基于單片機(jī)的視力保護(hù)器設(shè)計(jì)

閆晶晶 張濤 施圣洋

摘? 要：以單片機(jī)為主控芯片，利用超聲波測距原理，測出使用者下巴與桌面的距離，當(dāng)距離小于設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警。通過光敏電阻采集光線強(qiáng)度信息，根據(jù)等級(jí)區(qū)分光線，設(shè)定蜂鳴器和LED燈在光線不足時(shí)聲光報(bào)警。通過定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到45分鐘時(shí)開始報(bào)警，以提醒視力保護(hù)器的佩戴者注意休息。利用液晶顯示模塊直觀顯示距離、光強(qiáng)和學(xué)習(xí)時(shí)間，方便佩戴者使用。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)芯片；液晶顯示屏；超聲波傳感器測距；光感傳感器

中圖分類號(hào)：TP368? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）18-0060-04

Design of Vision Protector Based on Single-Chip Microcomputer

YAN Jingjing， ZHANG Tao， SHI Shengyang

（Henan University of Technology， Zhengzhou? 450052， China）

Abstract： With the Single-Chip Microcomputer as the main control chip， the distance between the user's chin and the desktop is measured by using the ultrasonic distance measuring principle. When the distance is less than the set value， the audible and visual alarm will be activated. It collects the light intensity information through the photosensitive resistor， distinguishes the light according to the grade， and sets the buzzer and LED lamp to give an audible and visual alarm when the light is insufficient. The timer is used for timing. When the system runs for 45 minutes， the alarm will be started to remind the wearer of the vision protector to pay attention to rest. The LCD module is used to visually display the distance， light intensity and learning time for the convenience of the wearer.

Keywords： Single-Chip Microcomputer; liquid crystal display; distance measuring of ultrasonic transducer; light sensor

0? 引? 言

社會(huì)的飛速發(fā)展使得單位企業(yè)對人才能力的需求愈發(fā)增高，為了提高學(xué)生的生存本領(lǐng)，更好地為社會(huì)貢獻(xiàn)自己的力量，各家長及學(xué)校給孩子們布置了繁重的課業(yè)任務(wù)。此外，各類電子產(chǎn)品的普及和孩子們?nèi)狈议L陪伴等原因，導(dǎo)致孩子們沉迷于電子產(chǎn)品。電子產(chǎn)品的不當(dāng)使用及家長沒有對孩子們存在的不當(dāng)學(xué)習(xí)方式進(jìn)行及時(shí)糾正，導(dǎo)致孩子們過早地戴上了近視眼鏡。故而，設(shè)計(jì)一款視力保護(hù)器以提醒和糾正孩子們的坐姿至關(guān)重要。

視力保護(hù)器的設(shè)計(jì)受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[1]研究了智能語音技術(shù)在視力保護(hù)器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[2]探討了基于PWM的智能視力保護(hù)器設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[3]對學(xué)齡前兒童篩查，發(fā)現(xiàn)許多兒童已經(jīng)被診斷出患有嚴(yán)重的視覺障礙，可惜診斷太遲，無法進(jìn)行有效的干預(yù)。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)的視力保護(hù)器在語音播放模塊具有31首可供點(diǎn)播的歌曲。文獻(xiàn)[5]著重設(shè)計(jì)了超聲波測距模塊。文獻(xiàn)[6]主要介紹了近視眼產(chǎn)生的原因并提出了智能保護(hù)儀的設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)[7]運(yùn)用紅外線測距模塊對距離進(jìn)行檢測。文獻(xiàn)[8]對室內(nèi)光照強(qiáng)度的測量提出了新的理論與設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[9]運(yùn)用超聲波測距及光強(qiáng)傳感器對智能兒童書桌進(jìn)行設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[10]對久坐不動(dòng)造成的影響進(jìn)行了研究并設(shè)計(jì)了一款久坐提醒器，但并沒有對坐姿進(jìn)行矯正，無法預(yù)防近視。

以現(xiàn)有研究為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一款多功能視力保護(hù)器，不但能夠?qū)崿F(xiàn)測距、測光、計(jì)時(shí)等功能，還能在佩戴者坐姿不當(dāng)時(shí)進(jìn)行提醒，從而培養(yǎng)其正確的讀寫姿勢和學(xué)習(xí)習(xí)慣，并可有效防止在學(xué)習(xí)過程中由于長時(shí)間錯(cuò)誤坐姿造成的骨骼變形、眼睛近視等問題。

1? 總體方案設(shè)計(jì)

以AT89C51單片機(jī)芯片為控制核心。通過光敏電阻采集光線信號(hào)，并對其進(jìn)行量化，設(shè)定報(bào)警參數(shù)使器件在光照低于設(shè)定值時(shí)產(chǎn)生聲光報(bào)警。利用超聲波測距原理測出使用者的產(chǎn)品佩戴位置與桌面的距離，當(dāng)測得距離過近時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警。單片機(jī)內(nèi)部有計(jì)時(shí)裝置，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到45分鐘時(shí)報(bào)警，提醒佩戴者注意休息。測得的距離、光照、時(shí)間等信息由液晶屏顯示，以方便使用者觀察。單片機(jī)連接復(fù)位按鈕隨時(shí)對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，四個(gè)設(shè)置按鈕用來設(shè)置系統(tǒng)的開始、暫停和報(bào)警。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

2? 系統(tǒng)方案論證

2.1? 電源模塊

本系統(tǒng)采用電力供能，考慮了兩種供電方案。第一種方案：紐扣電池，紐扣電池為堿性電池，電流輸出穩(wěn)定，電量足夠本系統(tǒng)使用，體積小，多用于手表等小型電子產(chǎn)品中。第二種方案：采用DC電源模塊，可經(jīng)USB電源線由充電寶或直流電為系統(tǒng)供電。模塊在各個(gè)方面的功率性能都更加充足和穩(wěn)定，只是需要一直通電，佩戴時(shí)不方便。為了在測試時(shí)方便排查供電模塊電量不足問題，采用方案二。若是本系統(tǒng)經(jīng)測試能滿足要求并進(jìn)行產(chǎn)品則可以考慮應(yīng)用方案一，以達(dá)到便攜美觀的要求。

2.2? 主控制模塊

單片機(jī)控制具有簡單、方便、快捷等優(yōu)點(diǎn)?？煽啃愿摺⒌凸那矣谐瑥?qiáng)的抗干擾能力。AT89C51芯片具有位操作指令，價(jià)格低廉，其程序空間為4k，足夠本系統(tǒng)運(yùn)用。從使用便利性及性價(jià)比角度考慮，選擇AT89C51芯片作為主控芯片。

2.3? 光線檢測模塊

本系統(tǒng)利用光照強(qiáng)度檢測模塊將光線數(shù)字化，經(jīng)顯示模塊將轉(zhuǎn)換后的數(shù)值顯示出來。由于光敏電阻具有光線越強(qiáng)，電阻越小的特性，且價(jià)格低廉、性價(jià)比高，故而采用光敏電阻作為光線檢測模塊。

2.4? 報(bào)警模塊

本系統(tǒng)采用蜂鳴器并聯(lián)發(fā)光二極管進(jìn)行聲光報(bào)警，其具有小體積、輕重量、使用安裝方便、性價(jià)比高等特點(diǎn)，在日常生活中用處廣泛，雖提示方式單一，但能夠滿足本系統(tǒng)的需求。

2.5? 坐姿檢測模塊

本模塊用來檢測使用者的坐姿是否正確，是否有歪頭、趴桌等現(xiàn)象。超聲波測距傳感器因其小體積、輕重量、使用方便、性價(jià)比較高等特點(diǎn)得到廣泛使用。雖然聲波在傳播時(shí)會(huì)有削弱，即傳輸超過3.8米時(shí)則無法碰到障礙物返回，而本系統(tǒng)用于測下巴和桌面的距離，一般不會(huì)超過0.5米，故而選擇超聲波測距傳感器作為坐姿檢測模塊。

2.6? 顯示模塊

顯示模塊用來顯示測量信息，幫助使用者了解當(dāng)前的環(huán)境信息，改善使用感。液晶顯示器是日常生活中比較常見的一種顯示器，可顯示字符、數(shù)字等信息，顯示清晰，顯示信息量大，雖然在強(qiáng)光下無法顯示，但并不影響本系統(tǒng)的使用。為了實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互，采用LCD1602液晶顯示屏作為顯示模塊。

3? 單元電路設(shè)計(jì)

3.1? 主控制模塊

主控制最小系統(tǒng)模塊包括復(fù)位電路和晶振電路。AT89C51有32個(gè)可編程I/O接口，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器用于本系統(tǒng)計(jì)時(shí)，作為定時(shí)模塊。P0口用作通用的I/O口，需要RP2為上拉排阻，作為準(zhǔn)雙向口，采用P0口作為顯示器數(shù)據(jù)通道。P1口具有內(nèi)部上拉電阻，P1.3～P1.5接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，P1.6～P1.7接超聲波傳感器模塊。P3.4～P3.7接按鍵模塊。P2口閑置，呈高阻狀態(tài)。最小系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示。

3.2? 按鍵模塊

采用四個(gè)按鈕來控制學(xué)習(xí)計(jì)時(shí)的開始、暫停/繼續(xù)計(jì)時(shí)、重新計(jì)時(shí)、設(shè)置報(bào)警參數(shù)等功能。其中各獨(dú)立按鍵的具體功能為S2：開始/重新計(jì)時(shí)鍵；S3：暫停計(jì)時(shí)/減鍵；S4：繼續(xù)計(jì)時(shí)/加鍵；S5：設(shè)置鍵。當(dāng)系統(tǒng)接入電源后，按下S2鍵，系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)；此狀態(tài)下按下S3鍵，計(jì)時(shí)器暫停計(jì)時(shí)；按下S4鍵則會(huì)繼續(xù)計(jì)時(shí)。若在系統(tǒng)計(jì)時(shí)過程中再次按下S2鍵，會(huì)重新開始計(jì)時(shí)。

按鍵使用的是四角按鍵，短邊的兩對引腳是常開狀態(tài)，長邊的兩對引腳為常閉狀態(tài)，焊接時(shí)只需要連接一對短邊引腳即可。當(dāng)按鍵按下時(shí)，主控芯片中與按鍵相對應(yīng)的引腳直接接地，該引腳變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)，主控芯片執(zhí)行相應(yīng)程序。按鍵電路如圖3所示。

3.3? 超聲波測距模塊

測距模塊采用利用壓電效應(yīng)的HC-SR04超聲波模塊，其為可逆元件。超聲波方向性好，能夠定向傳播。超聲波傳感器又分為專用型和兼用型。所謂專用型，是指發(fā)送器專用來發(fā)送，接收器用來接受；兼用型指上述二者合為一體的傳感器，既可以發(fā)送超聲波，又可以接受超聲波。本模塊選用兼用型傳感器以滿足需求。連接圖如圖4所示。

3.4? 光強(qiáng)檢測模塊

光敏電阻是阻值可變的電阻，當(dāng)光線變化時(shí)，阻值變化，相應(yīng)的電流也隨即變化，電流模擬量經(jīng)過ADC0832利用逐次逼近的轉(zhuǎn)換原理得到光強(qiáng)分級(jí)數(shù)據(jù)，從而得到光強(qiáng)值，便于設(shè)定參數(shù)和觀察控制。先將數(shù)字量最高位置1，其值與輸入的模擬量進(jìn)行比較，當(dāng)模擬量較大時(shí)，此位即為1，反之為0；接著將次高位置1，再與模擬量比較，依次比較后得出數(shù)字量的值。

通常與單片機(jī)接口的ADC0832應(yīng)該是四線。但由于DO端與DI端的通信效果不理想，所以在電路設(shè)計(jì)時(shí)，DO和DI可以并聯(lián)在一起使用。當(dāng)ADC0832不工作時(shí)，CS為高電平，表示芯片此時(shí)不能運(yùn)行。當(dāng)CS變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，芯片開始轉(zhuǎn)換工作。2、3脈沖下沉端應(yīng)使用2位數(shù)據(jù)選擇輸入通道函數(shù)。光照檢測電路如圖5所示。

3.5? 蜂鳴器報(bào)警模塊

報(bào)警模塊選用蜂鳴器報(bào)警同時(shí)二極管配合閃爍。蜂鳴器采用三極管驅(qū)動(dòng)，二極管伴隨蜂鳴器的報(bào)警聲閃爍。蜂鳴器采用直流電壓供電，發(fā)光二極管具有單向?qū)щ娦裕荒苤苯优c電源正負(fù)極相連，需要串聯(lián)一個(gè)電阻進(jìn)行分壓限流，防止電流過大燒壞二極管。蜂鳴器與二極管的正極接PNP三極管的集電極，負(fù)極接地。三極管的發(fā)射極連接電源正極，基極串聯(lián)1 kΩ分壓電阻后接到主控芯片。當(dāng)端口輸出低電平時(shí)，電路導(dǎo)通，蜂鳴器和發(fā)光二極管通電，產(chǎn)生報(bào)警。報(bào)警電路如圖6所示。

3.6? 顯示電路

顯示模塊采用液晶顯示屏，此顯示屏可顯示兩行字符，每行顯示16個(gè)。LCD1602共有16個(gè)端口，端口1、2為電源接口，端口3為V0端口。本系統(tǒng)中外接3 kΩ電阻用于設(shè)定液晶屏的對比度。顯示電路如圖7所示。

4? 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。通過程序調(diào)用，實(shí)現(xiàn)各模塊的配合工作，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。當(dāng)沒有外部中斷應(yīng)用時(shí)，單片機(jī)通過循環(huán)實(shí)時(shí)地顯示測量數(shù)據(jù)。

5? 硬件測試

硬件接入電源后，按下電源自鎖開關(guān)，系統(tǒng)開始運(yùn)行，屏幕顯示初始值。按下開始鍵，45分鐘倒計(jì)時(shí)開始，如圖9所示。在顯示屏中，第一行顯示的是距離（csb）和光強(qiáng)（gm）數(shù)據(jù)，即此時(shí)距離為0.08 m（此時(shí)身體擋在系統(tǒng)前方），光強(qiáng)為81%。第二行顯示倒計(jì)時(shí)（Time）開始的45分鐘。

6? 結(jié)? 論

設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的多功能視力保護(hù)器軟硬件系統(tǒng)，該視力保護(hù)器能夠較準(zhǔn)確地測量眼睛到桌面的距離，采集學(xué)習(xí)環(huán)境的光照強(qiáng)度，記錄學(xué)習(xí)的時(shí)間，并實(shí)時(shí)顯示測得值。當(dāng)測得值不符合設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示。經(jīng)測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，使用效果好，準(zhǔn)確率高。不足之處在于一些室外條件，如溫度、濕度和風(fēng)速，可能會(huì)影響超聲波傳感器的性能。

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作者簡介：閆晶晶（1985.01—），女，漢族，河南焦作人，副教授，博士，研究方向：控制理論與設(shè)計(jì)。