基于單片機(jī)的視力保護(hù)器設(shè)計(jì)

何 冰，王菊霞，蘇變玲

（渭南師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，陜西 渭南 714000）

為了保護(hù)青少年的視力，現(xiàn)如今越來(lái)越多的公司都在研發(fā)生產(chǎn)各種視力保護(hù)產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)主要有眼保姆，坐姿矯正器和各種護(hù)眼燈；國(guó)外有法國(guó)艾斯·布魯斯研發(fā)的光明天使博士鏡，以及美國(guó)眼科專家威廉貝茨研發(fā)的阿瞳二代產(chǎn)品。但這些產(chǎn)品功能單一，不能滿足消費(fèi)者的個(gè)性化需求。針對(duì)這一問(wèn)題，本文將單片機(jī)與視力保護(hù)相結(jié)合，利用單片機(jī)芯片的智能處理功能，結(jié)合超聲波測(cè)距原理，光敏電阻隨光強(qiáng)變化的特點(diǎn)，單片機(jī)定時(shí)器T0，T1的工作原理，以及LCD1602液晶顯示器的使用方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)多功能視力保護(hù)器。該設(shè)計(jì)的技術(shù)要求是當(dāng)學(xué)生的面部與書(shū)本或電腦的距離小于30 cm時(shí)，蜂鳴器產(chǎn)生聲光報(bào)警，提醒學(xué)生注意坐姿；當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間超過(guò)45分鐘時(shí)，蜂鳴器產(chǎn)生聲光報(bào)警，提醒學(xué)生休息片刻；當(dāng)光線過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱時(shí)，蜂鳴器產(chǎn)生聲光報(bào)警，提醒學(xué)生注意學(xué)習(xí)環(huán)境；能夠分辨是什么原因引起的聲光報(bào)警；并具有設(shè)置功能，能夠自行設(shè)定相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)采用STC89C52RC DPIP40單片機(jī)作為核心控制單元，通過(guò)HC-SR04超聲波測(cè)距模塊測(cè)量人的面部到書(shū)本的距離，當(dāng)測(cè)得距離小于30 cm或設(shè)定距離時(shí)產(chǎn)生聲光報(bào)警。利用光敏電阻的光電導(dǎo)效應(yīng)采集光線模擬信號(hào)，并通過(guò)ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行光強(qiáng)等級(jí)處理并用1602液晶顯示器顯示光的強(qiáng)弱，當(dāng)光太強(qiáng)或太弱時(shí)產(chǎn)生報(bào)警。通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器T1對(duì)學(xué)習(xí)時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)學(xué)習(xí)時(shí)間超過(guò)45分鐘或設(shè)定值時(shí)產(chǎn)生報(bào)警，其中報(bào)警電路由一個(gè)PNP型三極管驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟

本設(shè)計(jì)的主要步驟如下：

1）認(rèn)真分析視力保護(hù)器的技術(shù)要求。

2）確定硬件設(shè)備，選好器件的型號(hào)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖Fig.1 The diagram of designed system

3）畫(huà)電路原理圖。

4）根據(jù)硬件電路及各芯片的時(shí)序編寫(xiě)程序。

5）將程序輸入單片機(jī)進(jìn)行軟件測(cè)試，查找錯(cuò)誤，使系統(tǒng)程序更加完善。

6）根據(jù)電路原理圖及相應(yīng)元器件的焊接方法焊接硬件電路。

7）將程序?qū)戇M(jìn)單片機(jī)進(jìn)行硬件調(diào)試。

2 硬件設(shè)計(jì)

STC89C52RCPDIP封裝單片機(jī)由宏晶科技推出，其指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051單片機(jī)，是一種增強(qiáng)型8051單片機(jī)。工作電壓為5.5～3.3 V（5 V單片機(jī)），有8 K字節(jié)的用戶應(yīng)用程序空間，片上集成512字節(jié)RAM，內(nèi)部帶2 K EEPROM的存儲(chǔ)空間。通過(guò)串口就可直接下載程序，且處理速度快，抗干擾能力強(qiáng)，功耗低，價(jià)格便宜，所以本設(shè)計(jì)采用STC89C52RC作為控制電路的主選芯片。

2.1 主控模塊設(shè)計(jì)

該主控模塊含有時(shí)鐘電路、系統(tǒng)復(fù)位電路、電源電路。其中時(shí)鐘電路由單片機(jī)內(nèi)部反相放大器的輸入引腳跨接在晶振兩端和兩個(gè)微調(diào)電容組成，構(gòu)成自激勵(lì)振蕩器，用來(lái)產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)必須的時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘電路中電容選用20 pF，晶振選用12 MHz，因?yàn)轭l率越高單片機(jī)的速度越快。系統(tǒng)采用按鍵復(fù)位的工作方式，其復(fù)位電路由復(fù)位按鍵、10μF電容和10 kΩ電阻組成，單片機(jī)的復(fù)位時(shí)間由復(fù)位電路的極性電容決定，極性電容一般采用10～30μF。單片機(jī)的時(shí)鐘工作以后，只要RST引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，系統(tǒng)就復(fù)位[1]。

2.2 蜂鳴器報(bào)警電路模塊設(shè)計(jì)

由于電磁式蜂鳴器需要較低的電壓就能發(fā)出很高分貝的聲音，本設(shè)計(jì)選用電磁式蜂鳴器，其發(fā)聲的原理為電流通過(guò)電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)振動(dòng)膜片發(fā)聲。由于單片機(jī)I/O引腳輸出電流的驅(qū)動(dòng)能力有限，所以采用PNP型三極管（放大作用）驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。當(dāng)P1.3輸出高電平“1”時(shí)，三極管Q1截止，沒(méi)有電流流過(guò)線圈，蜂鳴器不發(fā)聲，當(dāng)P1.3輸出低電平“0”時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通[2]，電流流過(guò)蜂鳴器線圈，蜂鳴器發(fā)聲。因?yàn)榘l(fā)光二極管和蜂鳴器并聯(lián)，所以聲光報(bào)警是同時(shí)進(jìn)行的。蜂鳴器報(bào)警電路圖如圖2所示。

2.3 光敏電阻測(cè)光電路模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 光敏電阻

圖2 蜂鳴器報(bào)警電路圖Fig.2 The diagram of buzzer alarm circuit

光敏電阻采用硅，鍺，硫化鎘，硒化鉛等半導(dǎo)體材料制成，它的工作區(qū)在一個(gè)很薄的光敏層上，光敏層具有電阻特性，兩端由金屬電極引出。無(wú)光照時(shí)，光敏電阻的阻值很大，當(dāng)光線照到光敏層上，半導(dǎo)體材料中的載流子將迅速增加，阻值下降，光線越強(qiáng)，阻值越低。光敏電阻通常做成片狀結(jié)構(gòu)，以便吸收更多光能。光敏電阻具有靈敏度高，測(cè)光范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。光敏電阻屬于有源器件，工作時(shí)必須加電源[3]。

2.3.2 光敏電阻測(cè)光電路

光敏電阻測(cè)光電路工作原理：當(dāng)光線發(fā)生變化時(shí)，由于光敏電阻內(nèi)部載流子發(fā)生變化，所以流過(guò)光敏電阻的電流發(fā)生變化，進(jìn)而R6兩端的分壓產(chǎn)生變化，該模擬電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集后便可得到相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后，在LCD液晶模塊上顯示光的強(qiáng)弱百分比。光敏電阻測(cè)光電路接線圖如圖3所示。

圖3 光敏電阻測(cè)光電路接線圖Fig.3 The diagram of photosensitive resistance metering circuit

2.4 電源接口電路模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用3節(jié)1.5 V電池串聯(lián)供電，電池盒和自鎖開(kāi)關(guān)串聯(lián)可以方便電路的通斷。電源接口電路接線圖如圖 4所示。

圖4 電源接口電路接線圖Fig.4 The diagram of power interface circuit

2.5 按鍵電路模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)用按鍵設(shè)置學(xué)習(xí)時(shí)間、光線強(qiáng)弱界限以及報(bào)警距離。按鍵電路接線圖如圖5所示。其中S4為設(shè)置鍵，S3為開(kāi)始學(xué)習(xí)鍵和設(shè)定值的加鍵，S2為時(shí)間清零鍵和設(shè)定值的減鍵。當(dāng)某鍵按下時(shí)，低電平有效。

圖5 按鍵電路接線圖Fig.5 The diagram of key circuit

2.6 超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)

2.6.1 超聲波簡(jiǎn)介

超聲波是高于20 kHz的機(jī)械波，它在不同的介質(zhì)中傳播速度不同，在通過(guò)兩種不同介質(zhì)時(shí)，在介質(zhì)表面會(huì)發(fā)生反射、折射現(xiàn)象，超聲波在傳播過(guò)程中有一定的衰減[6]。超聲波在空氣中衰減較快，頻率越高，衰減越快，故在空氣中傳播時(shí)采用頻率較低的超聲波40 kHz。

2.6.2 超聲波測(cè)距原理

本設(shè)計(jì)利用超聲波遇到障礙物發(fā)生反射的特性，采用往返時(shí)間檢測(cè)的方法進(jìn)行測(cè)距，超聲波測(cè)距原理圖如圖6所示。

圖6 超聲波測(cè)距原理圖Fig.6 The diagram of ultrasonic ranging

測(cè)距時(shí)，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，超聲波在空氣中傳播遇到障礙物就立即反射回來(lái)，計(jì)算出超聲波在空氣中傳播的往返時(shí)間t，超聲波在空氣中傳播的速度為：340 m/s。利用如下公式（1）便可知超聲波探頭距障礙物的距離S。

2.6.3 HC-SRO4超聲波測(cè)距模塊

本設(shè)計(jì)采用HC－SR04超聲波測(cè)距模塊測(cè)量人的臉部離書(shū)籍的距離。該模塊測(cè)距范圍為2～400 cm，測(cè)距精度高達(dá)3 mm；模塊由超聲波發(fā)射器，超聲波接收器，控制電路組成，其中發(fā)射器發(fā)射超聲波信號(hào)用來(lái)作為距離的采樣信號(hào)，接收器接收所發(fā)射的信號(hào)。

HC－SR04超聲波測(cè)距模塊采用I/O口TIRG觸發(fā)測(cè)距，給TIRG最少10 s的高電平，這時(shí)模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回，如果有信號(hào)返回，則通過(guò)I/O口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間便是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間[7]，測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*340 m/s）/2。HC－SR04超聲波測(cè)距模塊的引腳圖如圖7所示。其中VCC接電源，GND接地，TIRG為觸發(fā)控制信號(hào)輸入端接P3.3，ECHO為回響信號(hào)輸出端接P3.2。

圖7 HC－RS04超聲波測(cè)距模塊引腳圖Fig.7 The diagram of ultrasonic ranging

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用的編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言，根據(jù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，先寫(xiě)出主程序，再利用硬件電路功能及各芯片、各模塊的工作時(shí)序?qū)懗鲎映绦颍詈笤谥鞒绦蛑羞M(jìn)行調(diào)用，這種方法簡(jiǎn)單，主程序語(yǔ)句少，且易于軟件設(shè)計(jì)和查錯(cuò)，還能很好的利用硬件電路，分模塊進(jìn)行調(diào)試。

3.1 主程序流程圖

系統(tǒng)主程序流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.8 The chart of main program system

3.2 部分子程序流程圖

T0用于測(cè)超聲波的往返時(shí)間，工作于工作方式1，對(duì)單片機(jī)的機(jī)器周期進(jìn)行計(jì)數(shù)。定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間與系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率有關(guān)，由于一個(gè)機(jī)器周期等于12個(gè)時(shí)鐘周期，晶振為12 MHz， 則計(jì)數(shù)周期為：T=12×1/（12×106）=1 μs。 當(dāng)超聲波ECHO端為高電平時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)。超聲波測(cè)距子程序流程圖如圖9所示。

圖9 超聲波測(cè)距子程序流程圖Fig.9 The chart of ultrasonic ranging

學(xué)習(xí)時(shí)間由定時(shí)器T1定時(shí)，其工作于工作方式1，初值為 TH1=0X3C；TL1=0XB0；50 ms 中 斷 一 次 ，value 加 1， 當(dāng)value值加到20時(shí)，即為1 s，秒鐘加1；當(dāng)秒加到60時(shí)，分鐘加1；當(dāng)分加到60時(shí)，時(shí)加1；當(dāng)時(shí)加到24時(shí)，從新開(kāi)始。報(bào)警子程序流程圖如圖10所示。

圖10 報(bào)警子程序流程圖Fig.10 The chart of alarm program

4 系統(tǒng)調(diào)試

軟件測(cè)試：在Keil uvision4中編寫(xiě)程序，進(jìn)行調(diào)試，修改語(yǔ)法錯(cuò)誤。

硬件測(cè)試：焊接電路之前，先用萬(wàn)用表測(cè)得各元器件的好壞，分清極性電容蜂鳴器、發(fā)光二極管的正負(fù)以及PNP型三極管的三個(gè)級(jí)。在焊接電路板時(shí)，從單片機(jī)最小系統(tǒng)開(kāi)始，分模塊，逐個(gè)進(jìn)行焊接并隨時(shí)用萬(wàn)用表的“二極管”擋測(cè)試電路是否導(dǎo)通[8]。焊接完成后，利用STC_ISP_V479下載軟件將編好程序燒進(jìn)單片機(jī)芯片中，并進(jìn)行功能檢測(cè)。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)軟硬件的設(shè)計(jì)與調(diào)試，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，當(dāng)學(xué)生開(kāi)始學(xué)習(xí)時(shí)：若光線低于設(shè)定的弱光或光線高于設(shè)定的強(qiáng)光時(shí)，報(bào)警電路產(chǎn)生聲光報(bào)警，提醒學(xué)生注意學(xué)習(xí)環(huán)境；若超聲波測(cè)到的距離小于30 cm或設(shè)定值時(shí)，報(bào)警電路產(chǎn)生聲光報(bào)警，提醒學(xué)生調(diào)節(jié)眼睛到書(shū)本的距離。當(dāng)學(xué)習(xí)時(shí)間到達(dá)設(shè)定值時(shí)，產(chǎn)生10次報(bào)警，每次3下，提醒學(xué)生注意休息。由于超聲波在空氣中的傳播速度與溫度有關(guān)，本設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，測(cè)量距離還有一定的誤差，但誤差很小，還可通過(guò)溫度傳感器DS18B20進(jìn)一步完善，使其測(cè)量更加精確。

[1]謝偉成，楊加國(guó).單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2009.

[2]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].北京:高等教育出版社，2006.

[3]孫余凱，吳鳴山，項(xiàng)綺明.傳感器應(yīng)用電路300例[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[4]梁明亮，韋成杰.單片機(jī)對(duì)串行A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832的C51編程[J].鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，21（1）:36-37.LIANG Ming-liang，WEI Cheng-jie.The MCU on serial ADC0832C51 programming[J].Journal of Zhengzhou Railway Vocational and Technical College，2009，21（1）:36-37.

[5]張亞林.基于C52控制的ADC0832應(yīng)用詳解[J].數(shù)控技術(shù)與應(yīng)用，2013（3）:5-6.ZHANGYalin.Application of ADC0832 based on C52[J].Numerical Control Technology and Application，2013（3）:5-6.

[6]郁有文，常健，程繼紅.傳感器原理及工程應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[7]李軍，申俊澤.超聲波測(cè)距模塊HC-SR04的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011，11（10）:77-78.LI Jun，SHEN Jun-ze.Design of ultrasonic range finder ultrasonic ranging module HC-SR04[J].Microcontroller and Embedded System Application，2011，11（10）:77-78.

[8]門(mén)宏.看圖識(shí)用萬(wàn)用表[M].北京:電子工業(yè)出版社，2011.