【《基于单片机的视力保护系统设计》8000字】

基于单片机的视力保护系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u777基于单片机的视力保护系统设计 421688摘要 4241991绪论 643251.1课题的研究背景与意义 67132系统方案设计 732822.1设计要求 780783系统硬件设计 794793.1整体方案设计 7110123.1.1系统概述 7101153.1.2系统框图 7214823.2最小系统模块 8280973.2.1STC89C52简介 813903.2.2最小系统电路 9169533.3LED照明电路 10100233.3.1LED灯的特点 10254423.3.2LED照明电路原理图 10305703.4光照强度采集电路 1163783.4.1光敏电阻工作原理 11129433.4.2光照强度采集电路 11262113.5人体红外检测模块 1159073.5.1HC-SR501模块相关介绍 11299953.5.2人体红外检测电路 12195493.6距离检测模块 13277883.7蜂鸣器模块 14276773.8按键输入模块 1563324软件设计 15281214.1程序流程图设计 1517364.1.1总体程序流程图设计 15142334.1.2模数转换程序设计 1794704.1.3PWM调光程序设计 17177145实物调试 18132095.1实物功能 19212635.2功能调试 1914675总结 2214009参考文献 2327495致谢 2420082附录 2419199附录一元件清单 2410619附录二原理图 25531附录三PCB图 26摘要：社会在不停的进步，随着社会生产力的不断提高，人们的生活追求也在日益变化。高科技应用性与思维开创新决定了现代市场的未来趋势和美好前景。智能化技术的深入应用对如今用电家具领域的多功能化有着深远影响。随着智能电子家居行业的深入研究，家用电器的发展也越来越偏向多元化。如今应用于广大市场上的智能电子家居多数都有着共同特点，都是以单片机为中央控制单元的。如今伴随着电子技术行业的不断深入研究，人们在工作或学习过程中所用的照明家具也在不停的发生着改变。从普通电灯到白炽灯，再到现在市场上最流行的LED灯，无不代表了时代科技的进步与发展。但由于近些年的环境问题及能源减少，绿色环保便是如今和未来的电子家居发展的前景与方向。当在此智能台灯的感知范围内出现人体常驻并且环境光强较低时，台灯会自动感应开灯，并且会自行根据当时环境的光强来调整台灯的光亮，当然伴随着感知范围内人体的离开，台灯会在1分钟内自我关闭。若人体离传感器处于设定的距离内，会引起蜂鸣器警报来达到提醒使用者纠正坐姿的目标。本项目同时具有手动调节功能，可以通过手动调节亮度来适应更广大市场的需求。关键词：单片机；台灯；PWM；人体感应1绪论1.1课题的研究背景与意义随着时代与科技的飞速进步，如今人们对绿色环保以及对生活工作健康的日益重视，于是许多人通过各种方法途径将节能与智能健康连接到一块。而照明又是如今最为普遍的电子家具行业，随着企业及私人用电的日益增长，节能照明与智能照明也开始被发掘重视。现在最常规使用的LED灯是继白炽灯、荧光灯等之后的第四代新光源。作为一种极具代表性的绿色照明灯种，与以前的各种光源比较之下，具有绿色环保、长寿、安全、所占面积小等特点，代表了照明行业的未来发展趋势，并符合当前政府提出的绿色环保要求。如若根据如今的市场发展趋势，可以肯定LED会在照明领域取代现有的普通照明光源。目前照明市场上的其他常规灯种普遍存在着利用率低下、耗能较高又不具备智能性的明显缺点，部分灯产品更是功能简单导致了调节不易、在部分情况下因不能智能的开关灯从而消耗无故电能，更是缺少多功能一体化的特点，这样的产品是无法适应如今的市场需求的。然而具备了智能亮度调节、智能开关灯、智能视力保护等功能的智能型台灯将会凭借着巨大的潮流优势进入当前市场与人们的生活中。在如今，我国政府非常看重绿色节能。伴随着过去数十年中国科技与经济的迅猛发展，能源的大量消耗如今已成为影响我国未来发展的首位问题。首先，一般的灯种耗电量较高如白炽灯，并且电能利用率较低，致使大量的电能在我们的日常生活工作中被浪费。其次，非智能化电气无法适应目前大部分人们随意的生活模式，在现在人们更加懒惰的生活模式中有大量的电能会因为着人们或懒或忘记随手关电源而随意地浪费掉，而智能化用电家具便能凭借着先进的智能化技术解决这一现状。如果所有的电子家居都具有了可以随时的根据所在环境与所应对的目标的变化而做出正确的适时改变的智能化处理问题的能力，那无论是工作效率还是工作的精确度亦或是耗能都能得到极大地改善。当然，各种设备的智能一体化一定会是未来的电子家居的发展趋势。另外，如今国内今年来的年轻人群的近视率在迅速增长，各年龄段人群的近视率更是达到了世界之最。特别是初高中生几乎达到一半以上都戴着近视眼镜。在这种严重的社会现状下，智能化台灯的出现将会极快的适应现在的广大国内市场。同时，优秀的智能化台灯的大量投入也会在很大的程度上改善如今近视人数快速增多的社会问题。智能化台灯可以通过各种传感器的巧妙配合来达到及时纠正使用者坐姿及使用时长、根据环境调整光线强度等现实问题。针对如今青少年视力被严重威胁这种问题，必须要从引发问题的根源上来解决，而现在影响着青少年视力的主要原因是繁重的学习压力，大部分的青少年学生大部分时间都是花在了书桌前，也就是说晚上青少年们大部分时候都是处于台灯下的，这便说明了台灯对如今青少年的势力影响占了多么重量的地位。一个普通的台灯据研究只需两个小时的不间断直射便能对青少年的眼睛带来不可逆转的危害，为此一个正确的台灯使用方法，一个正确的台灯的制造和选择是及其重要的。因此，智能化台灯在对环境、时间、使用者的需求而及时对自身做的各种正确改变会在极大程度上改善目前青少年的近视危机。但目前市场上真正的智能化台灯确实非常少的，大量的台灯都只具有手动调节的能力，而能够自动调节自身的智能化能力依旧未能普遍发展到电子家居行业。而此设计能够在人们应为长时间工作学习而忘掉在逐渐变得昏暗的环境中及时开灯或者在已经变亮的环境中及时关灯是自己做出正确判断并自己开关灯，同时会在人们离开工作学习环境却忘记随手开关灯是自动开关灯。能做出如此能力的才是所谓的智能化台灯，这种台灯才能在保护广大青少年实力的同时还能在最大程度上保证绿色环保化。2系统方案设计2.1设计要求(1)熟悉51单片机集成开发环境，采用自己掌握的编程语言编写工程文件；

(2)可以熟练的使用51单片机，并且掌握如何调试其中的软硬件；

(3)自行构建基于单片机的最小系统，完成相关硬件电路的设计实现；

(4)自行学习并掌握此项目的运行原理和构造途径。3系统硬件设计3.1整体方案设计3.1.1系统概述在此项目中将STC89C52单片机作为其系统中的中心部件，再搭载各种电阻电容等非核心部件互相配合使用，来构建出了此单片机的最小系统。再用其他各种模块配合着此单片构建的最小系统来应用。比如，使用了USB灯来进行模仿现实操作中台灯照明功能，并且会使单片机更加符合大众审美观；光照强度采集模块，是使用光敏电阻+ADC0832方案；另外此项目还采用了具有极高灵敏度的红外热释传感器来达到感知周围是否有人的目的；而此台灯的视力保护部分则是由哄完传感器来构成；警报部分则是常用的单片机蜂鸣器；指示灯模块是由一个能够闪烁绿色光线的LED小灯来构建，当此台灯处于自动控制情况下时则绿色小灯常亮，若熄灭则代表开启了手动控制；根据本台灯的功能设置了三个功能按键，一个手动自动的模式切换键，两个控制光亮程度的加减键。系统框图如图3-1所示。3.1.2系统框图单片机最小系统照明设备按键模块单片机最小系统照明设备按键模块光照强度采集模块光照强度采集模块模式指示灯电源模块模式指示灯电源模块人体感应模块人体感应模块蜂鸣器模块蜂鸣器模块距离测量模块距离测量模块3-1系统框图3.2最小系统模块3.2.1STC89C52简介（1）概述单片机又称单片微控制器，它不是用于完成某一个逻辑功能的芯片，它采用集成电路技术将中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、I/O口、中断系统、定时器/计数器等集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，即一块芯片就成了一台计算机，它具有功能强、集成度高、体积小、质量轻、价格便宜等优点，目前有8位、16位和32位单片机，单片机的使用领域也十分广泛，在智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等方面都有应用。本设计采用的主控芯片是STC89C52单片机，它具有高速、低功耗、抗干扰能力强的优点，指令代码兼容传统8051，与传统的AT89C51单片机相比，STC89C52自身可产生2路PWM，驱动直流电动机的转动，而STC89C51则需要通过延时函数或定时器的方式产生PWM脉冲波，通过设置不同的占空比来控制直流电动机的转速，占用CPU的运行时间，使程序运行效率降低。（2）主要功能特性 ◆兼容MCS51指令系统； ◆8k可反复擦写(>1000次）FlashROM； ◆32个双向I/O口；◆256x8bit内部RAM； ◆3个16位可编程定时/计数器中断；◆时钟频率0-24MHz； ◆2个串行中断； ◆可编程UART串行通道； ◆2个外部中断源； ◆共8个中断源； ◆2个读写中断口线； ◆3级加密位； ◆低功耗空闲和掉电模式；◆软件设置睡眠和唤醒功能；3.2.2最小系统电路STC89C52的最小系统如图3-3所示，如图，晶振电路、复位电路、电源电路共同构成了这整个最小系统。晶振电路是由2个30pF的电容C2、C3和12M的晶振M1构成的。而此系统中的电容是用来达到起振作用的，范围在16-33pF之间起伏。晶振的取值越高，则单片机的处理速度越优异。在设计时更是应该是得晶振部分尽量靠近单片机。复位电路则是相当于重新启动模块，在单片机运行时，受到各种不可抗力因素干扰导致程序无法正常运行时，便可通过复位电路来达到从头开始运行的目的。复位电路由10uF的极性电容C1和10K的电阻R4构成。因为电容的电压不可能发生突变，因此能明白一但系统通电，则RESET引脚会出现高电平，并且它的持续时间将于被RC值来直接决定。最后为电源部分，一般是由5V的USB来进行供电，通常既是用手机充电器来充当电源进行供电。3.3LED照明电路3.3.1LED灯的特点（1）消耗能量较同光效的白炽灯减少80%左右，较节能灯减少40%左右。（2）拥有较小体积极度适应环境，便于各种环境下的运用，每个LED都为3-5毫米小灯泡，可以制成各种特殊形状的器件。（3）10万小时的使用寿命，光衰为初始的50%（4）超快的响应速度，白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级（5）不含有害金属汞等，不会对环境造成污染。（6）以在特殊的方式下调整材料的能带结构和禁带宽度，来进行多种不同颜色的发光。（7）价格逐渐的偏向全民化，性价比极高，并且绿色环保及其省电，是未来市场上的理想灯源。3.3.2LED照明电路原理图LED灯照明电路如图3-4所示。此次是采用了一种学生常用的USB小灯来充当台灯作用，此USB灯是由6个LED串联6个电阻来构成的简易照明灯，因为着USB小灯的特性，采用此灯大大简化了设计上的麻烦，而且外观上美观简洁。而电路上是运用型号为S8550PNP三极管的驱动，并在基极处串联了一个限流电阻并连接到单片机的IO口处，在发射极处连接电源，集电极串联USB小灯后连到电源地。之后只需要通过在单片机的IO口输出一个低电平的信号，便可以直接控制三极管的导通点亮LED。图3-4LED照明电路3.4光照强度采集电路3.4.1光敏电阻工作原理因为管敏电阻主要由各种半导体构成，因此在暗环境里，光敏电阻阻值极高，可一旦接收到光线照射，半导体便会因为其特性，导致其电阻率大大变小，再导致了光明电阻阻值的减小。然而光强越强，阻值便是越低，但当光照结束后，光明店组会迅速回到原有的固定阻值。3.4.2光照强度采集电路因为本设计中的智能台灯具备自我调整光亮的功能，因此此台灯还必须得实时感知并采集环境的光强数据，从而进行台灯的自我调节。这次设计中针对光强数据的才是运用了光敏电阻，而此方法捕捉到的只是环境光强的模拟量，所以还必须运用ADC0832来进行数字量的转换。电路图如图3-5所示。图3-5光照强度采集电路3.5人体红外检测模块3.5.1HC-SR501模块相关介绍本设计采用人体红外感应模块HC-SR501，该模块是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口LHI778红外探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备，尤其是干电池供电的自动控制产品。其实物图片如图3-6所示。（1）使用范围1、安防产品2、人体感应灯具3、人体感应玩具4、工业自动化控制等（2）电气参数3.5.2人体红外检测电路液晶模块的电路的连接图如图3-7所示。该模块只引出3个引脚，其中第1脚和第3脚分别连接VCC和GND给模块，第2脚接单片机的IO口P22，当有人出现在模块的检测范围内时，该引脚输出高电平，平时是输出低电平的。图3-7人体红外检测电路3.6距离检测模块本设计利用红外模块E18-D80NK对距离检测，当检测到人体距离红外探头距离过近时，开启蜂鸣器提醒，避免眼睛距离桌面距离过近而导致近视。该红外模块是一种集发射与接收于一体的光电传感器，检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件、红外测距等众多自动化产品。传感器的实物图如图3-8所示。图3-8人体距离检测传感器该红外传感器在使用上比较简单，模块本身引出了三根导线。其中两根接到VCC和GND用于供电，剩下一根导线连到单片机的I0口作为数据引脚，当距离过近时该引脚输出低电平，平时输出高电平，单片机只需判断该数据引脚的电平高低，即可知道当前使用者是否距离桌面过近，而报警距离的大小设置，通过传感器后面的一个螺丝进行调节。红外测距模块的原理图如图3-9所示。图3-9人体距离检测原理图3.7蜂鸣器模块蜂鸣器作为如今单片机作业中的一种极其常见的发声部件，更是广泛引用在了许许多多的电子行业。蜂鸣器因为场合不同现在主要存在两种类型--压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器。压电式蜂鸣器接通电源后，多谐振荡器会输出一段音频信号导致蜂鸣片发声。而电磁式蜂鸣器接通电源后，产生的音频通过电磁线圈是得蜂鸣片震动发声。此台灯运用的便是电磁式蜂鸣器。因为蜂鸣器只有在较大电流的驱动下才能正常运作，因此在本设计中采用三极管来达到控制蜂鸣器作用的功能，在本设计中选用PNP三极管S8550，又因为选用了有缘蜂鸣器，所以只需要获取高低电频即可，这很大程度上又再次简化了本次设计。蜂鸣器电路如图3-10所示。 图3-10蜂鸣器电路3.8按键输入模块本毕业设计因为所涉及的按键非常少，所以设计也是极其简单，只是做了“模式切换”与“光量增加”、“光亮减少”三个按键处理，所以采用了独立按键方式。按键的连接图3-11所示：图3-11按键电路4软件设计4.1程序流程图设计4.1.1总体程序流程图设计软件流程图如图4-1所示，先将定时器进行初始化，接着会进行对按键是否按下做出判断，若判断按下则自动切换控制模式，然后在不同模式下会进行不同方式处理，处于自动模式状态下时，会优先检测过去一分钟里是否存在使用者，若存在则会自动去采集环境中的光亮数据然后来调节台灯的光亮。若无使用者存在则会自动关灯来达到绿色智能的目的。当处于手动模式时，使用者可以通过按键来调节太灯的亮度。在两种模式下都会对使用者踞台灯距离来进行检测，过近时会触发蜂鸣器来达到视力保护的功能。开始开始定时器初始化定时器初始化按键1按下？按键1按下？是否否切换控制模式切换控制模式是是自动模式自动模式？自动模式自动模式？否否按键2按下？最近1分钟检测到有人按键2按下？最近1分钟检测到有人？是按键2按下？是否检测环境亮度否降低亮度否检测环境亮度否降低亮度是调节台灯亮度熄灭台灯是调节台灯亮度熄灭台灯按键3按下？按键3按下？按键3按下？按键3按下？增加亮度否增加亮度否是是距离桌面过近？距离桌面过近？蜂鸣器提醒蜂鸣器提醒结束结束图4-1主函数流程图4.1.2模数转换程序设计单片机需要先将一个起始信号发给ADC芯片，又因为ADC0832有两路AD转换通道导致需要再发送一个通道的选择信号来通知模块如何选择通道。然后再读取数据，因为需要校验两个字节的数据所以需要两次传输来判断对错。最后再反馈结果。开始开始发送起始信号发送起始信号选择转换选择转换通道第一次读取第一次读取第二次读取第二次读取返回读取结果返回读取结果结束结束图4-2模数转换流程图4.1.3PWM调光程序设计对于PWM调光而言，其最重要的步骤便是要选取一个固定的时间周期，在这次毕业设计中为防止台灯出现无故闪烁的现象所确定的固定周期不适合太长，所以将周期先确定为10毫秒，然后再在所选取的范围内在选取出不同的高低电平比例来确定台灯的亮度。如下流程图所示，开始开始点亮台灯延时N毫秒（N<=10）熄灭台灯延时10-N毫秒（N<=10）结束5实物调试5.1实物功能（1）光敏电阻：实时感知环境光强，从而根据环境变化改变台灯光亮；（2）人体传感器：感知范围内是否存在使用者，如果不存在则会自动关闭台灯；（3）距离传感器：感知使用者与台灯距离，如果低于健康距离会触发蜂鸣器警报；（4）增加降低亮度按键：手动控制台灯的亮度；（5）模式切换按键：切换手动与自动模式；模式指示灯：自动模式下灰常亮绿灯，切换手动模式会熄灭。5.2功能调试5.2.1光照功能这次设计采用了现在学生常用的USB小灯作为照明台灯，USB小灯内部为6个LED小灯串联6个电阻组合而成，这样在设计上更加简化。在使用时，当周围存在使用者并且开关打开时，单片机IO口便会发出一段低电频来电亮台灯，使得LED灯常亮，从而达到照明功能。5.2.2自动开关灯功能本设计采用热释红外线传感器充当人体感应传感器，此传感器装有正好适用人体人体红外辐射探测的滤光片，通过吸收人体红外来达到感应人体的作用。通过磁传感器来达成自动开关灯的功能，一但台灯感知到范围内有使用者在开关打开时便会自动亮灯，当范围没有使用者并持续一分钟时台灯会自动熄灭。利用该装置可实现台灯的部分智能化从而更节能环保。5.2.3视力保护功能本设计采用红外检测装置来感知使用者与台灯之间的距离。当使用者与台灯之间距离过近时，引脚会输出低电平，之后单片机会通过该电频的高低来计算使用者与台灯之间的距离。当使用者过近时台灯会出发蜂鸣器警报，来达到帮助使用者视力保护的功能。而警报距离的调节可以通过传感器上的调节螺丝来进行手动调节。5.2.4亮度调节功能本设计中采用独立按键模块来手动调节光亮强度，同时采用PWM调光来实现亮度调节。亮度调节按键分别是右端的按键2和按键3，通过点按按键2可是逐步增加光亮，而按键3则是逐步减少光亮。通过简单的独立按键来实现台灯最基本的手动调节功能。5.2.4模式切换功此设计通过按键模块的按键1来进行调节。但使用者手动点按按键1时台灯会在自动模式与手动模式之间转换，当台灯变成自动模式时左旁的模式指示灯会亮起红光，当台灯切换至手动模式时红灯会熄灭。模式转换按键时该台灯更加智能化符合当今市场，达到自动调节便利的功能。总结经过了几个月终于完成了我的这次毕业设计。虽然这不是一个完全新颖的研发题目，但经过这次的毕业设计，我第一次独立完成了一个完整的系统设计过程，而这次毕业设计的成功便是这数个月来的最大获益。在这次毕业设计过程中，自己联系理论与实践，并且通过查询相关资料，各方面培养了自己的自我学习以及独立设计的能力。而且在这之后不再是被动的去被迫学习知识而是更加积极主动地去获取，这足以成为这几个月来最大的收获。在以前的方式下我们只能被动的被灌输知识，但现在却可以自由的去摄取自己认为有用的知识，可以更好的将理论知识与实践完美配合起来，来适应不久后的社会工作环境。这次毕业设计结合了自动化专业的多门专业课程，并且通过实际操作本次毕业设计加深了对于单片机主干知识的各种认识。同时在实物调试、功能划分时实际感受了各种硬件的操作流程，并且获取了大量的操作经验。如今随着科技发展虽然单片机功能逐渐繁多起来，但单片机的原理依旧没怎么变动，因此这次毕业设计虽然没有什么复杂的设计，但依旧能让我自己学习到大量的单片机基本原理知识。在这次毕业设计中由于是第一次独立进行实物操作，所以难免会有许多瑕疵之处，但在之后我会认真反思这次的不足之处，并在以后的工作中吸取经验完善自身。参考文献[1]颜重光.LED灯具低压驱动技术[J].电子