《基于單片機的智能防近視系統(tǒng)設(shè)計》12000字（論文）

摘要現(xiàn)在社會科技快速發(fā)展，單片機作為熱門的微處理器應(yīng)用十分廣泛，智能化產(chǎn)品已經(jīng)成了每家每戶的必需品，而所有智能產(chǎn)品中都不可能缺少了單片機的身影。在我們?nèi)粘５墓ぷ骱蛯W(xué)習(xí)中，很多人因為寫字看書以及辦公姿勢不正確，長時間疲勞的工作和學(xué)習(xí)導(dǎo)致近視眼及頸椎病。所以，本文介紹了一種基于單片機的智能防近視系統(tǒng)。本設(shè)計主要使用STC89C52單片機作為主控制芯片，系統(tǒng)利用超聲波測距原理來感應(yīng)人與桌面的距離，通過光敏電阻檢測周圍環(huán)境內(nèi)光強度的變化。當(dāng)光線強度較弱時，系統(tǒng)語音模塊會進行語音提示開燈；當(dāng)人距離桌面太近時，會語音提示保持正確姿勢。同時系統(tǒng)還具有定時功能，達到預(yù)訂時間后會語音提醒使用者應(yīng)該進行休息，防止長時間疲勞工作和學(xué)習(xí)。報警距離和定時時間都可以通過按鍵來設(shè)置，方便不同使用者的使用情況。系統(tǒng)使用LCD1602顯示器對環(huán)境內(nèi)的光照強度以及人距離桌面的距離等信息進行顯示。同時系統(tǒng)還具有藍牙通信模塊，可以和智能手機的藍牙進行配對，將LCD1602顯示器的內(nèi)容到手機屏幕上進行顯示。此設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，設(shè)計思路清晰，控制準確，可靠性高。關(guān)鍵詞：單片機；超聲測距；LCD顯示；藍牙通信1引言1.1課題研究的目的與意義近年來，國內(nèi)經(jīng)濟呈現(xiàn)高速發(fā)展的趨勢，伴隨著智能系統(tǒng)控制技術(shù)逐漸普遍起來。智能控制技術(shù)也進入了普通百姓的生活中，基于智能控制技術(shù)，出現(xiàn)了很多智能化控制的應(yīng)用場景[1]。 目前國內(nèi)近視人群越來越多以及近視人群年齡段越來越小，其中多數(shù)都是由于平時不良的讀書寫字習(xí)慣，姿勢不正確或者長時間疲勞學(xué)習(xí)不運動導(dǎo)致?；谶@種現(xiàn)象，本文介紹了一種基于單片機的智能防近視系統(tǒng)，系統(tǒng)可以對人與桌面的距離及學(xué)習(xí)時間進行實時的監(jiān)控，并能在距離過近或?qū)W習(xí)時間過長時進行語音提示，可以有效的督促使用者保持良好的坐姿以及適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)時間。1.2研究的內(nèi)容和意義隨著人們生活水平的逐漸提升，對健康高質(zhì)量的生活也有追求。因此，現(xiàn)在對健康有幫助的智能化產(chǎn)品越來越熱門。例如，現(xiàn)在很多智能手環(huán)都具有定時提醒的功能，可以提醒使用者按時飲水或者按時進行鍛煉，監(jiān)控心率。本文介紹的是一款智能防近視系統(tǒng)，不僅可以在坐姿不正確，距離近的時候進行提示，同時也具有定時器功能，防止疲勞[2]。同時還具有通信模塊，通過藍牙模塊和手機進行通信，可以將系統(tǒng)屏幕顯示的內(nèi)容同步到手機的屏幕進行顯示，方便家長對孩子的學(xué)習(xí)坐姿和學(xué)習(xí)時長進行觀察，非常具有實用價值，可以對孩子進行健康的檢測與預(yù)防。1.3發(fā)展狀況及發(fā)展前景隨著電子產(chǎn)品的普及，我國近視眼的人群逐年增多，同時也有很多學(xué)生和上班族出現(xiàn)了頸椎病[3]。因此很多智能產(chǎn)品也都開始有了健康相關(guān)的功能，比如智能手機或者手環(huán)可以記錄每天走路的步數(shù)，檢測睡眠質(zhì)量和心率等。相信在未來，隨著控制器的體積越來越小，傳感器的精度越來越高，各種智能產(chǎn)品也會設(shè)計的更加智能，更加方便[4]。2系統(tǒng)方案和硬件選擇2.1設(shè)計方案模塊 本設(shè)計是用STC89C52芯片作為主控部分，這個方案使用的是模塊化的思路設(shè)計。方案中包括超聲測距模塊，語音模塊，藍牙模塊，光線檢測模塊，LCD顯示模塊，及電源模塊[5]。各模塊均與單片機的I/O口進行通信，設(shè)計的系統(tǒng)總框圖如2-1圖所示。圖2-1單片機模塊系統(tǒng)分別對各個模塊的功能做簡單的介紹：超聲測距模塊：HC-SR04超聲波模塊進行距離的測量，并將采集的值傳給單片機處理。語音模塊：使用WT588D語音模塊進行語音提示。藍牙模塊：實現(xiàn)單片機和手機的通信，將數(shù)據(jù)從單片機傳到手機進行顯示。光線檢測模塊：使用光敏電阻對周圍環(huán)境的光強進行監(jiān)測，并將采集的值傳給單片機處理。LCD顯示模塊：對距離及光線強度等信息進行顯示。2.2單片機的選擇方案一：采用STC89C52單片機 STC89C52單片機是一款常用的微處理器，穩(wěn)定性可靠性比較強。具有供電電壓低，性能高的特點，是一款8位處理器。89C52系列單片機一共有40個引腳，其中包括4組8位并行I/O口，分別記做P0-P3；有一個可以雙向通信的串行端口，還擁有可以隨時中斷程序的中斷源，共5個，兩個中斷優(yōu)先級以及位數(shù)達到16位的定時器。一個4K的程序存儲器，和一個128B的數(shù)據(jù)存儲器是STC89C52單片機存儲部分的核心，同時STC89C52還帶有4KB的FLASH存儲空間，F(xiàn)LASH中存的東西可隨時擦除修改，這個特點讓程序的修改和調(diào)試非常方便[6]。STC89C52微控制器的使用效率非常高，因為芯片中將閃存也封裝在里面，同時還含有中斷控制，定時器等部件。它與工業(yè)標準的MCS51指令集也相互兼容，與8051等其他型號單片機兼容，結(jié)構(gòu)簡單，靈活性高，價格低廉。方案二：使用AVR單片機 AVR單片機是8位的，它是一款高速單片機。AVR微處理器內(nèi)部擁有高質(zhì)量的FLASH。由于始終頻率較高，所以，執(zhí)行指令的速度很快，執(zhí)行每條指令給程序帶來的延時很小。但是AVR單片機內(nèi)部沒有類似累加器的功能，需要反復(fù)使用內(nèi)部的寄存器。方案三：采用MSP430單片機 MSP430單片機是16位的，由TI公司生產(chǎn)的一款單片機，擁有很好的低功耗性能。根據(jù)功能和內(nèi)存大小等具體配置的差異，分為不同系列。從最開始的11x系列，發(fā)展到后來的33x系列和F13系列、F14系列等等。由于是16位處理器，因此處理能力很強，同時運算速度也是很快。此外，其片內(nèi)資源也比較豐富，包括看門狗，定時器，以及一些常見的硬件通信接口等等。同時也有固定的編譯軟件，方便開發(fā)者進行開發(fā)。 幾種方案相比，MSP430單片機和AVR單片機性能雖好，但是本設(shè)計中對資源的硬性需求很少，使用它兩相對浪費，而且價格也相對比較貴。而STC89C52單片機的資源就完全可以滿足本設(shè)計的需求，且價格也相對比較便宜，在兼顧到性價比的前提下采用方案一使用STC89C52更符合本設(shè)計需求。2.3顯示電路的選擇方案一：采用LED數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示因為LED數(shù)碼管是采用八段來組成的，所以可顯示的值相對比較單一，例如數(shù)字或者簡單的字母，對一些字符顯示實現(xiàn)起來很困難或者不顯示。同時與單片機連接時需要用到很多I/O口，并且由于單片機的I/O口電流驅(qū)動能力很微弱，需要外接三極管進行驅(qū)動，占用電路板空間比較大，而且會增加成本。如果使用多位數(shù)碼管時情況則更加復(fù)雜。方案二：采用LCD1602液晶顯示屏LCD1602液晶顯示屏尺寸相對大一些，可展示內(nèi)容更豐富?？娠@示數(shù)字和字母以及各種符號和字符，顯示的內(nèi)容相對比較豐富多彩。LCD1602液晶顯示器中的每一個字符都是通過相同的點陣結(jié)構(gòu)組成的，也是根據(jù)顯示的內(nèi)容不同，來點亮不同的點陣位置。LCD1602的軟件控制指令也比較簡單。他既可以用并行數(shù)據(jù)傳輸也可以采用串行數(shù)據(jù)傳輸。通過兩種方案的對比，其實兩種方案都可以，但第二種可以顯示更多內(nèi)容，所以，設(shè)計選擇使用方案二，使用LCD1602屏幕進行距離及光強的顯示。2.4光敏模塊的選擇方案一：使用光敏電阻光敏電阻是一款能將可見光信號轉(zhuǎn)變成電信號輸出的光電元件，且價格比較便宜。具響應(yīng)速度很快，在光強變化的時候能快速反應(yīng)跟上變化。光敏的體積一般都很小，比較小的直徑僅有3毫米。雖然體積小，但可提供最大工作電壓卻很大，在120或240V交流電路中光敏電阻仍然可以正常工作。光敏電阻具有環(huán)氧樹脂封裝、響應(yīng)時間很短、占用電路板空間小、可靠性高等特點。方案二：使用光電二極管光電二極管是一種具有特殊功能的二極管，可將光信號轉(zhuǎn)化成電信號。其內(nèi)部構(gòu)造和普通的二極管沒什么區(qū)別，都是由一個PN結(jié)構(gòu)成。為了能更好的接受光信號，不同的是內(nèi)部PN結(jié)面積比普通二極管的PN結(jié)大很多。光電二級管的特性是，在光照條件不同的時候，其電流也是不一樣的。通過對比方案一的功能和性價比會更合適此次設(shè)計。2.5語音模塊的選擇方案一：WT588D語音芯片WT588D這款語音芯片是具有單片機內(nèi)核的，功能很多，音質(zhì)很好，應(yīng)用的范圍很廣，性能也是非常的穩(wěn)定，相對于其他語音芯片優(yōu)勢很大。首先WT588D可以使用MP3模式對其進行控制，除此之外還可以使用按鍵模式或者按鍵組合模式，以及使用并口模式進行控制；還有三種模式的串口模式控制，分別是：一線串口控制模式、三線串口控制模式以及三線串口控制I/O口擴展輸出模式，具有這么多控制模式可以很方便大家的應(yīng)用，在很多場景進行控制都沒有問題[7]。WT588D語音芯片的最大優(yōu)勢為音質(zhì)效果，在同級別語音芯片中效果最好，可以播放的音頻范圍很寬廣，播放聲音的效果也很好。WT588D芯片可以通過原廠研發(fā)的軟件對其要播放的語音進行設(shè)置。他能夠控制的語音地址位非常多，最多能達220個，可加載很多，組合語音的最大值是128。并且他的內(nèi)部還有SPI-FLASH存儲器，不需外接FLASH，因此，能省下很多的電路板空間。同時其內(nèi)部的SPI-FLASH存儲器都是可以任意修改的，通過修改其內(nèi)容，同時WT588D芯片可以對SPI-FLASH內(nèi)容進行在線下載，這個功能是非常具有優(yōu)勢的。方案二：LD3320語音芯片LD3320是語音識別芯片，可以識別非特定語音。僅僅使用一個芯片就實現(xiàn)語音識別的功能。LD3320芯片上具有A/D和D/A接口，其精度都比較高。同時其內(nèi)部具有Flash和RAM，因此均不需要外接，能有效節(jié)省電路板空間[8]。不僅可以實現(xiàn)語音識別的功能，同時還可以實現(xiàn)人和機器進行對話互動的功能。如果使用LD3320的話，應(yīng)用非常的廣泛，可以完全滿足語音識別功能的需求，并且具有很大的靈活性。綜合上兩種方案，雖都可以滿足語音播報的要求，但方案一價格較低，性價比較高。所以，采用方案一WT588D芯片進行語音播報。2.6本章小結(jié)本章介紹了系統(tǒng)設(shè)計的整體思路，包括系統(tǒng)設(shè)計框圖以及主控制單片機的選擇，系統(tǒng)顯示方式的選擇，語音提示模塊的選擇以及光敏模塊的選擇，為下文的硬件具體設(shè)計做鋪墊。3硬件電路設(shè)計3.1單片機外圍電路STC89C52是一款高性能8位微控制器，其功耗較低。使用的是MCS-51的內(nèi)核，這款內(nèi)核非常經(jīng)典，有很多微處理器都使用了這一款內(nèi)核。從硬件功能上來看，它使用的是一個8位的CPU。隨著成本的降低，它在越來越多的智能化場景中被應(yīng)用了起來。STC89C52的具體硬件配置如下：一共具有40個引腳，其中32位I/O口線，3個16位定時器，這三個定時器也可以當(dāng)做計數(shù)器來使用。同時內(nèi)部具有看門狗電路，可以確保單片機的穩(wěn)定性，還可以通過外部的按鍵對單片機進行復(fù)位。最高主頻35M[9]，在8位的CPU中，其不僅內(nèi)部有8k字節(jié)Flash，還有RAM資源可供開發(fā)者使用。另外STC89C52還支持2種低功耗方式，可通過軟件進行選擇。第一種是通過讓CPU停止工作的方式來降低功耗；第二種是方式是直接切斷電源，使所有資源均停止工作。由于單片機的外圍電路相對固定，可以被開發(fā)者們成為最小系統(tǒng)，其含有STC89C52單片機，晶振電路，復(fù)位電路和存儲電路等。3.1.1STC89C52的管腳說明STC89C52有兩種封裝模式可以選擇，一種是貼片的PLCC封裝，另一種是直插的PDIP。這里采用直插式的封裝，相對于PLCC封裝便于焊接。為了防止焊接時高溫對單片機造成損壞，可以在單片機下面先焊接一個座子，然后將單片機插入卡緊即可，也方便單片機的更換，方便每次換單片機不需要重新焊接。STC89C52一共具有40只引腳，其中有32個可控制引腳，引腳可分為4組，每組8個，可記為P0-P3。這些引腳的配置非常靈活，可以分別單獨控制，也可以同時控制。在控制的時候也很簡單，明確定義是輸出引腳還是輸入引腳后，再根據(jù)指令執(zhí)行輸入或輸出。STC89C52的管腳圖如圖3-1所示。圖3-1STC89C52管腳圖P0口是雙向的8位三態(tài)I/O口，它的一個最重要的特點是其內(nèi)部不具有上拉電阻，為高阻狀態(tài)，如果使用P0口時要外接上拉電阻才能正常輸出，一般直接在P0口上加一個4.7K的排阻。P1口是準雙向的I/O口內(nèi)部帶上拉電阻，所以不需要外接上拉電阻。當(dāng)輸入時必須先進行寫1操作，因為其作為輸出使用時沒有高阻狀態(tài)。P1.0和P1.1這兩個I/O口比較特殊，分別具有額外的附加功能。其中P1.0可以作為T2定時器/計數(shù)器的外部輸入，而P1.1則作為T2的外部控制端。P2口與P1口相似，不過P2口只有準雙向的輸入輸出功能。P3口的是最復(fù)雜的，單片機很多豐富的功能都要靠P3口的資源來實現(xiàn)。其所有的I/O口都具有特殊的功能。一些中斷功能，計時器功能都是由這些接口來實現(xiàn)的。3.1.2復(fù)位電路復(fù)位電路是每個單片機最小系統(tǒng)必須具備的部分，其可以使單片機從一些異常狀態(tài)中恢復(fù)到初始狀態(tài)，并繼續(xù)工作。單片機的復(fù)位功能在平時使用的還是比較多的，比如單片機開機異常，程序突然中斷以及出現(xiàn)未知的狀況，再或者死機等情況，一般可以通過復(fù)位單片機來解決。復(fù)位后，PC程序計數(shù)器的內(nèi)容為0000H。片內(nèi)RAM中內(nèi)容不變。本設(shè)計采用的是手動開關(guān)復(fù)位，如圖3-2所示。除了此種復(fù)位方式之外，還可以使用自動復(fù)位的方式。使用手動復(fù)位的優(yōu)點，就在于控制起來非常的方便，需要對單片機進行復(fù)位的時候只需手動按一下復(fù)位按鍵即可。圖3-2手動開關(guān)復(fù)位電路3.1.3晶振電路晶振電路同樣是單片機最小系統(tǒng)中不可缺少的部分，我們也常常稱其為晶體振蕩器。單片機內(nèi)部使用的時鐘信號都是來源于外部晶振。晶體振蕩器的功能是為系統(tǒng)提供所需的時鐘信號。本系統(tǒng)所使用晶振頻率為11.0592MHZ，外圍電路圖如下圖3-3所示。單片機片內(nèi)也有振蕩器，經(jīng)方向放大之后和片外連接，其中19腳和20腳分別是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸入端和輸出端。采用內(nèi)部振蕩器時，XTAL1和XTAL2通過一個微調(diào)頻率的小電容接到外部石英晶體的兩端；采用外部振蕩器時，XTAL2引腳懸空[10]。圖3-3晶振外圍電路3.2超聲測距模塊介紹3.2.1超聲測距模塊介紹 HC-SR04超聲波測距模塊，不用實物體接觸就可實現(xiàn)測距功能。測量的范圍可大可小，距離在5米以內(nèi)都可以進行準確的測量。模塊上包括了超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。模塊直接與單片機相連接就可以進行相互通信，使用起來非常的方便。3.2.2超聲測距電路 本設(shè)計中采用的是超聲波測距模塊，模塊與單片機的接口電路圖如圖3-4所示，VCC為5V供電，GND連接系統(tǒng)的GND，TRIG觸發(fā)控制信號輸入連接到單片機的第7腳，ECHO回響信號輸出連接到單片機第8腳。圖3-4模塊與單片機的接口電路圖3.3光敏模塊電路3.3.1光敏模塊的應(yīng)用光敏電阻內(nèi)部一般是化學(xué)物質(zhì)硫化鎘。這種物質(zhì)的物理特性，由于光波長不同，其電阻的值也會跟著產(chǎn)生變化。有的電阻是正系數(shù)變化，有的則是負系數(shù)變化。光敏電阻的電極一般采用硫狀圖案，結(jié)構(gòu)見下圖3-5所示：圖3-5光敏電阻結(jié)構(gòu)圖由于電阻沒法實時測量，因此，光敏電阻通過兩端電壓變化，得到光敏電阻阻值的變化狀態(tài)。然后利用STC89C52單片機對阻值的變化進行分析，最后判斷是光線的強弱程度。3.3.2光敏模塊和AD模塊電路 光敏模塊和AD模塊電路如圖3-6所示，通過光敏電阻GR1兩端電壓的變化，間接得到光敏電阻的阻值變化情況。使用它和R6進行分壓，根據(jù)歐姆定律，電壓和電阻是成正比的，因此得到電阻和光強的關(guān)系。通過ADC0832芯片，將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，再通過STC89C52單片機對數(shù)字信號進行分析，最后判斷光線的強弱程度。圖3-6光敏模塊和AD模塊電路ADC0832的工作狀態(tài)由使能引腳CS來進行控制，CS引腳是低電平有效的，當(dāng)CS為低電平時，器件才被使能。當(dāng)CS為高電平的時候，器件的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能被禁止，且CS的電平在AD轉(zhuǎn)換的過程中不能突變，AD轉(zhuǎn)換一刻起一直到轉(zhuǎn)換結(jié)束，CS引腳應(yīng)一直保持低電平不能變化。CLK引腳為器件的時鐘引腳，在本設(shè)計中，CLK引腳和單片機的P1.4引腳相連接，通過單片機給ADC0832芯片提供時鐘。ADC0832有CH0和CH1兩個通道可用。在本設(shè)計中我們使用的是CH0通道，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。ADC0832轉(zhuǎn)換時序圖如圖3-7所示，根據(jù)時序圖分析其具體工作過程：DI引腳應(yīng)該在第一個時鐘下降沿到來之前保持高電平，作為轉(zhuǎn)換開始信號的標志。在第2、3個時鐘下降沿到來的時候可以作為系統(tǒng)通道的選擇，可以根據(jù)這兩位的值來選擇是使用通道0，還是使用通道1，或者通道0和通道1同時使用。從第3個時鐘的下降開始，DO/DI引腳則作為數(shù)據(jù)輸出的引腳。從第4個脈沖下降沿開始由DO端輸出轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)的最高位，之后每經(jīng)過一個下降沿依次輸出一位數(shù)據(jù)，直到8位數(shù)據(jù)都輸出完為止。當(dāng)都輸出完之后將CS置為高電平作為轉(zhuǎn)換結(jié)束標志。圖3-7ADC0832轉(zhuǎn)換時序圖3.4藍牙模塊介紹 本設(shè)計藍牙功能是實現(xiàn)是通過HC-05藍牙模塊，它是一款主機和從機在一起的集成了藍牙功能的PCBA的板子。其工作的頻段是常用的2.4GHz，此款藍牙模塊使用的板載的PCB天線。 它和單片機之間使用串口進行數(shù)據(jù)的傳輸，藍牙模塊的電路圖如圖3-8所示，其4腳和5腳分別接到單片機的P30和P31引腳上進行數(shù)據(jù)傳輸。在藍牙模塊和單片機通信過程中，兩端設(shè)置的波特率一致后就能保證正常的通信了。圖3-8藍牙模塊電路圖3.5語音模塊介紹語音報警電路圖如圖3-9所示，語音報警模塊采用的主芯片是WT588D，使用5V電源對其供電，D8為忙碌指示燈，接到WT588D芯片的BUSY引腳，當(dāng)BUSY引腳為低電平時，D2點亮，其中R10是阻值為470歐姆的電阻，用在這里起到限流的作用；芯片的RESET復(fù)位引腳接到單片機的P24引腳上，可以通過單片機輸出的高低電平實現(xiàn)對WT588D復(fù)位引腳的控制；P01、P02和P03引腳分別接到單片機的P21、P22和P23引腳，通過單片機控制器輸出對應(yīng)的語音報警消息；PWM+和PWM-為語音輸出信號，通過外接喇叭來播放對應(yīng)的報警語音。圖3-9語音報警電路圖3.6LCD顯示模塊介紹3.6.1LCD1602的介紹LCD1602與單片機可使用8位并行連接或4位并行連接兩種方式，這里我們使用的是8位并行連接的方式。它是一種可以顯示字母、數(shù)字和符號等的點陣型液晶模塊，所以，被一些人稱作LCD1602字符型液晶，因為只能顯示字符，不能顯示漢字。它名稱中02是指分兩行進行顯示，16是指每行可以最多顯示16個字符，每個字符都是由若干點陣組成的，顯示的每個字符之前會有間隔，所以LCD1602不適合做圖像顯示。LCD1602液晶實物圖如圖3-10所示。圖3-10LCD1602液晶實物圖3.6.2LCD1602電路圖LCD1602具體電路圖如圖3-11所示。在使用時候?qū)CD1602的八位數(shù)據(jù)位D0-D7連接到51單片機的P0上。LCD1602屏幕的清晰度是可以通過外部調(diào)節(jié)的，改變VL引腳的電壓值就可以改變LCD1602屏幕的清晰度，故此處外接滑動變阻器R2的作用就是調(diào)整LCD1602屏幕的清晰度。D0-D7引腳可以和單片機進行并行的雙向通信。其中EN是使能引腳，起到對數(shù)據(jù)顯示的開關(guān)的作用，可以通過改變其電平變化來控制顯示屏是否進行顯示。RW和RS兩個引腳是標志位，通過其不同的組合，可以看出LCD屏幕的狀態(tài)。RW和RS引腳都只有高電平和低電平兩種狀態(tài)可以切換，因此對其狀態(tài)排列組合如下，共有四種情況，每種情況對應(yīng)著不能的狀態(tài)：RS＝0、RW＝0——表示向LCM寫入指令RS＝0、RW＝1——表示讀取Busy標志RS＝1、RW＝0——表示向LCM寫入數(shù)據(jù)RS＝1、RW＝1——表示從LCM讀取數(shù)據(jù)[12]圖3-11LCD1602電路圖3.7本章小結(jié)本章詳細介紹了該設(shè)計的硬件電路部分，包括單片機的最小系統(tǒng)，以及LCD顯示電路、超聲測距電路、光敏模塊電路、語音模塊電路及藍牙模塊電路，分別介紹了其工作原理及和單片機的連接方式，為后面介紹軟件部分做了充足的鋪墊。4軟件設(shè)計4.1軟件開發(fā)環(huán)境KeiluVision4程序開發(fā)軟件是美國KeilSoftware公司研制推出的一款能夠用于程序編寫的集成開發(fā)環(huán)境。KeiluVision4可以完全兼容其他版本，并運行其他版本的程序。其程序編譯環(huán)境和之前的版本沒有太大差別，但在功能和性能方面新版本都在原先的基礎(chǔ)上做出了很多改進和升級[13]。KeiluVision4支持C語言程序設(shè)計與編寫，當(dāng)語法錯誤出現(xiàn)的時候，可以自動提示用戶。STC89C52等大部分產(chǎn)品，均可在使用Keil4進行程序設(shè)計。同時，提供的仿真功能，使用戶能通過J-LINK或者ST-LINK連接，進行對程序的上位機調(diào)試。Keil4軟件的部分特點：(1)可以自動生成完善的啟動代碼，并提供圖形化的窗口，看起來非常直觀，也容易修改。無論對初學(xué)者還是有經(jīng)驗的老手，都能夠減少編譯程序的時間，讓項目更快的進展；(2)KEIL的設(shè)備模擬器功能也是異常的強大，對片內(nèi)資源及外部連接的外設(shè)都可以進行仿真；(3)KEIL編譯器，占用的內(nèi)存更少，功能更全面；(4)不需要其他額外的設(shè)備，只需要ULINK2仿真器就可以實現(xiàn)程序的下載與仿真，同時用戶還能根據(jù)自己需求對FLASH進行編寫及反復(fù)的修改；Keil的優(yōu)點：(1)開發(fā)效率高，設(shè)計周期短。(2)集成C環(huán)境是單片機等微型芯片的首選開發(fā)環(huán)境。(3)操作簡單，使用方便，內(nèi)部包含非常多的常用芯片，便于編程和調(diào)試[14]。本系統(tǒng)的設(shè)計選用Keil4進行程序的編寫和調(diào)試，當(dāng)程序可以穩(wěn)定運行之后，將生成一個.hex文件。通過軟件mcuisp下載到STC89C52之中，進行實物現(xiàn)場調(diào)試。根據(jù)實物的實際運行情況，找出問題，并對相應(yīng)的程序參數(shù)進行調(diào)整，直到達到理想的效果。4.2程序軟件流程框圖程序軟件總流程框圖如圖4-1所示，系統(tǒng)開機上電后，首先進行系統(tǒng)初始化，LCD1602顯示屏的初始化，然后將超聲測距模塊傳進來的數(shù)字量在LCD1602顯示屏上顯示出來，并判斷其值是否小于預(yù)設(shè)的報警閾值，若小于則通過語音模塊，使用語音進行提醒。圖4-1程序總流程軟件框圖4.2.1報警子程序流程框圖系統(tǒng)報警子程序流程框圖如圖4-2所示，首先進行判斷，判斷所測量的值是否超出了預(yù)設(shè)的值，如果超出了預(yù)設(shè)的值，則觸發(fā)語音報警進行提示。圖4-2語音報警子程序流程框圖4.2.2按鍵子程序流程框圖系統(tǒng)按鍵子程序流程框圖如圖4-3所示，系統(tǒng)可以通過按鍵子程序?qū)φZ音提示的閾值進行設(shè)置，可根據(jù)具體的需要操作按鍵來調(diào)整報警的閾值，非常方便，且具有一定的通用性。圖4-3按鍵子程序流程框圖5實驗結(jié)果展示本設(shè)計實物圖如圖5-1所示，經(jīng)過測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)當(dāng)光線強度較弱時，通過語音提示開燈；當(dāng)人距離桌面太近時，會語音提示保持正確姿勢。同時實現(xiàn)了定時功能，達到預(yù)訂時間后會語音提醒需要休息。報警距離和定時時間都可以通過按鍵來設(shè)置。系統(tǒng)使用LCD1602顯示器對環(huán)境內(nèi)的光照強度以及人與桌面的距離等信息進行顯示。同時可以和智能手機的藍牙進行配對，將LCD1602顯示器的內(nèi)容到手機屏幕上進行顯示。系統(tǒng)反應(yīng)速度很快，測量準確，可靠性高。同時在本次設(shè)計的硬件完成階段，也遇到了一些困難，對實物進行焊接之后，發(fā)現(xiàn)通電后LCD顯示屏顯示有時候會亂碼，經(jīng)過仔細查找硬件焊接點，發(fā)現(xiàn)由于自己焊接技術(shù)不是很好，有個別焊點出現(xiàn)了虛焊的情況，經(jīng)過重新焊接后，問題得到解決。將單片機燒入程序后測試，功能完全符合，測試效果準確。6總結(jié)近些年來,隨著人們生活水平的越來越好,人們對身體健康也越來越重視。目前國內(nèi)患近視眼的人群越來越多，年齡段也越來越早，大多數(shù)都是有一些不好的讀書寫字姿勢。基于這種現(xiàn)象，本文設(shè)計一種基于單片機的智能防近視系統(tǒng)，可以對人與桌面的距離及學(xué)習(xí)時間進行監(jiān)控，可以在距離過近或?qū)W習(xí)時間過長的時候進行提示，可以有效的督促使用者保持良好的坐姿以及適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)時間。本系統(tǒng)具有實時性，可靠性等優(yōu)勢，具有一定的實用價值。本次設(shè)計完成了對基于單片機的智能防近視系統(tǒng)的設(shè)計與研究，實現(xiàn)預(yù)期的所有功能。整套系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分都設(shè)計合理。硬件部分器件通過多個器件比較，使用STC89C52單片機作為主控，通過光敏電阻對環(huán)境的光線強度進行監(jiān)測，并配合超聲模塊來進行測距，對寫字姿勢進行有效監(jiān)測，使用LCD1602顯示器對周圍光線強度以及人與桌面的距離等信息進行顯示。軟件部分采用C語言進行編程，用keil作為開發(fā)環(huán)境，通過藍牙模塊實現(xiàn)單片機和手機之間進行合理有效的通信，結(jié)構(gòu)清晰，單片機和手機之間相互配合，有很高的可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)操作起來也方便。通過這次畢業(yè)設(shè)計的制作，真正的考驗了學(xué)生的綜合能力，擴展了知識面和學(xué)習(xí)能力。本文雖然達到了預(yù)想的設(shè)計效果，但是由于成本的限制，沒有選擇顯示效果更好的其他屏幕進行顯示，也沒有使用自己繪制的PCB板進行設(shè)計，而是選擇了可變性更高使用更靈活方便的面包板進行。參考文獻[1]羅忠輝，黃世慶．提高超聲測距精度的方法[J]．機械設(shè)計與制造，2005（1）：108-109[2]隋美麗,任小龍.基于超聲波的距離控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].汽車實用技術(shù),2019(06):81-83.[3]李倩.基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].無線互聯(lián)科技,2018,15(24):36-38.[4]周晴.基于單片機的超聲波測距儀系統(tǒng)設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù),2018,14(35):216-217.[5]趙德安.單片機與嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社,2016.[6]吳險峰.51單片機項目教程(C語言版)[M].人民郵電出版社,2016.[7]李月喬.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].中國電力出版社,2015.[8]李震梅.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社,2017.[9]劉偉靜,劉增強.模擬電子技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社,2018.[10]王建平.基于聲信號的分類器設(shè)計及實現(xiàn)[J].電聲技術(shù)，2014(10）:53-55+79.[11]塔米·諾爾加德.嵌入式系統(tǒng)：硬件、軟件及軟硬件協(xié)同[M].北京：機械工業(yè)出版社2018.02[12]譚浩強.C程序設(shè)計（第四版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.[13]N.P.Aleshin,G.A.Bigus,andM.A.Lyutov.DiagnosticsofSpacecraftLaunchingFacilitiesUsingAcousticTestingTechniques[J].RussianJournalofNondestructiveTesting,2002,38(3):153-161.[14]G.M.KrekovandL.G.Shamanaeva.AcousticDiagnosticsofLaserSparksintheAtmosphere[J]RussianPhysicsJournal,2000,43(1):975-976.附錄附錄一原理圖附錄二程序源碼#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar//無符號字符型宏定義 變量范圍0~255#defineuintunsignedint //無符號整型宏定義 變量范圍0~65535#include<intrins.h>#include"eepom52.h"sbitSCL=P1^4; //SCL定義，連接ADC0832SCL腳sbitDO=P1^3; //DO定義，連接ADC0832DO腳sbitCS=P1^5; //CS定義，連接ADC0832CS腳//這三個引腳參考資料sbitrs=P1^0; //1602數(shù)據(jù)/命令選擇引腳H:數(shù)據(jù) L:命令sbitrw=P1^1; //1602讀寫引腳 H:數(shù)據(jù)寄存器 L:指令寄存器sbite=P1^2; //1602使能引腳下降沿觸發(fā)sbitc_send=P1^6; //超聲波發(fā)射sbitc_recive=P1^7; //超聲波接收ucharflag_hc_value;//超聲波中間變量longdistance; //距離uintset_d; //距離bitflag_csb_juli;//超聲波超出量程uintflag_time0;//用來保存定時器0的時候的bitflag_300ms=1;ucharguangxian;//光線的顯示變量ucharset_gx; //設(shè)置光線的強弱的變量ucharvalue;ucharflag_alarm;//報警變量staticintmiao=0,fen=45;//學(xué)習(xí)時間 ucharxuexi_start;//開始學(xué)習(xí)標志位ucharmenu_1;ucharRx_buf[4],Rxnum=0;/***********************語音模塊控制IO口的定義************************/sbitVRST=P2^0; sbitVSDA=P2^2;sbitVCS=P2^3;sbitVSCL=P2^4;unsignedcharyujing[3];/***********************1ms延時函數(shù)*****************************/voiddelay_1ms(unsignedintq){ unsignedinti,j; for(i=0;i<q;i++) for(j=0;j<120;j++);}voiddelay_us(unsignedintus){ while(us--) { _nop_(); }}/***********************三線發(fā)碼子程序************************/voidSend_threelines(unsignedcharaddr){unsignedchari; VRST=0; delay_1ms(5); VRST=1; delay_1ms(20);/*復(fù)位拉高20ms*/ VCS=0; delay_1ms(5);/*片選拉低5ms*/for(i=0;i<8;i++) { VSCL=0; if(addr&0x01) { VSDA=1; } else VSDA=0; addr>>=1; delay_us(150);/*150us*/ VSCL=1; delay_us(150);/*150us*/ } VCS=1;}voidInitUART(void) //這是串口的基本配置，配置他的波特率是9600.這些參數(shù)都是標準的。{TMOD=0x20;SCON=0x50;TH1=0xFD;TL1=TH1;PCON=0x00;EA=1;ES=1;TR1=1;}/**UART發(fā)送一字節(jié)*/voidUART_send_byte(chardat){ SBUF=dat; while(TI==0); TI=0;}/**UART發(fā)送字符串*/voidUART_send_string(unsignedchar*buf){ while(*buf!='\0') { UART_send_byte(*buf++); }}/******************把設(shè)置溫度數(shù)據(jù)保存到單片機內(nèi)部eepom中******************/voidwrite_eepom_12(){ SectorErase(0x2000); byte_write(0x2000,set_d%256); byte_write(0x2001,set_d/256); byte_write(0x2002,set_gx); byte_write(0x2057,value); }/******************把數(shù)據(jù)從單片機內(nèi)部eepom中讀出來*****************/voidread_eepom12(){ set_d=byte_read(0x2001); set_d=set_d*256+byte_read(0x2000); set_gx=byte_read(0x2002); value=byte_read(0x2057);}/**************開機自檢eepom初始化*****************/voidinit_eepom(){ read_eepom12(); //先讀 if(value!=2) //新的單片機初始單片機內(nèi)問EEPOM { set_d=15; value=2; set_gx=4; write_eepom_12(); } }/*********************************************************************名稱:delay()*功能:延時,延時時間大概為5US。*輸入:無*輸出:無***********************************************************************/voiddelay_uint(uintq){ while(q--);}/*********************************************************************名稱:bitBusy(void)*功能:這個是一個讀狀態(tài)函數(shù)，讀出函數(shù)是否處在忙狀態(tài)*輸入:輸入的命令值*輸出:無***********************************************************************/bitbusy(void){ bitbusy_flag=0; rs=0; rw=1; e=1; delay_uint(3); busy_flag=(bit)(P0&0x80); e=0; returnbusy_flag;}/*********************************************************************名稱:write_com(ucharcom)*功能:1602命令函數(shù)*輸入:輸入的命令值*輸出:無***********************************************************************/voidwrite_com(ucharcom){ while(busy()); e=0; rs=0; rw=0; P0=com; delay_uint(3); e=1; delay_uint(25); e=0;}/*********************************************************************名稱:write_data(uchardat)*功能:1602寫數(shù)據(jù)函數(shù)*輸入:需要寫入1602的數(shù)據(jù)*輸出:無***********************************************************************/voidwrite_data(uchardat){ while(busy()); e=0; rs=1; rw=0; P0=dat; delay_uint(3); e=1; delay_uint(25); e=0; }/***********************lcd1602上顯示兩位十進制數(shù)************************/voidwrite_sfm2(ucharhang,ucharadd,uchardate){ if(hang==1) write_com(0x80+add); else write_com(0x80+0x40+add); write_data(0x30+date/10%10); write_data(0x30+date%10); }/***********************lcd1602上顯示超聲波距離************************/voidwrite_sfm_csb(ucharhang,ucharadd,uintdate){ if(hang==1) write_com(0x80+add); else write_com(0x80+0x40+add); write_data(0x30+date/100%10); write_data('.'); write_data(0x30+date/10%10); write_data(0x30+date%10); }/*********************************************************************名稱:init_1602()*功能:1602初始化，請參考1602的資料*輸入:無*輸出:無***********************************************************************/voidinit_1602(){ write_com(0x38); //設(shè)置16*2顯示，5*7點陣，8位數(shù)據(jù)接口 write_com(0x0c); //開顯示，不顯示光標 write_com(0x06); //地址加1，當(dāng)寫入數(shù)據(jù)的時候光標右移}/*********************************************************************名稱:write_string(ucharhang,ucharlie,uchar*p)*功能:改變液晶中某位的值，如果要讓第一行，第五個字符開始顯示"abcdef"，調(diào)用該函數(shù)如下 write_string(1,5,"abcdef;")*輸入:行，列，需要輸入1602的數(shù)據(jù)*輸出:無***********************************************************************/voidwrite_string(ucharhang,ucharadd,uchar*p){ if(hang==1) write_com(0x80+add); else write_com(0x80+0x40+add); while(1) { if(*p=='\0')break; write_data(*p); p++; } }ucharkey_can;/********************獨立按鍵程序*****************/voidkey(){ staticucharkey_new; key_can=20; if((P3&0xf0)!=0xf0) { delay_uint(50); if(((P3&0xf0)!=0xf0)&&(key_new==1)) { key_new=0; switch(P3&0xf0) { case0xe0:key_can=1;break; //左邊第1個 case0xd0:key_can=2;break; //左邊第2個 case0xb0:key_can=3;break; //左邊第3個 case0x70:key_can=4;break; //左邊第4個 }// write_sfm2(2,0,key_can); } } else key_new=1; }/***********讀數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)********************************************************/ //請先了解ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換的串行協(xié)議，再來讀本函數(shù)，主要是對應(yīng)時序圖來理解，本函數(shù)是模擬0832的串行協(xié)議進行的 //100通道 //111通道unsignedcharad0832read(bitSGL,bitODD){ unsignedchari=0,value=0,value1=0; SCL=0; DO=1; CS=0; //開始 SCL=1; //第一個上升沿 SCL=0; DO=SGL; SCL=1; //第二個上升沿 SCL=0; DO=ODD; SCL=1; //第三個上升沿 SCL=0; //第三個下降沿 DO=1; for(i=0;i<8;i++) { SCL=1; SCL=0;//開始從第四個下降沿接收數(shù)據(jù) value<<=1; if(DO) value++; } for(i=0;i<8;i++) { //接收校驗數(shù)據(jù) value1>>=1; if(DO) value1+=0x80; SCL=1; SCL=0; } CS=1; SCL=1; if(value==value1) //與校驗數(shù)據(jù)比較，正確就返回數(shù)據(jù)，否則返回0 returnvalue; return0;}/*********************小延時函數(shù)*****************************/voiddelay(){ _nop_(); //執(zhí)行一條_nop_()指令就是1us _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();}/*********************超聲波測距程序*****************************/voidsend_wave(){ c_send=1; //10us的高電平觸發(fā) delay(); c_send=0; TH0=0; //給定時器0清零 TL0=0; TR0=0; //關(guān)定時器0定時 flag_hc_value=0; while(!c_recive); //當(dāng)c_recive為零時等待 TR0=1; while(c_recive) //當(dāng)c_recive為1計數(shù)并等待 { flag_time0=TH0*256+TL0; if((flag_hc_value>1)||(flag_time0>65000))//當(dāng)超聲波超過測量范圍時，顯示3個888 { TR0=0; flag_csb_juli=2; distance=888; flag_hc_value=0; return; } else { flag_csb_juli=1; } } if(flag_csb_juli==1) { TR0=0; //關(guān)定時器0定時 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ms distance*=0.017;//0.017=340M/2=170M=0.017M算出來是米 if(distance>350) //距離=速度*時間 { distance=888; //如果大于3.8m就超出超聲波的量程 } }}/*********************定時器0、定時器1初始化******************/voidtime_init() { TMOD&=0xf0; TMOD|=0x01; //設(shè)T0為方式1， TH0=0; TL0=0; ET0=1;//允許T0中斷}/*********************定時器2初始化******************/voidtime2_init() { RCAP2H=(0xFFFF-50000)/256;//重裝載計數(shù)器賦初值 RCAP2L=(0xFFFF-50000)%256; ET2=1;//開定時器2中斷 TR2=1;//開啟定時器，并設(shè)置為自動重裝載模式}}/*******************按鍵執(zhí)行函數(shù)******************/voidkey_with(){ if(menu_1==0) { if(key_can==1) { miao=0;fen=45; xuexi_start=1;//開始學(xué)習(xí) } if(key_can==2) { xuexi_start=0;//暫停學(xué)習(xí) } if(key_can==3) { xuexi_start=1;//繼續(xù)學(xué)習(xí) } } if(key_can==4) { menu_1++; if(menu_1==1) { write_string(1,0,"1.xsb:m"); write_string(2,0,"2.gm:%"); write_sfm_csb(1,6,set_d); write_sfm2(2,5,set_gx); //設(shè)置光線的參數(shù) write_com(0x80+0);//將光標移動到秒個位 write_com(0x0f);//顯示光標并且閃爍 } if(menu_1==2) { write_com(0x80+0x40+0);//將光標移動到秒個位 write_com(0x0f);//顯示光標并且閃爍 } if(menu_1>=3) { menu_1=0; write_string(1,0,"csb: mgm:%"); write_string(2,0,"Time:"); write_com(0x0c);//關(guān)閉顯示 } } if(menu_1==1)//設(shè)置超聲波參數(shù) { if(key_can==3)// { set_d++; //加超聲波距離報警數(shù)據(jù) write_sfm_csb(1,6,set_d); if(set_d>=100) set_d=100; write_com(0x80);//將光標移動到秒個位 write_com(0x0f);//顯示光標并且閃爍 } if(key_can==2)// { set_d--; //減超聲波距離報警數(shù)據(jù) if(set_d<=10) set_d=10; write_sfm_csb(1,6,set_d); write_com(0x80);//將光標移動到秒個位 write_com(0x0f);//顯示光標并且閃爍 } write_eepom_12(); //保存數(shù)據(jù) } if(menu_1==2) { if(key_can==3)// { set_gx++; //加超聲波距離報警數(shù)據(jù) write_sfm2(2,5,set_gx); if(set_gx>=100) set_gx=100; write_com(0x80+0x40);//將光標移動到秒個位 write_com(0x0f);//顯示光標并且閃爍 } if(key_can==2)// { set_gx--; //減超聲波距離報警數(shù)據(jù) if(set_gx<=1) set_gx=1; write_sfm2(2,5,set_gx); write_com(0x80+0x40);//將光標移動到秒個位 write_com(0x0f);//顯示光標并且閃爍 } write_eepom_12(); //保存數(shù)據(jù) } key_can=20;}/*********************報警函數(shù)***************************/voidclock_beep(){ staticucharvalue1,value2,value3; if(xuexi_start==1) { if(set_gx>=guangxian) //距離光線報警 { value2++; if(value2>=2) //循環(huán)2次都是報警增強抗干擾 { flag_alarm=2; Send_threelines(0x00);delay_1ms(2880); } }else value2=0; if(distance<=set_d) //距離報警 { value1++; if(value1>=2) //循環(huán)2次都是報警增強抗干擾 { flag_alarm=1; Send_threelines(0x01);delay_1ms(2880); } }else