多功能學(xué)生智能學(xué)習(xí)伴侶設(shè)計

徐國霞　余浩

【摘 要】設(shè)計制作一款多功能智能學(xué)習(xí)伴侶，主要運用了高亮LED燈、人體紅外、電容觸摸、超聲波、DS18B20等傳感器和單片機構(gòu)成的多功能控制電路。該智能學(xué)習(xí)伴侶擁有超大的LED液晶顯示屏與人進行人機交互，具有顯示時間、鬧鐘提醒、計時提醒、無人關(guān)燈、溫度顯示高溫報警、課程提醒、學(xué)習(xí)計劃提醒等功能，且能糾正坐姿，防止近視。

【關(guān)鍵詞】人機交互;多功能;規(guī)范坐姿

中圖分類號： TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）34-0024-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.34.007

Design of Multifunctional Student Intelligence Learning Companion

XU Guo-xia YU Hao

（Anhui Xinhua University， Hefei Anhui 230088， China）

【Abstract】Design and manufacture a multi-functional intelligent learning companion， mainly using multi-function control circuit composed of high-brightness LED light， human infrared， capacitive touch， ultrasonic， DS18B20 and other sensors. The intelligent learning companion has an oversized LED screen for human-computer interaction， with display time， alarm reminder， timing reminder， no-light off， temperature display high temperature alarm， course reminder， learning plan reminder， etc.， and can correct Sitting posture to prevent myopia.

【Key words】Human-computer interaction; Multifunction; Normative sitting posture

0 引言

在社會不斷發(fā)展的背景下，智能高科技決定著電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新趨勢和光明的未來，智能化科技在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用有著極其重要的意義。伴隨著家用電器的科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，智能化已經(jīng)應(yīng)用于生活中的有抽油機，電熱水器，洗碗機等[1]。與平時常用的家用電器相比，發(fā)現(xiàn)單片機制造的家用電器功能種類更多，使用起來更簡單、更安全，最重要的是能夠節(jié)省能源，提高了家用電器的品質(zhì)。希望能借用這次畢業(yè)設(shè)計的機會，對學(xué)生在學(xué)習(xí)中常用的伴侶臺燈產(chǎn)品進行一些新的改動。

因此，本文旨在研究智能化學(xué)習(xí)伴侶，可以陪伴學(xué)生一起學(xué)習(xí)。即使目前燈具市場的主體還是按鍵式，但由于現(xiàn)代科技的進步和大家對生活水平的不斷提高，已使傳統(tǒng)的臺燈感受到了產(chǎn)品更新?lián)Q代所帶來的危機感。本次設(shè)計的最大創(chuàng)新點在于一方面可以更節(jié)省電能源達(dá)到環(huán)保的效果，另一方面可以監(jiān)督使用者的坐姿，預(yù)防成為近視眼和腰背彎曲。并且，在光線不足的時候，系統(tǒng)可以啟動語音控制指令開關(guān)燈的功能，避免了夜間摸黑的麻煩，達(dá)到最佳的效果。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

整個系統(tǒng)是在單片機STC89C51RC控制下工作的。其工作過程為：由熱釋電傳感器檢測一定范圍內(nèi)是否有人在，當(dāng)沒有人時熱釋電傳感器將輸出低電平，單片機將停止工作。當(dāng)有人靠近時，模塊將輸出高電平，單片機檢測該電平后進入待機工作狀態(tài)，在此過程中如果有人打開學(xué)習(xí)伴侶時則打開燈光。電容觸摸分四種模式，第一次長按增加亮度，再次長按將降低亮度，單觸摸關(guān)閉和開啟學(xué)習(xí)伴侶，觸摸開關(guān)四周隱藏4個微動開關(guān)，可以對學(xué)習(xí)伴侶進行一些設(shè)置等。學(xué)習(xí)伴侶在工作的時候，其內(nèi)部計時器開始計時，當(dāng)計時達(dá)到預(yù)計設(shè)定的時間時，將通過揚聲器發(fā)出鳴響并閃速燈光提醒使用者起身活動。在使用者看書的過程中，學(xué)習(xí)伴侶的超聲波模塊時刻檢測使用者眼睛距離書本的距離，如果距離過小，學(xué)習(xí)伴侶將關(guān)閉燈光提醒使用者，直到調(diào)整好坐姿才開啟燈光。學(xué)習(xí)伴侶采用LCD12864液晶顯示屏，上面有時間顯示，日歷顯示，可設(shè)置鬧鐘提醒，計時提醒。溫度傳感器DS18B20采集環(huán)境溫度，并通過一定的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給單片機，單片機將溫度顯示在顯示屏上，并具有高溫報警等功能。程序中還加入課程表的設(shè)計，可以通過按鍵將課程表添加進去，具有課程提醒功能。同理，還具有學(xué)習(xí)計劃提醒功能。整個設(shè)計方案分五個大模塊：溫度傳感器模塊、超聲波檢測坐姿模塊、電容觸摸模塊、液晶顯示器模塊、人體感應(yīng)模塊和橋驅(qū)動模塊。系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機STC89C52RC簡介

STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52RC使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但是做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。

2.2 三極管驅(qū)動電路

本次設(shè)計采用3個S8550三極管作為驅(qū)動電路。系統(tǒng)共有21個發(fā)光二極管，經(jīng)過測試，每個三極管足夠驅(qū)動7個二極管，從而使輸出電流達(dá)到最佳狀態(tài)。

2.3 溫度傳感器電路

DS18B20的數(shù)字溫度計提供9至12位的攝氏溫度測量，并具有與非易失性用戶可編程上限和下限報警功能。適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電;溫范圍-55℃～+125℃，在-10～+85℃時精度為±0.5℃;獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊;DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫;DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi);可編程的分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實現(xiàn)高精度測溫;在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快;測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。

2.4 LCD12864液晶顯示器

該系統(tǒng)的菜單功能顯示用LCD12864液晶顯示器，其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點陣的漢字。也可完成圖形顯示，低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多。

2.5 HC-SR04超聲波模塊

單片機給TRIG至少10us的高電平信號;模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回;當(dāng)有信號返回，模塊ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。則測試距離=（高電平時間*聲速（340M/S））/2;單片機在得到ECHO高電平后將開啟定時器開始計時，當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r關(guān)閉計時并讀定時器的值，此時就為此次測距的時間，方可算出距離.如此不斷的周期測，即可以達(dá)到你移動測量的值。即當(dāng)我們離書本太近時，HC-SR04超聲波會檢測到眼睛距離課本太近，進而學(xué)習(xí)伴侶自動熄滅，當(dāng)坐姿端正時，又會自動亮起。

2.6 HC-SR505人體感應(yīng)模塊

HR-SR501是基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊，采用德國原裝進口LHI778探頭設(shè)計，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式，廣泛應(yīng)用于各類自動感應(yīng)電器設(shè)備，尤其是干電池供電的自動控制產(chǎn)品。當(dāng)人靠近或離開時會有感應(yīng)，輸出高電平，反之輸出低電平，單片機根據(jù)高低電平自動開關(guān)學(xué)習(xí)伴侶。

2.7 系統(tǒng)硬件電路

本次設(shè)計主要控制中心大腦是STC89C52RC單片機，根據(jù)上述傳感器以及顯示屏的接法，各個傳感器和模塊分工工作相互協(xié)調(diào)，總設(shè)計原理圖如圖2所示。設(shè)計使用的電源為標(biāo)準(zhǔn)5vUSB供電，5V電壓在身邊到處都是，尋找方便，更人性化。

3 結(jié)論

本文以STC89C52RC單片機為核心芯片，設(shè)計并實現(xiàn)了智能學(xué)習(xí)伴侶。該智能學(xué)習(xí)伴侶當(dāng)人在有效感應(yīng)范圍內(nèi)活動，開關(guān)將持續(xù)接通，待人離開后，延時自動關(guān)閉負(fù)載，實現(xiàn)了“人來燈亮、人走燈熄”的智能控制功能。紅外線感應(yīng)開關(guān)的另一特點是應(yīng)用光敏控制，開關(guān)自動測光，光線強時不感應(yīng)。觸控設(shè)備通常內(nèi)置觸摸感應(yīng)芯片，通過手指觸摸帶來電容變化，從而控制開關(guān)或燈具。而且現(xiàn)在許多大學(xué)生眼睛都有著不同程度近視，我想著結(jié)合學(xué)習(xí)伴侶幫助學(xué)生糾正正確坐姿，預(yù)防近視當(dāng)無人在時，系統(tǒng)也會使學(xué)習(xí)伴侶自動熄滅，以達(dá)到節(jié)省能源的目的。該學(xué)習(xí)伴侶穩(wěn)定性高，易于操作，程序可讀性高，可升級。

【參考文獻(xiàn)】

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