视力保护器的设计

1、学校代码 10126 学号 0145124171 分 类 号 密级 本科毕业论文设计视力保护器的设计 学院、系 鄂尔多斯学院电子信息工程系 专业名称 自动化 年 级 2014 级 学生姓名 李华 指导教师 范文亮 2018 年 04 月 16 日内蒙古大学本科毕业论文(设计)视力保护器的设计摘要21 世纪以来，越来越多的眼镜族出现在了人们面前，对学生而言，学习的压力越来越大，对成人来说，工作的压力逐渐增大，随着压力的增加，克服这些压力便需要更多的努力，人们常常为了达到各种目标不懈努力，却在努力的过程中忽略了自己的健康，尤其是眼睛的保健，由于各种不规律的学习姿势，越来越多的学生带上了眼镜，这已经

2、发展为一个难以解决的问题。因此，视力保护器应运而生。该装置使用了89C52 芯片，使用了光敏电阻来检测光照强度，使用超声波测量距离，使用蜂鸣器和发光二极管提醒使用者注意姿势，光线，和按时休息。通过硬件电路连接以及 C 语言的编程从而实现视力保护的功能。该装置使用方便，耗能较少，可调节学习时间，可以有效的预防和保护视力。关键词：单片机,超声波,视力保护内蒙古大学本科毕业论文(设计)Design of vision protector.Author： LihuaTutor：FanwenliangAbstractSince the 21st century, more and more glasse

3、s appeared in front of the people, the family of students, the pressure of studying, for a adult, the pressure of work, with the increase of stress, followed by is more efforts, people often in order to achieve a variety of unremitting efforts, and often ignored their health, especially the health o

4、f the eye, because of various irregular learning posture, more and more students are myopia, this has been hard to solve the problem. Therefore, vision protector arises at the historic moment. The device using 89 c52 chip, using photosensitive resistance is used to detect the light intensity, using

5、of ultrasonic distance measurement，using the buzzer and led to remind users pay attention to the position, the light, and the rest on time. Through hardware circuit connection and the C language programming so as to realize the function of eye protection.The device is easy to use and consumes less e

6、nergy. It can adjust learning time and can effectively prevent and protect eyesight.Keywords：MCU,ultrasonic, vision protection内蒙古大学本科毕业论文(设计)目录1 绪论.11.1 视力保护器的课题背景.11.2 发展现状.21.3 设计要求.32 总体方案设计.42.1 硬件电路设计 .52.1.1 电源稳压电路设计.52.1.2 主控制器模块.62.1.3 坐姿检测模块.72.1.4 显示模块.82.1.5 报警提示模块.82.1.6 光照强度检测模块.92.2 最终

7、方案.93 硬件实现及单元电路设计.103.1 主控制模块.103.2 电源电路设计.103.3 蜂鸣器驱动电路.113.4 按键电路.113.5 光照强度检测电路.123.6 液晶显示模块.123.7 超声波坐姿测距模块.133.7.1 定时报警电路.134 系统软件设计方案.144.1 系统主程序流程图.155 系统的安装与调试.165.1 安装步骤 .165.2 电路的调试 .165.3 本章小结 .16结论.17致谢.18参考文献.19附录.20内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 1 页1 绪论1.1 视力保护器的课题背景21 世纪以来，我国社会发展速度飞快，这需要更多地更优秀的人才，

8、故学校给予学生的压力越来越大。 2016 年 07 月 25 日，北京市青少年协会针对青少年的学习压力做了一次走访，结果发现，有一大部分学生感觉到学习压力大，想要完成学习任务要很多努力，这种高压学习使学生用眼过度导致近视，不得不带上眼镜，成为眼镜族的一员。学生近视的现象在我国非常普遍，不管是在街上，还是在学校里，各处都能见到带着高度眼镜的学生，他们眼中的世界不在那么清晰。而人们一旦带上了眼镜，那么付出多少的人力物力都是不可能使眼睛恢复到原来不近视的状态。一项调查发现我国青年的学历越高，近视程度越严重。特别是调查显示有 65%以上的学生及他们的家长缺乏视力保健的最基本的知识，不懂得盲是近视的进一

9、步发展，一部分的近视患者没有采取合理方法去保护视力，从而使得近视程度越来越严重。人们都说：少年是中国的希望，倘若一个少年只能通过镜子才能看到美丽的世界，那么谈何未来？ 因此，需要设计一个视力保护器，希望给予青少年健康的读写环境和培养青少年科学的读写方法，从而帮助因学习压力过大而需要长期学习的青少年不会在小小的年纪带上眼镜，用科学的方法，防止不正确读写习惯。 内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 2 页1.2 发展现状随着学生近视率的不断提高，中国的各种大型企业与各类机构都在争相研究自己厂家的视力保护器，他们都想要帮助学生摆脱近视的厄运，因此各种企业和各类机构都投入了大量的财力物力来研究视力保护器

10、，但是现在中国的各种企业与各类机构研究的视力保护器的种类比较单一，几乎都是根据调整坐姿来完成视力保护，缺少了很多保护视力的措施，只是考虑到了坐姿的原因，当坐姿不对时用语音对使用者提醒，而这种仪器被使用者使用后，使用者们纷纷的感到这种视力保护器的效果不明显，并不能达到视力保护器的预期目标，于是好多企业与机构纷纷放弃了视力保护器的研究。外国的各种科研机构也在研究视力保护器，与中国的企业与机构不同的是外国的机构更加关注产生近视现象的内部原因，调查表明，多吃鱼肉和各种各样的蔬菜可以使人的眼睛变得更好，人的眼睛健康了，那么对于近视的免疫力也就增强了，可以有效的抑制近视。他们认为内部因素远远比外部因素更加

11、重要，只有从内部解决问题了才能解决近视的问题，要想在根本上解决问题必须要有规律的搭配，这样才能保证营养均衡，身体健康。然后在通过坐姿的矫正双管齐下克服近视的问题。而外国的这种想法仅仅停留在理论的方面，并没有真正的实物。综上所述，市面上视力保护器的种类非常少且功能非常少，不能达到人们的需求。视力保护器在如今的市场上还是一片空白。视力保护器的研究依旧是一个难以解决而又必须解决的问题。 内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 3 页1.3 设计要求单片机的功能十分强大，可以实现各种各样的要求，在各种各样的企业中都有着广泛的应用，故我们使用单片机作为视力保护器的芯片。首先我们要挑选出视力保护器所需要的各类

12、元器件。我们需要买一些质量较好，价格适宜的元器件，这样的元器件不仅为我们节省了金钱还为我们的设计提供了质量的保障。我们首先要计算出系统所需的各种元器件的参数，根据参数确定范围，在买到相应的元器件。最重要的环节就是电路的设计，电路的设计非常麻烦，需要对一个个元器件进行连接仿真，只有每一个元器件都能仿真出结果系统才能运行起来，选用 STC89C52 作为芯片，STC89C52 功能较多，掌握简单且价格实惠，使用蜂鸣器进行提醒，用光敏电阻来感受光线的强弱，使用超声波来测量距离大小。它具备以下功能：1.当光线强度不能达到要求时，蜂鸣器会响，提醒使用者注意光线。2.当视力保护器与人体的距离不能达到要求时

13、，蜂鸣器会响，用来提示使用者。 3.当使用者学习时间较长时，我们会提醒使用者注意休息，我们把提醒时间设为四十五分钟。 内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 4 页2 总体方案设计采用 STC89C52 芯片当做视力保护器的主控制器。为测得光线的模拟信号我们采用对光比较敏感的光敏电阻，在经过数模转换器后，可以获得光线强度的数字信号，通过与给定值比较，判断出光线是否符合给定值的要求，如果不符合，报警提示。由于超声波能够丈量间距，所以我们使用超声波测距传感器来得出使用者与视力保护器的间距，通过数模转换，得出的结果与正常值进行比较，如果不能达到正常值的要求，则蜂鸣器响，提醒使用者注意调整姿势。单片机具有

14、多种多样的功能，其中包含定时器功能，所以我们不需要弄定时器单独的模块，我们可以使用单片机内部的定时器单元。当定时器的值超过给定值的时候，系统会发出报警提示，可以有效的保障使用者的正常作息。系统的设计方框图为： 图 1.1 系统总体方框图测距模块报警模块STC89C52单片机模块 供电模块光强检测模块 内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 5 页2.1 硬件电路设计2.1.1 电源稳压电路设计由于该视力保护器系统元器件较少，用电量较少，所以我们选择使用电池供电。以下有两种方案可供选择：方案 1：由于蓄电池具有较高的能量，以及较强的供电能力，我们可以选用 12V 的稳压蓄电池来给视力保护器的各个元器

15、件供电。但是由于我们对视力保护器的规划制作面积较小，蓄电池的体积太大，其次，蓄电池的造价较高，如果用在视力保护器上有点大材小用。采用蓄电池供电不是一个好的选择。方案 2：由于单片机，传感器用电量较少，所以三节 1.5 V 的干电池共 4.5V 就能完成充当电源的任务，不仅可以达到效果，还节约了能源。由此，我们决定使用方案二。 内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 6 页2.1.2 主控制器模块方案 1：众所周知 CPLD 是一种功能多，稳定性好，输入输出端口较多，特别容易进行扩展的可编程逻辑器件，我们可以选择它来作为控制器。它的处理速度非常快因为它采用了并行的输入输出方式。使用它可以实现各种各样

16、复杂系统的控制。它常常被使用在各种大型的工业企业里。显而易见，CPLD 作为视力保护器的控制器有些大材小用。其次，CPLD 的造价较高，已经超过了预期，从经济的角度上考虑，CPLD 作为控制器也不是一个好的选择。方案 2：在日常生活中，我们用的许多智能的小器件都是使用单片机作为控制器的，可以看出，单片机不仅体积较小，而且使用特别方便，包含功能较多，最重要的一点是STC89C52 单片机的功能十分强大，它的输入、输出口可以按位寻址，它的程序空间非常大，计算能力非常强，还特别容易掌握，是视力保护器芯片的最好选择。使用STC89C52 芯片，我们不仅可以节约成本，还可以节约实物体积。通过对比方案 1

17、 与方案 2，决定使用方案 2。 内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 7 页2.1.3 坐姿检测模块本系统可以通过坐姿的改变来检测坐姿是否正确也可以通过使用者距离视力保护器的距离来判断使用者的坐姿是否正确，于是我们需要选用测量距离的传感器。方案 1：红外线对人体的体温非常敏感，使用者与传感器的距离大小会影响到传感器采集的温度，我们先把视力保护器放到正当的位置，当使用者以合理的坐姿做到凳子上时，我们便可以使用视力保护器了，但是，红外线传感器的灵敏度特别高，使用者身体哪怕产生了微小的运动，那么红外线传感器也会感到检测到的温度上下浮动，从而，蜂鸣器鸣叫，提醒使用者。这有违视力保护器的设计要求，因为人

18、不是固定的，时时刻刻都在运动，这就会造成视力保护器一直误报警，不仅没有达到调整坐姿的目的，反而起了相反的作用。所以采用红外线传感器作为坐姿检测模块不是一个好的方法。方案 2：我们可以使用超声波来检测间距的大小。超声波传感器测得的数据与我们设定的给定值进行比较，从而决定蜂鸣器是否工作，视力保护器是否报警。超声波传感器的体积较小，可减少视力保护器的体积，超声波测距的原理比较简单，易于使用。最重要的是超声波传感器可以有效的完成测距任务而且它的价格较低，性价比较高，可以节省设计所需费用。所以，超声波传感器是检测间距的一个非常好的选择。通过对比方案一与方案二，我们最终选择了方案二。 内蒙古大学本科毕业论

19、文(设计) 第 8 页2.1.4 显示模块方案 1：在工业中，常常使用 LCD1602 来充当显示器用，因为它可以显示的字符可以达到三十二位，这可以很好的满足各种各样工业显示器的要求，最重要的是它的显示是分行显示，使用者可以较为直观的看出显示结果。它的接口十分简单，易于我们掌握，最重要的是，它的价格比较低，能够很好的完成显示的任务，这对系统而言是一个好的选择。方案 2：在大学里，我们接触到的显示仪器最多的就是数码管了，数码管工作简单，耗能较少，比较容易安装，但是一个数码管只能显示一个数字，如果要显示结果的话可能会造成需要的数码管较多，不仅浪费数码管而且数码管占用面积较大，不能很好的显示出结果，

20、由此可见，数码管作为显示模块的选择不是很好。 通过对比方案一与方案二，我们最终选择了方案二。2.1.5 报警提示模块该视力保护器需要依靠报警来引起使用者的注意，在市场上，能当做报警器的元器件多种多样，他们提醒的方式也多种多样，这样，我们需要在各种各样的报警器中选择一个性价比较高的报警器来作为视力保护器的报警器。方案 1：众所周知：语音报警器能够轻易地达到提醒用户的目的，而且能够清楚的提醒使用者们存在的各种各样的问题，语音报警器对用户的提醒效果明显，有利于用户改正错误。用户的体验感要远远的高于其余类型的报警器，但是，语音报警器的制作非常麻烦，编程特别复杂，最重要的是价格过于昂贵，不适用于这中造价

21、较小的视力保护器。所以，语音报警器作为视力保护器的报警提示模块有点大材小用。方案 2：蜂鸣器的价格较低，方便使用，方便安装，体积较小，非常适合做为视力保护器的报警模块，虽然它跟语音报警器有很大的差距，但是也能胜任视力保护器的报警器模块。 内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 9 页我们分析了各种各样的参数，决定使用方案二，方案二的性价比较高，能够减少视力保护器的花销。这样才能推动视力保护器的普及。2.1.6 光照强度检测模块方案 1：M124749 是目前市场上销量最火爆的光照强度检测器。M124749 采用了先进的技术，对光照的感应非常敏感，而且它的输出信号还是标准的电压或者电流信号，视力保护

22、器的报警模块非常需要这种标准的信号，而且传感器的体积非常小，非常适合我们的视力保护器，但是，往往一分钱一分货，这种传感器的价钱非常的昂贵，这就造成了视力保护器的成本过高，不适合视力保护器的普及。方案 2：有一种元器件对光照强度十分敏感，这种元件就是光敏电阻，它的工作原理是当它接触到光线时，它的电阻会发生变化，光线的强度越强，电阻的变化越大，电阻就会越小。它可以使用直流电源来供电。另外，它的体积较小，可以满足视力保护器的设计要求，而且它的价格较低，可以减少视力保护器的成本，有利于视力保护器的普及。通过研究，我们发现，光照度传感器 M124749 的效果要比光敏电阻的效果强，但是价格较高，而且很难

23、买到，不利于视力保护器的普及。最终，我们选择了方案二。 2.2 最终方案我们经过了反复的考虑，最终决定：1、采用三节五号电池当做视力保护器的电源。2、采用 STC89C52 芯片作为视力保护器的芯片。3、坐姿检测模块使用超声波传感器来实现。4、使用 LCD1602 来显示结果。5、使用蜂蜜器来达到报警和提醒用户的目的。 内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 10 页6、使用光敏电阻来检测光的强度。3 硬件实现及单元电路设计3.1 主控制模块系统的主控制 电路如图 3.1 所示。 图 3.1 单片主控电路3.2 电源电路设计为了把供电电源的电压稳定在 5V，我们需要采用 7805 稳压芯片，当输入

24、稳定时，供电电源给各类传感器和单片机供电。电路图如图 3.2 所示：Vin1GND2Vout3VR178xx546231SW1sw-块块470uFC4103C5CAPD2LED2KR5GNDGNDVCC9V块块块块12P2 内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 11 页图 3.2 电源电路 3.3 蜂鸣器驱动电路蜂鸣器的驱动电路如图 3.3 所示：图 3.3 蜂鸣器驱动原理图 3.4 按键电路系统需要实现设定参数和设定光强度报警值的功能，经过计算，使用四个按键便可以实现上述功能，电路如图 3.4 所示： 内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 12 页图 3.4 按键电路3.5 光照强度检测电路光敏

25、电阻的阻值会因为光线强度的变化而变化，那么光敏电阻分到的电压也就会发生相应的变化。通过模数转换器对模拟电压进行采集变换以后，把电压的模拟量变成数字量，通过跟设定值进行比较，可以实现光照强度的检测。电路如图 3.5 所示：图 3.5 光照采集电路3.6 液晶显示模块 采用 LCD1602 液晶显示器对结果进行显示，显示电路的接法如图 3.6 所示： 内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 13 页图 3.6 数码管显示3.7 超声波坐姿测距模块HC-RS04 超声波模块由超声波发射器，接收器与控制电路组成。它可以提供的非接触距离感应功能可以达到二厘米到四百厘米，它的测距精度非常高，可以达到三毫米。测

26、距模块如图 3.7 所示：图 3.7 超声波模块实物3.7.1 定时报警电路我们设计的定时电路是是用的单片机的定时计数功能，当使用者使用时长超过一定时间的时候我们会报警提示，用来提醒使用者休息，我们把这个时长设为四十五分 内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 14 页钟，而定时报警电路分为定时器电路和蜂鸣器鸣叫电路。在我们的单片机课程学习中，我们了解到 STC89C52 芯片中包含了两个可编程的定时器，它的定时器是通过对脉冲计数来实现定时功能的，STC89C52 芯片的定时器模块既可以充当计数器也可以作为定时器使用，它还有四种工作方式，可以很好的实现各种各样的功能。我们可以根据各种需要来选择相应

27、的工作方式。当 STC89C52 芯片工作在定时模式时候，如果晶振频率为 12MHZ，由于 12 个振荡周期为一个机器周期，那么我们可以算出定时器的计数周期为：T=1us。STC89C52芯片的内部时钟脉冲作为定时器的输入信号时，STC89C52 单片机的一个机器周期可以产生一个脉冲，一个脉冲可以使计数器加一，我们设定视力保护器的时钟周期为6MHZ，那么就可以得出，每隔 0.5 秒，定时器的记数加一，当定时器的值达到我们的预设值时，系统就会报警，提示使用者。4 系统软件设计方案我们首先要编出系统的主程序，当主程序运行成功时，再分别对应各种元器件设计出各种子程序，当子程序都能运行成功时，我们在将

28、各种模块的子程序嵌入到主程序中，这样不仅编程方便，而且当程序出错时，我们可以很高效的找到错误的内容，然后改正，调试起来非常方便。该视力保护器的软件设计方框图如下：系统总程序 内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 15 页图 4.1 系统软件设计方框图4.1 系统主程序流程图下图为视力保护器系统的坐姿检测流程图。测距子程序定时器子程序检测光强子程序报警子程序 内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 16 页系统初始化开始发送超声波脉冲等待发射超声波计算距离显示结果图 4.2 系统坐姿检测流程图5 系统的安装与调试5.1 安装步骤1.检查元件的好坏 内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 17 页按照我们买好的原件依次进行检查，根据各种原件对应的检测方法进行检测，在检查过程中一定要细心，防止因为不必要的失误而造成严重的后果，当原件检测全部通过时，我们才可以按照电路原理图上件。2.放置、焊接各元件认真核对好原理图，依次放置好各种原件的位置，一定要注意各种原件的安装方向，然后依据电路原理图依次进行焊接，焊接时候要特别小心，防止原件焊错位置，注意安全，防止烫伤。当焊接完一个原件时候，适当冷却，在进行下一个原件的焊接，这样有效的防止了烫伤。5.2 电路的调试把我们编好的主程序下载到 STC89C52 芯片中，首先载入显示程序，检查显示部分是否可以实现，如果实现不了，我们需要