于片內(nèi)，所以只適用于批量極大、程序要永久性保留且不會修改的場合。其主要組成部分為：（1）中央處理器(CPU)。它是單片機的核心，包括運算器和控制器兩個主要組成部分，用于實現(xiàn)運算和控制功能。運算器主要包括算術(shù)邏輯運算部件(ALU)、位處理器、累加器A、寄存器B、緩存器TMP1和TMP2、程序狀態(tài)字寄存器PSW以及十進制調(diào)整電路等。其主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)運算、

21、邏輯運算、位操作及數(shù)據(jù)傳送等?？刂破髦饕蓵r鐘和時序電路以及一些控制寄存器組成。其主要功能是協(xié)調(diào)整個單片機的工作，產(chǎn)生時序脈沖和提供控制信號等4。（2）數(shù)據(jù)存儲器。MCS-52系列單片機芯片數(shù)據(jù)存儲器共有128個存儲單元，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)。為了與外部擴展的數(shù)據(jù)存儲器相區(qū)別，通常稱芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，簡稱內(nèi)部RAM。（3）程序存儲器。89c52芯片內(nèi)部有4KB掩膜ROM用來存放程序和原始數(shù)據(jù)。通常稱之為內(nèi)部程序存儲器或內(nèi)部ROM。（4）定時器/計數(shù)器。MCS-52共有兩個16位的定時器/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時和計數(shù)功能。（5）并行I/O口。MCS-52共有四個8位的I/O口(即

22、P0、P1、P2和P3)，用以完成數(shù)據(jù)的并行輸入/輸出。（6）串行I/O口。MCS-52有一個全雙工串行口，以實現(xiàn)單片機和其他計算機或設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。（7）中斷控制系統(tǒng)。MCS-52共有5個中斷源，分高和低兩個優(yōu)先級別。3.3 測距系統(tǒng)3.3.1 測距系統(tǒng)設(shè)計市場上一些視力保護器是采用紅外熱釋電傳感器來檢測使用者坐姿是否正確。但經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，由于紅外熱釋電傳感器原理是當(dāng)使用者坐姿發(fā)生變化，一個由高到低的電信號就會由紅外熱釋電傳感器輸出，傳感器敏感度高，當(dāng)人只是輕微的移動，視力保護器也會報警，誤報警的情況很多，使用不便。而選擇超聲波傳感器，通過檢查學(xué)生的臉部與桌面的距離遠近的實際值來判斷

23、坐姿，則更為準(zhǔn)確。當(dāng)所測的距離小于30厘米時就會向核心控制系統(tǒng)發(fā)出提醒的信號。超聲波傳感器的優(yōu)勢在于不僅能夠滿足視力保護器的測距性能，而且體積小，操作簡單，性價比高，能更好地實現(xiàn)超聲波視力保護器的推廣。因此選擇超聲波傳感器。3.3.2 測距系統(tǒng)原理3.3.2.1 超聲波的衰減特性聲波的波段頻率如果比20千赫茲大，則是超聲波。超聲波在固液氣體中都可進行擴散，但速度各不相同。其屬于在彈性介質(zhì)中的機械振蕩，方向可以分橫縱向兩種，存在折射和反射現(xiàn)象。圖3-3 聲壓在不同距離下的衰減特性超聲波的衰減特性是，超聲波在擴散的過程中，超聲波的強度會隨傳播距離逐漸增大而有規(guī)律地衰減。是因為在空氣中，超聲波傳播的

24、過程當(dāng)中會有能量的損失，而這種損失是由于衍射擴散和介質(zhì)吸收造成的。根據(jù)圖3-3可知，超聲波在傳播過程中，當(dāng)頻率逐漸升高，衰減逐漸變大，傳播的有效長度逐漸變短。由此可見，超聲波傳感器可以檢測的可靠距離不是獨立存在的，它會因為超聲波的衰減特性發(fā)生改變。本設(shè)計采用了超聲波傳感器型號為HC-RS04，具有40000赫茲振蕩頻率，當(dāng)超聲波的信號擴散10米時，強度將衰減到40的SP。3.3.2.2 超聲波的電器特性(1) 聲壓特性表征音量大小的單位是聲壓級 (S.P.L.)，公式如下。S.P.L.= 20logP/Pre (dB)式中, 分母是參考聲壓，分子是有效聲壓。如下圖所示為幾種常用超聲波傳感器的聲

25、壓圖，從圖中可以看出，最高聲壓值都出現(xiàn)在頻率為40kHz時，故此時超聲波傳感器的聲壓特性最為明顯。圖3-4 超聲波傳感器的聲壓圖(2) 靈敏度特性傳感器對回收的聲音進行處理分級，可用靈敏度作為其表征單位，公式如下。靈敏度= 20log E/P (dB)式中,“E”為自行產(chǎn)生的電壓 (Vrms)，“P”為接收聲壓值(bar)。系統(tǒng)測距范圍很大程度受到超聲波傳感器的靈敏度的影響，如圖3-4所示，為幾種常見超聲波傳感器的靈敏度圖，從圖中同樣可以發(fā)現(xiàn)，最高聲壓值都出現(xiàn)在頻率為40kHz時，故此時超聲波傳感器的聲壓特性最為明顯，同樣可以說明，在40KHz時所對應(yīng)的超聲波傳感器的靈敏度最高。圖3-5 超聲

26、波傳感器的靈敏度圖(3) 輻射特性輻射特性是超聲波傳感器不可忽視的一個重要特性，那如何才能測量出呢？可把超聲波傳感器放置于水平面，而后測量角度發(fā)生的變化，再進行聲壓變化的測量，比較兩者的比例變化，得出其中關(guān)系。對于較小的超聲波設(shè)備外尺寸，更有可能獲得更精確的輻射角度。如下面的圖3-6所顯示，超聲波的輻射特性在于常見的常見超聲波傳感器中的表征圖。圖3-6 超聲波傳感器的輻射特性示意圖通過對以上研究結(jié)果的分析，可以得出以下結(jié)論：超聲波傳感器最佳工作頻率在40KHz范圍附近，此時超聲波傳感器可具有最大的聲壓級和最高的靈敏度。超聲波傳感器最小的輻射特性則出現(xiàn)在超聲波設(shè)備外表面尺寸最小時。這為設(shè)計中選擇

27、最為合適的超聲波傳感器提供了理論基礎(chǔ)。3.3.2.3 超聲波的工作原理運用普遍的超聲波傳感器大多是開放型，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-7所示。振動器采用諧振，由壓電晶片和錐形共振盤構(gòu)成。超聲波是因為振動而產(chǎn)生的，為了能快速可靠地將其向外輻射，且可較為完整地使其集中在振動器的中心點，諧振器做成喇叭形。圖3-7 超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖壓電陶瓷會受到電壓的影響和頻率的作用，將產(chǎn)生力學(xué)上的變形。由于機械振動，壓電陶瓷會產(chǎn)生一個電荷。在這原理的基礎(chǔ)上，對振動器加入相應(yīng)的電信號時，就會因為變形和振動而發(fā)射出超聲波。反之，當(dāng)向振動器加入超聲波振動時，就會反過來剛才所說的順序產(chǎn)生對應(yīng)的電信號。圖3-8 超聲波傳感器的

28、避障原理示意圖如圖3-8所示，位于的發(fā)射器超聲波傳感器向某一方向發(fā)射入射波，在發(fā)射入射波的同時就實現(xiàn)計時器的啟動，超聲波在空氣中的傳播速度為一定值，而在傳播過程里無論遭遇任何較大的阻礙性固體介質(zhì)，都馬上產(chǎn)生反射，當(dāng)接收器收到反射波時，計時器就馬上暫停工作，顯示所用的時間。已知超聲波傳播時的速度因介質(zhì)不同而不相同，在空氣中是定值340米/秒，計時器中顯示的時間為t秒，可得入射波發(fā)生點和阻礙介質(zhì)之間的相聚多遠，得 s(米)，公式如下：s=340t/23.3.3 測距系統(tǒng)制作使用HC-RS04超聲波傳感器可感知 2厘米 到400厘米的非接觸式距離，且現(xiàn)成的精度可達3毫米。該超聲波傳感器分為發(fā)射、控制

29、和接受三大部件。超聲波傳感器接線如下圖示。Vcc是提供的5V電源，GND是地線，TRIG是接收信號，即測距信號的分析，ECHO是反射信號，即對測距信號處理后產(chǎn)生的反應(yīng)信號輸出到核心控制系統(tǒng)。圖3-9 超聲波傳感器實物圖圖3-10 超聲波時序圖以上時序圖表明你只需要提供一個10us以上的脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個40KHZ周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號?；仨懶盘柕拿}沖寬度與所測距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離。故超聲波傳感器的基本運行理論是： (1) 高電平信號是大于10us的觸發(fā)范圍，用IO接口觸發(fā)；(2) 可自動判斷有沒有信

30、號返回，此時傳感器通過發(fā)送320khz的超聲波來監(jiān)測；(3)當(dāng)存在信號返回，用IO接口回應(yīng)高波段信號并進行數(shù)據(jù)記錄，超聲波開始發(fā)射一直至反射回到傳感器的所用時長，即為高電平持續(xù)時長。當(dāng)距離小于設(shè)定的距離時，觸發(fā)報警發(fā)聲電路工作，發(fā)出聲音提醒該學(xué)生坐直，從而達到保護該學(xué)生視力的目的56。3.4 光強度檢測系統(tǒng)光強度檢測系統(tǒng)可選擇采用光照度傳感器M124749或光敏電阻。光照度傳感器雖然體積小，線性度好，抗干擾能力強，但由于價格昂貴，將導(dǎo)致視力保護器成本過高，難以推廣。而光敏電阻則由于價格低廉，性價比高，使用廣泛。本次設(shè)計采用光敏電阻。由于其對光具有較為靈敏的反應(yīng)，即敏感性，電阻值的大小可以隨照射

31、光線強弱而發(fā)生改變，故稱為光敏電阻。光線越強，電阻越小，反之，光線越弱，電阻越大。這是由于在電阻中，受到光線激發(fā)，原本的穩(wěn)態(tài)電子變成自由電子，故電阻值發(fā)生改變。光敏電阻由于其內(nèi)的光電效應(yīng)和電極無關(guān)，即可使用直流電源，使用和操作更為方便，可便于視力保護器的改進和普及推廣7。光強度檢測系統(tǒng)采用光敏電阻。光敏電阻是電阻隨光線強弱而發(fā)生變化的光敏感型電阻。光線越強，電阻越小，反之，光線越弱，電阻越大。由于電阻不同，然后分得的電壓也不同。當(dāng)光敏電阻受到較強的光照照射時，光敏電阻阻值變低，輸出端輸出高電平，為模擬信號，經(jīng)1/4LM339（四電壓比較器，用其中的一個即可）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號然后經(jīng)反相器傳給單片機

32、，此時，傳過去的信號為低電平，即光線正常時輸出信號為低電平；當(dāng)光敏電阻受到較弱的光照照射時，光敏電阻阻值為無窮大，輸出電壓為Vce=0.7v，為低電平，經(jīng)比較器輸出為零，再經(jīng)反相器作用后輸出為1，即光線較暗淡時，總的輸出電壓為高電平即1。反饋到單片機上，觸發(fā)蜂鳴器報警8。圖3-11 光敏電阻控制電路圖上圖是光敏控制電路原理圖。當(dāng)光敏電阻受到較強的光照照射時，光敏電阻阻值變低，輸出端輸出高電平，為模擬信號，經(jīng)1/4LM339（四電壓比較器，用其中的一個即可）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號然后經(jīng)反相器傳給單片機，此時，傳過去的信號為低電平，即光線正常時輸出信號為低電平；當(dāng)光敏電阻受到較弱的光照照射時，光敏電阻阻值

33、為無窮大，輸出電壓為Vce=0.7v，為低電平，經(jīng)比較器輸出為零，再經(jīng)反相器作用后輸出為1，即光線較暗淡時，總的輸出電壓為高電平即1。反饋到單片機上，觸發(fā)蜂鳴器報警。通過對AD收集得到的光的強度值下的電壓值分析，根據(jù)光線強度下的理想電壓值，設(shè)定報警光強度值。3.5 報警系統(tǒng)市場上的視力保護器多采用語音報警，用真人化語音提示使用者讀寫姿勢是否正確，是否用眼過度需要休息。語音報警直接明了，但語音芯片的編程需要專業(yè)編程器，不僅價格昂貴而且編程復(fù)雜，不便于視力保護器的推廣和普及。經(jīng)綜合考慮，本次設(shè)計采用蜂鳴器報警。蜂鳴器的主要優(yōu)點為小巧，簡單便捷，易于操控，性價比高。采用蜂鳴器實現(xiàn)三方面報警，也能滿足

34、系統(tǒng)的要求，且有利于超聲波視力保護器的推廣。蜂鳴器采用三極管驅(qū)動，驅(qū)動原理圖如下圖所示。圖3-12 蜂鳴器驅(qū)動原理示意圖 三極管C8550主要是做驅(qū)動用的。因為單片機的IO口驅(qū)動能力不夠讓蜂鳴器發(fā)出聲音，所以我們通過三極管放大驅(qū)動電流，從而可以讓蜂鳴器發(fā)出聲音，利用單片機的定時功能通過P3.3，產(chǎn)生一個振蕩脈沖方波，輸出高電平，三極管導(dǎo)通，集電極電流通過蜂鳴器讓蜂鳴器發(fā)出聲音，當(dāng)輸出低電平時，三極管截止，沒有電流流過蜂鳴器，所以就不會發(fā)出聲音。3.6 顯示系統(tǒng) 市場上的視力保護器大多采用數(shù)碼管進行顯示。雖然數(shù)碼管的顯示速度快，使用簡單，但單一的內(nèi)容，極小的信息量，不能表達出良好的人機界面。故本

35、次作品中，超聲波視力保護器采用LCD1602。因其顯示清晰明了，且顯示內(nèi)容豐富，顯示信息量大，能很好地彌補不采用語音報警所產(chǎn)生的不足。下圖為顯示電路，這一次設(shè)計采用LCD1602液晶顯示9。圖3-13 LCD顯示電路示意圖LCD引腳含義如下：第1腳：VSS為電源地。第2腳：VDD接5V電源正極。第3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會 產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度）。 第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時

36、進行寫操作。 第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第1516腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負(fù)極。3.7 定時報警系統(tǒng) 超聲波視力保護器的定時報警電路由核心控制系統(tǒng)中的定時計數(shù)器和報警蜂鳴器的子電路組成。它的工作原理為通過單片機的定時計數(shù)功能完成定時45分鐘的計數(shù)，45分鐘結(jié)束后使報警電路發(fā)出報警聲10。單片機內(nèi)存在兩個可編程的計數(shù)器，滿足記數(shù)功能，可通過編程設(shè)置精確的定時時間，作為單片機各項應(yīng)用功能的需要。它們具有兩種工作模式(計數(shù)器模式和定時器模式)及4種工作方式(方式0，方式1，方式2，方式3)。在相應(yīng)的特殊功能寄存器中存放

37、有其控制字，通過對單片機的特殊功能寄存器的編程，你可以很容易地選擇最為有效的工作模式，達到想要的運行狀態(tài)。當(dāng)定時器/計數(shù)器為定時工作方式時，計數(shù)器的加1信號由振蕩器的12分頻信號產(chǎn)生，即每過一個機器周期，計數(shù)器加1，直至計數(shù)滿溢出為止。顯然，定時器的定時時間與系統(tǒng)的振蕩頻率有關(guān)。因一個機器周期等于12個振蕩周期，所以計數(shù)頻率fcount=1/12osc。如果晶振為12MHz，則計數(shù)周期為：T=1/（12×106）Hz×1/12=1s這是最短的定時周期。若要延長定時時間，則需要改變定時器的初值，并要適當(dāng)選擇定時器的長度(如8位、13位、16位等)。工作方式控制寄存器TMOD用

38、于控制定時器/計數(shù)器的工作模式及工作方式，它的字節(jié)地址為89H。定時器/計數(shù)器的兩個作用是用來精確的模擬一段時間間隔(作定時器用)或累計外部輸入的脈沖個數(shù)(作計數(shù)器用)。當(dāng)作定時器用時，在其輸入端輸入周期固定的脈沖個數(shù)，即可計算出所定時間的長度。當(dāng)89c52內(nèi)部的定時器/計數(shù)器被選定為定時器工作模式時，記數(shù)輸入信號是內(nèi)部時鐘脈沖，每個機器周期產(chǎn)生一個脈沖使計數(shù)器增1，因此，定時器/計數(shù)器的輸入脈沖和機器周期一樣，為時鐘頻率的1/12。本設(shè)計采用的時鐘周期為6MHz，記數(shù)速度為500KHz，輸入脈沖的時間間隔為0.5秒。4 軟件設(shè)計4.1 軟件設(shè)計總流程軟件設(shè)計是確定超聲波視力保護器的主要過程，

39、并根據(jù)實現(xiàn)功能的主程序設(shè)計各硬件電路功能，然后設(shè)計子程序的電路，最后再將各子程序與超聲波視力保護器主程序相連接。這種軟件設(shè)計方法結(jié)構(gòu)簡單，易于理解。由于各個不同子程序和其相應(yīng)的硬件的電路是對應(yīng)的關(guān)系，所以容易調(diào)試，易于分析和調(diào)整。超聲波視力保護器主要軟件設(shè)計流程圖如下圖所示。測光子程序用于檢測光照強度是否符合護眼標(biāo)準(zhǔn)并將結(jié)果發(fā)送到主程序，測距子程序用于檢測眼睛與桌面距離是否符合標(biāo)準(zhǔn)并將結(jié)果發(fā)送到主程序，計時子程序用于計算用眼時間是否超過規(guī)定時限同樣將結(jié)果發(fā)送到主程序，報警子程序用于接收各主程序發(fā)送信號并判斷是否進行報警11。超聲波視力保護器主程序測光子程序測距子程序計時子程序報警子程序圖4-1

40、 軟件功能框圖4.2 子程序設(shè)計4.2.1 計時子程序?qū)W生的學(xué)習(xí)時間過長也是導(dǎo)致近視的原因之一，所以適當(dāng)?shù)南拗茖W(xué)習(xí)時間就是防近視的一種有效方法，這一個子程序就是計算學(xué)習(xí)時間長度。其中有兩種方法可能做到定時，一種是軟件定時，另一種是硬件定時，軟件定時占用52單片機的CPU資源，并且不穩(wěn)定，容易死循環(huán)與崩潰。硬件定時就沒有這一個問題，本系統(tǒng)的定時采用的是52單片機的兩個定時器之一，定時器1。用void time1_int() interrupt 3函數(shù)來定時，定時器的初值設(shè)定為TH1 = 0x3c;TL1 = 0xb0;10ms后溢出中斷，調(diào)用服務(wù)程序，使得事先定義好的變量value+；當(dāng)valu

41、e+達到一定值就可以存儲秒變量加一，當(dāng)時長超過設(shè)定值時就可以報警，讓學(xué)生休息12。具體的程序如下： 圖4-2 計時子程序流程圖主要程序如下：static uint value; /定時10ms中斷一次TH1 = 0x3c;TL1 = 0xb0; /50msvalue+;if(value % 6 = 0)flag_200ms = 1; if(value >= 20)value = 0 ;if(xuexi_start = 1) miao +; /加1秒鐘if(miao >= 60) miao = 0;fen +; /加1分鐘if(fen >= 60)fen = 0;shi +;

42、/加1小時if(shi >= 24)shi = 0;4.2.2 報警子程序 報警部分主要是在距離、光線其中之一不滿足設(shè)定值的情況下，觸動報警系統(tǒng)。程序定位在函數(shù)void clock_beep()，將會跟據(jù)兩個感應(yīng)器采集到的的數(shù)據(jù)來做出判斷，定義以下幾個變量：uchar flag_alarm; /報警變量uint set_d; /距離uchar set_gx; /設(shè)置光線的強弱的變量對距離長短、光線的強弱，做出判斷，為了防止對學(xué)生造成不必要的干擾，要進行5次反復(fù)判決才使報警標(biāo)志位置1，即lag_alarm=1；單片機通過查詢標(biāo)志位而使得蜂鳴器報警。流程圖如下：圖4-3 報警子程序流程圖 4

43、.2.3 超聲波傳感器子程序超聲波測距程序，定義uint set_d變量，程序中使用到另一個定時器0，其中一個用計算學(xué)習(xí)時長，相比于軟件定時，采用定時器中斷更加精準(zhǔn)。軟件流程圖如圖4-4。這個子程序主要的問題就在于定時器的選擇上，主要源代碼如下：distance = TH0; /讀出定時器0的時間distance = distance * 256 + TL0;distance +=( flag_hc_value * 65536);/算出超聲波測距的時間 得到單位是msdistance *= 0.017; / 0.017 = 340M / 2 = 170M = 0.017M 算出來是米 圖4-4

44、 超聲波傳感器子程序流程圖4.2.4 測光強子程序 光強的采集使用的是AD0832，AD0832是8位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可支持兩個單端輸入通道和一個差分輸入通道，本設(shè)計用的單端輸入通道。主要是對應(yīng)時序圖來理解。光感連接到AD0832，采集到的數(shù)據(jù)，顯示到1602顯示芯和片。程序就會進入ad0832read(bit SGL,bit ODD)中進行相關(guān)操作。作為單通道模擬信號輸入時 ADC0832 的輸入電壓是 05V 且 8 位分辨率時 的電壓精度為 19.53mV。如果作為由 IN+與 IN-

45、輸入的輸入時，可是將電壓值設(shè) 定在某一個較大范圍之內(nèi)，從而提高轉(zhuǎn)換的寬度。但值得注意的是，在進行 IN+ 與 IN-的輸入時，如果 IN-的電壓大于 IN+的電壓則轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果始終為 00H1314。圖4-5 ADC0832數(shù)據(jù)讀取程序流程圖4-6 測光強子程序流程4.3 主程序設(shè)計單片機控制電路由89c52單片機的P3.4和P3.5即T0和T1定時/計數(shù)器通過單片機的匯編語言來實現(xiàn)！定時時間為50分鐘，其計時初值可計算如下151617：50*60=3000s=30000*100ms 100ms用T0定時設(shè)置T0工作方式

46、1，30000次用T1計數(shù)，設(shè)T1工作方式為11。 T0的定時初值為：216-100ms/2us=15536=C3B0H；T1的計數(shù)初值為65536-30000=35536=8AD0H其中T0為定時器，T1為計數(shù)器，定時器T0定時100ms后，計數(shù)器T1計數(shù)一次，此時，定時器T0進行中斷服務(wù)程序ZDT0進行定時器T0循環(huán)定時進入下一個定時周期，當(dāng)滿足又一次定時滿100ms時，再由計數(shù)器T1計數(shù)一次，如此循環(huán)下去，直到滿足計數(shù)器T1計數(shù)30000次，計數(shù)器T1進入中斷服務(wù)程序ZDT1，其功能是使單片機的P3.0引腳發(fā)送一個脈沖觸發(fā)定時報警發(fā)聲電路，由定時報警發(fā)聲電路發(fā)出報警信號，使學(xué)生意識到已經(jīng)

47、學(xué)習(xí)了45分鐘了，需要休息一下，進而達到保護學(xué)生視力的目的。此時，學(xué)生應(yīng)關(guān)閉視力保護器電源，休息后在開啟電源以進行節(jié)能。開啟電源后，定時器T0和計數(shù)器T1進行到下一循環(huán)，對定時器進行賦值，T0定時，T計數(shù)，再進行報警181920。1設(shè)計要求滿足定時50分鐘后報警，其初值計算如下：50min*60=3000s=30000*100ms100ms用T0定時設(shè)置T0工作方式1，30000次用T2計數(shù)，設(shè)T2工作方式為11。T0的定時初值為：216-100ms/2us=15536=C3B0H；T1的計數(shù)初值為65536-30000=35536=8AD0H圖4-7 計時子程序流程2.LCD1602顯示字符

48、流程圖4-8 LCD1602顯示字符流程3程序為：/*液晶lcd顯示*/主要源程序如下：void write_com(uchar com)/寫命令函數(shù) lcdrs=0;P0=com;lcd_delay(20);lcden=1;lcd_delay(20); lcden=0;void write_date(uchar date)/寫數(shù)據(jù)函數(shù) lcdrs=1;P0=date;lcd_delay(20);lcden=1;lcd_delay(20);lcden=0;void init_lcd()/初始化函數(shù) lcden=0;/默認(rèn)開始狀態(tài)為關(guān)使能端，見時序圖 lcdrw=0;/選擇狀態(tài)為 寫write_

49、com(0x0f);write_com(0x38);/顯示模式設(shè)置，默認(rèn)為0x38,不用變。write_com(0x01);/顯示清屏，將上次的內(nèi)容清除，默認(rèn)為0x01. write_com(0x0c);/顯示功能設(shè)置0x0f為開顯示，顯示光標(biāo)，光標(biāo)閃爍；0x0c為開顯示，不顯光標(biāo)，光標(biāo)不閃write_com(0x06);/設(shè)置光標(biāo)狀態(tài)默認(rèn)0x06,為讀一個字符光標(biāo)加1. write_com(0x80);/設(shè)置初始化數(shù)據(jù)指針，是在讀指令的操作里進行的void lcd_delay(uchar x) uint i,j;for(i=x;i>0;i-)for(j=10;j>0;j-);/外

50、部中斷0，用做判斷回波電平 INTO_() interrupt 0 / 外部中斷是0號 tH =TH0; /取出定時器的值 tL =TL0; /取出定時器的值 succeed_flag=1; /至成功測量的標(biāo)志 EX0=0; /關(guān)閉外部中斷 /*5 安裝調(diào)試5.1 安裝5.1.1 檢查元器件根據(jù)硬件設(shè)計所選擇的的元器件，和設(shè)計的各子程序電路圖，制定所需購買的元器件清單。根據(jù)清單買好元器件后，首先檢查各個元器件的好壞，即是否能實現(xiàn)所需功能，按各元件的檢測方法不盡相同，要分別仔細認(rèn)真地進行檢測，防止出現(xiàn)錯漏。然后要認(rèn)真核對電路圖，看元器件和清單所列相符與否，如果全部正確，開始放置、焊接，避免某一元

51、件發(fā)生錯誤但已經(jīng)焊接，難以更改。5.1.2 焊接元器件按照設(shè)計電路圖所示，在電路板上按正確位置安裝各元器件，在放置過程中較低的元器件要先放置、焊接，而后再進行較高的元器件的焊接。容易損壞的元件要最后進行焊接，集成芯片的焊接需要特別注意，焊接持續(xù)時間要小于10s，以防止?fàn)C壞芯片，還要注意芯片的安裝方向是否正確。5.2 調(diào)試調(diào)試步驟如下：(1) 開啟電源鍵，打開顯示系統(tǒng)，若出現(xiàn)亮光，則電源系統(tǒng)正常運行。(2) 調(diào)試顯示系統(tǒng)，按鍵控制液晶屏顯示，若正常顯示，則說明顯示部分無誤。(3) 調(diào)試超聲波傳感器，使其靈敏度達到理想效果。(4) 調(diào)試光敏電阻，調(diào)整光線的亮暗，設(shè)定光敏電阻報警值。(5) 調(diào)試蜂鳴

52、器電路，使超聲波傳感器測距小于臨界值或光線強度小于報警值，觀察蜂鳴器是否正常工作。 (6) 調(diào)試定時報警器，在限定時間后是否出現(xiàn)報警?？蛇M行多種方式多樣化調(diào)試，根據(jù)成品出現(xiàn)情況的不同而不同。出現(xiàn)問題時，應(yīng)從問題的根源考慮，不僅要學(xué)會解決問題，更應(yīng)探究問題的由來，盡量從開始就避免問題的出現(xiàn)，對產(chǎn)品進行改良。6 結(jié)論 本次畢業(yè)設(shè)計從培養(yǎng)良好的讀寫習(xí)慣、預(yù)防近視的角度出發(fā)，在基于單片機的實際生產(chǎn)應(yīng)用的大背景下，在超聲波技術(shù)的理論基礎(chǔ)上，提出了一種基于單片機的超聲波視力保護器的設(shè)計方法，不僅在計算機上通過對基于89C52單片機的語言編程進行軟件設(shè)計，而且在硬件上實現(xiàn)了這種設(shè)計方法的實踐，完成了設(shè)計的硬

53、件制作。經(jīng)過實踐測試可得，該設(shè)計方法可行，滿足設(shè)計目標(biāo)，且能完成預(yù)想的各項基本功能。設(shè)計中系統(tǒng)由各個子系統(tǒng)構(gòu)成、其中測光系統(tǒng)是由光敏電阻構(gòu)成的電路，能對用眼環(huán)境的光照強度做出判斷；測距系統(tǒng)是由超聲波傳感器構(gòu)成的電路，能較精準(zhǔn)地測量出人眼和桌子間的距離，并做出判斷；計時系統(tǒng)是由單片機內(nèi)部設(shè)定的，測試使用時間是否超過了規(guī)定時間；報警系統(tǒng)是又蜂鳴器電路組成的，接受單片機發(fā)送的信號而后判斷是否發(fā)出警報聲。本設(shè)計以單片機運用與超聲波技術(shù)相結(jié)合，軟件設(shè)計與硬件設(shè)計相對應(yīng)，通過光強度信號、超聲波信號及時間定時信號三者共同控制，實現(xiàn)報警功能，進行自動控制視力保護。設(shè)計成果使用方便，操作簡單，具有實用性和推廣性，不僅可以用于生產(chǎn)普及，也可以作為科研成果進一步探索，具有較高的價值。本次畢業(yè)設(shè)計的創(chuàng)新點： (1) 運用超聲波傳感器測距功能矯正坐姿，光敏電阻電路檢測光照強度，操作簡單，使用方便，系統(tǒng)穩(wěn)定。(2) 設(shè)計不僅僅局限于矯正坐姿問題，也考慮了光照強度和使用時間的問題，對設(shè)計的系統(tǒng)功能有了進一步的拓寬，留有進一步研究的很大空間。本設(shè)計意在通過基于單片機的超聲波視力保護器設(shè)計，為視力保護的研究發(fā)展和超聲波技術(shù)的運用留下一定可靠有效的信息和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但是由于時間關(guān)系和知識的局限性，本次設(shè)計也存在一些不太完善的地方，例如如何確定光照強度報警值以及如何準(zhǔn)確調(diào)試電