基于51單片機的智能視力保護器

總體方案設計該系統(tǒng)的單片機是視力健康保護器的核心控制單元，我們經過深思熟慮后所選用的是STC89C51單片機，該系統(tǒng)首先利用光敏電阻器來檢測單片機發(fā)出的光照信號然后直接利用AD檢測出光學信號強度，并對光強信號進行相應的等級信號劃分。本設計的設計理念是從多方面多角度起到對視力保護的作用。因此該智能視力保護器總體上具備測距，測光，計時三大功能，當任意一項不滿足要求時，系統(tǒng)就會啟動報警。2.1硬件設計2.1.1電源穩(wěn)壓電路設計系統(tǒng)的電源電路通過7805穩(wěn)壓芯片為本設計的各模塊提供+5V電壓。當系統(tǒng)開始工作時，各模塊在工作電壓上的穩(wěn)定性都能得到滿足，就是將穩(wěn)壓電路內的各種元件集中于一個基板上而使之成為具備穩(wěn)定電壓作用的固態(tài)電路。該產品設計需要+5V的電壓供電，所以我們選擇了市面上較流行的三段式穩(wěn)壓器7805為本設計的各模塊供電。它的內部構造決定了他不需要很多外接端口，輸出可調且穩(wěn)定，對內部電路有限流和過熱保護作用，因此它的耐用性更強。2.1.2主控制器模塊從整個系統(tǒng)的大小、簡易程度情況來看，首先我們要顧忌到單片機的基本性能。不光要在單片機芯片運行速度，內存大小，I/O口的引腳匹配等基本參數(shù)上進行篩選，還要看該單片機是否能具有看門狗功能，以及指針串口的數(shù)量是否符合產品需求，是否擁有CAN、USB等多功能接口REF_Ref6011\w\h[3]。鑒于我們本次的設計產品只需要超聲波、光線傳感器，以及聲光報警的配置，難易程度偏簡單，因此我們選擇便宜低端的單片機足以。從編程難易程度來分析，我們本著簡單明了的原則，盡可能的使用C語言進行編程，并且能夠方便地使用良好的編程環(huán)境進行對功能代碼的編寫，各模塊功能之間做到一一對應。從設備的穩(wěn)定性來說，我們對所選的單片機一定要能夠適應較廣泛的工作環(huán)境，例如適應比較寬泛的溫度，具備節(jié)能的低功率等。鑒于本次系統(tǒng)對單片機要求不高，我們平常使用的類型就可以了。綜合以上三點，文本采用STC89C51芯片成本低，是一種性價比高的方案。2.1.3光照強度檢測模塊本設計能夠對環(huán)境內的光照也做出檢測，對于光照檢測模塊而言，我們在選擇光線傳感器時也變得至關重要。因此我們對比了兩款市面上比較流行的感光器件：光照度傳感器M124749與光敏電阻。根據兩種元器件的參數(shù)屬性，我們得出結論，前者的優(yōu)點是光照測量精準，體小型微方便安裝，傳輸遠，元件線性度好，但是其缺點是價格偏貴，市面稀少，且就我們日常使用環(huán)境來說，性價比低，在市場中購買起來也不易。而后者的優(yōu)點除了靈敏度高，體小型微方便安裝外，且自身屬性決定了它還具備更好測量廣度，并且在市面中流行性廣，價格便宜。但是其缺點也存在，那就是工作環(huán)境相對來說較苛刻，受溫度影響。綜上，前者雖然能夠讓我們的產品具備更精確的線性度，但是考慮到用戶的學習環(huán)境不會太極端太苛刻，因此在環(huán)境普遍的情況下，我們最終決定采取價格便宜，方便購買且能滿足大眾使用環(huán)境需求的光敏電阻。2.1.4報警提示模塊本設計能夠對設備設置的光照、距離、時間的初始參數(shù)進行實時監(jiān)控，如任意一項超限，則啟動報警提示電路。因此我們對比了以下兩種市面上常見的報警方式：語音報警、蜂鳴器報警。根據兩種報警機制，我們進行模擬配置分析，得出以下結論。前者雖然可以用清晰了當?shù)恼Z言的方式提醒用戶，但是鑒于語音報警的形式則必須要用到語音芯片，但是其需要很多的代碼，麻煩還不便宜。而后者的優(yōu)點是小型便攜，安裝方便，且容易使用，用作本次產品設計的話，性價比較高，且它的價格便宜，更容易被人們接受。2.1.5位置檢測模塊在傳感器的選擇上，在市場普遍率較高的紅外熱釋電傳感器與超聲波傳感器之間進行選擇。最初選擇的是紅外熱釋電傳感器。熱釋電傳感器的優(yōu)點在于其的本身的靈敏度是比較高的。但是它有很多缺點，其缺點是紅外穿透性差，它十分輕易的就能被別的光照影響，而且不合適的溫度會使它變得不靈敏，甚至可能會不工作。為了讓這個設計更穩(wěn)定，后來選擇了超聲波。這個傳感器很小，也很輕，使用起來也不復雜。選用超聲波來檢測人的坐姿是否正確，如果身體離所看東西太近的話，那么這個時候就會有聲音發(fā)出，來提醒人該更正距離了REF_Ref6070\w\h[5]。頻率高，方向性好，在2cm-400cm的距離范圍內具有很強的準確度，適合產品的使用環(huán)境，且價格便宜方便購買。能夠較好的滿足用戶的需求。性價比高，是個不錯的方案。2.1.6顯示模塊本文選擇了LCD1602來展示數(shù)字和文字，它的顯示效果很好，看起來清楚，能夠展示的東西也很多，用起來也簡單，這也是大多數(shù)人會選擇用這個器件的理由。2.2最終方案不停地思考之后，總結出以下方案：（1）用電池來給系統(tǒng)供電。（2）把8051當作主導組成部分。（3）光照強度的判斷上我們選用光敏電阻。（4）用超聲波來測量距離。（5）用LCD1602顯示數(shù)字或者文字信息。（6）利用蜂鳴器發(fā)出聲音提醒人們。3單元電路的硬件實現(xiàn)和設計3.1主控制單元圖3.1單片機主控電路整個系統(tǒng)的主控制單元包括了①中央處理器(CPU)。它是89c51芯片的核心，大部分由一個中央處理控制器和運算處理單元共同構成。②數(shù)據存儲器。③定時器/計數(shù)器。④并行I/O口。⑤串行I/O口。對單片機和計算機進行連接，讓他們進行數(shù)據的互換。⑥程序存儲器。⑦中斷控制系統(tǒng)REF_Ref6138\w\h[6]。3.2電源電路設計供電電路如圖3.2所示。圖3.2電源電路給電路一個5伏的電壓，使電路可以被正常使用。3.3蜂鳴器報警驅動電路圖3.3報警電路在報警電路中，蜂鳴器或者是LED能夠正常的工作是因為8550三極管把電信號擴大的原因，如果真實的距離小于最初設定的數(shù)值或實時光線亮度在初始參數(shù)范圍之外時，P13腳便會發(fā)生改變，從而觸發(fā)報警REF_Ref6158\w\h[7]。3.4按鍵電路這個器件對于數(shù)值的設置是通過四個鍵來操作的，它可以設置光的強度范圍，也可以設置距離大小。如圖3.4所示。圖3.4按鍵電路最左邊的鍵用來選擇設置距離大小還是光照強度。第二個鍵用來加數(shù)值，下一個是用來減少數(shù)值，最后一個鍵是啟動按鍵。3.5光照監(jiān)測電路圖3.5光照監(jiān)測電路本模塊如圖3.5，是由光敏電阻，色環(huán)電阻以及一個AD芯片構成。光的強弱判斷是由光敏電阻實現(xiàn)的，不同的光照強度電阻的電壓值是不一樣的，將檢測到的光線信息量通過CH0腳輸入AD。此時AD將輸入來的信息量轉化為數(shù)字量，然后輸出到89C51的P15、P16腳。REF_Ref6190\w\h[8]。R8的作用是為了其調整感應光強的精準度。3.6液晶屏展示模塊圖3.6LCD展示電路3.7超聲波位置測距模塊本文設計時，我們考慮對比了市場上常見的幾種傳感器HC-SR04、US-100、US-015以及HY-SRF05，最終在實際測試中，通過測試以上幾款超聲波模塊對于精準度的比較中，我們發(fā)現(xiàn)2厘米至250厘米的非接觸式距離檢測中，以上幾款模塊的精度相差無幾，其中US-100的精準度最高，僅有1毫米之差，但是相對而言價格也是最貴，因此我們綜合考慮本設備的使用環(huán)境普遍在250厘米內，最終我們選擇了性價比最高普遍率最廣的HC-SR04，測量精度可達3毫米REF_Ref6220\w\h[9]?；A運作方法：通過IO口TRIG引發(fā)超聲波的距離自動檢測，供給大于10us的高電平信號；該模塊會主動發(fā)射8個40khz平方波，并在信號回來時進行自動檢測；返回的信號為了實現(xiàn)高電平輸出，需經IO口ECHO即可，此時的超聲波發(fā)出至返回后耗時為高電平維持時長。具體實物結構如下圖3.7所示。其中，它們的作用分別是：，VCC與電源對接，輸入觸發(fā)控制，回應輸出信號，GND與地線連接。圖3.7超聲波模塊具體實物下圖為超聲波傳感器的內部結構相關的原理圖，通常為開放式的，在壓電元件基板上可以隨意的將振動器安置在上面，能夠固定住。該振動器由壓電陶瓷片、金屬片以及諧振器組成，屬于雙壓電晶片元件。能夠有效的輻射吸收振動帶來的超聲波，這就是諧振器存在的目的，而且還能在振動器的中心將其匯集起來。如果給壓電陶瓷加上一個電壓，機械就會發(fā)生變形，這是因為機械的變形主要是由互相變化的頻率和電壓所導致的。振動的壓電陶瓷伴隨有電荷的出現(xiàn)REF_Ref6246\w\h[10]。我們常說的雙壓電晶片元件，則會使其彎曲振動而產生超聲波。圖3.8超聲波傳感器內部結構圖向某固定的方向該發(fā)射機能夠連續(xù)的將超聲波朝著這個方向發(fā)射，使然后以空氣作為傳播介質來實現(xiàn)傳播，若是在傳播時被障礙物阻礙之后就會返回，若是該接收機接收到這些返回的波就會作出終止發(fā)射的處理，并計時停止。返回波的速度為340m/s，起始點到屏障的距離=340t/2，因此通過計時器中的T時間就可以進行計算REF_Ref6269\w\h[11]。3.8定時報警電路報警聲學和單片機控制電路組成了定時報警模塊。模塊的報警電路是根據時長目標由單片機帶有的定時計數(shù)功能來實現(xiàn)，進而觸發(fā)了警報，所以學生就可以接收到信號進行休息，放松眼睛。STC89C51芯片內部集成了2個16位定時器/計數(shù)器。在其之中T0定時器可充當兩個8位定時器使用?？删珳实谋O(jiān)測到經由外路脈沖過程的計時以及計數(shù)REF_Ref6295\w\h[12]。工作方式大致分為兩類，分別為計數(shù)和定時兩種機器模式。若設備的工作形式被選定為定時器，時鐘的脈沖就是來源于這個振蕩器，分頻器會將每個周期記錄+1，以達到峰值而不再自加。定時周期受震蕩頻率影響，形成某種關系系數(shù)。將其結合了單片機的電路，此時單片機工作所需的頻率均為它所提供的，系統(tǒng)對程序處理時，若是振蕩器停止運作則時間就有誤差。時鐘電路供出的頻率將決定數(shù)據被主控芯片所處理的快慢程度REF_Ref6321\w\h[13]。如要延長定時器周期，就得重新設置定時器的初始值以及定時的時長位數(shù)。如果模式選擇定時器/計數(shù)器，外部信號的計數(shù)主要是由外部引腳T1和T0來實現(xiàn)。機器周期會隨著所處周期長度來進行調節(jié)自加，數(shù)值處理了三個階段后存入計數(shù)器中。所以需要兩個機器周期才能夠對1-0跳變進行檢測，若要調用12MHz晶振，那么其計數(shù)頻率的峰峰值則為0.5MHzREF_Ref6357\w\h[14]。在電平給定時，進行采樣之后才能夠變化占空比，以此實現(xiàn)了外部計數(shù)脈沖的維持高低電平時間為一個周期。定時器/計數(shù)器的作用一是作為精準測量段時間的間隔。二是計量外部輸入的有限脈沖總數(shù)，得到一個具體的值。內部作定時器用則就會改變數(shù)據通道，更換工作模式。比如在輸入端鍵入一定數(shù)量的周期脈沖個數(shù)，便能快速精確的計量出周期與既定時間之間的波長。當主控制器設為定時器時，此時的內部時鐘脈沖主要由輸入計數(shù)信號而得，計數(shù)器會隨著機器周期產生的脈沖信號而逐漸累加。由此機器的周期完全與計數(shù)器/定時器的輸入脈沖一致，大概頻率值為0.83。本次設計用得到的參數(shù)有脈沖輸入時間間隔0.5s/次，500KHz以及6MHz的頻率REF_Ref6386\w\h[15]。4系統(tǒng)軟件設計方案考慮好所需調用的主函數(shù)，然后分別將各模塊功能進行編程調試，調試完成后進行模塊整合處理，以完成整個系統(tǒng)的功能。根據這種結構設計，這個過程編程是特別的簡單的，每一個模塊都有自己的電路，這樣操作的目的在于為后續(xù)的調試提高了效率REF_Ref6511\w\h[16]。4.1系統(tǒng)主程序流程當開機這個系統(tǒng)后，其系統(tǒng)轉為工作狀態(tài)。然后系統(tǒng)就是開啟計時功能，且檢測間距以及光的亮度，若沒有超限的話，就會就行第二次判斷，超限的話這個時候系統(tǒng)就會有警報聲傳出來。4.2系統(tǒng)子程序流程在監(jiān)測用戶與讀物之間的間距時，我們會設定系統(tǒng)的初始值，如果實際距離比我們設定的理想距離小時，設備就會發(fā)出聲光報警提醒用戶當前姿勢不當。如果實際距離測得比我們設定的理想距離大時，就會跳轉到原始位置，繼續(xù)進行判斷。超聲波模塊每滿1秒會進行標志位1，繼而完成超聲波的發(fā)射REF_Ref7689\w\h[17]。同時會將單片機內部定時器T1中斷以及外部中斷0進行反饋。若計時未滿1秒，其回至初值，然后等待下次繼續(xù)檢測計時5仿真與成品5.1仿真圖5.1整機5.2成品展示本設計實物如圖5.2圖5.2實物圖6優(yōu)缺點和結論6.1本設計的優(yōu)缺點:此設計中富有特色的地方：（1）此設計可以讓使用者清楚地看見參數(shù)值，展現(xiàn)的數(shù)值文字簡潔易懂；（2）此設計可對不同用戶的不同應用需求在不同環(huán)境下進行個性化設置；（3）此設計各模塊電路功能分明，結構簡單，性價比高，穩(wěn)定性強，在進行故障維修時也增加了便利性；（4）此設計的編程比較容易，是通過C語言來寫代碼，靈活性強，在實際的使用中也是十分方便的，操作簡單，使用者輕易地就能看明白。此設計也有做的不好的地方：（1）此設計無法做到精確地檢測周圍的環(huán)境亮度，而且在估量距離上也會存在一些誤差，應當努力地去完善這個系統(tǒng)，讓這些缺點不存在。（2）此設計在對于影響學生視力的重要因素上還是缺少對更多重要因素的考慮和分析，如果學生用很長的時間來玩一些電子產品的話，比如說用手機打游戲，長時間的追劇，都會傷害到學生的眼睛。本設計在其他方面的考慮較少，還需要對現(xiàn)有功能進行擴展，達到更廣泛的用途。6.2結論本文制作的這款保護器，其中8051作為整個設計的主導組成部分，在這個基礎上，對這個系統(tǒng)進行多方面的擴展。并在keilC51，Protel99SE軟件上通過使用單片機C語言進行軟件