【《基于CMOS集成电路的视力保护器设计》7300字】

II摘要：视力保护器具备保护视力，预防青少年们近视以及患眼睛疾病等功能。本文设计的视力保护器是以集成电路为核心，采用了各种工艺，如模拟/数字电路及复合各种电子元器件等，从而具有距离警报功能、灯光警报功能、定时警报功能来达到对用户眼睛的防护和近视的防治。利用超声波检测技术接收头对接受来的超声检测技术信号进行调制输出，然后再分别接受并发出的超声检测技术，在经过分析了定时器的光敏电阻的功能及其各自的功能后，由这些原器件组合而成的距离测量电路，光强测量电路，报警控制电路和定时器电路来完成了这些功能。因本文设计的视力保护器是基于电路来设计的，因此电路简明、合理，功率损耗低，易于维护，用途很广，适用于人们日常学习与工作的需求。关键词：视力保护器；集成电路；控制1引言青少年是国家未来的主力军，然而青少年近视问题已经成为我国现阶段的一个重大问题，学生们的视力问题一直是家庭、学校以及社会的重点话题。要改善青少年近视问题，不应在过亮或过暗的地方学习、学习时不应靠书本过近、学习一定时间应适当休息。文章中阐述了选题的基本目的和含义,重点阐述了目前已知的保护视力的有效手段以及视力保护器中出现的主要问题和缺点,并说明了研制新式视力保护器的重要性和紧迫性。其设计以集成电路为核心，采用了各种工艺,如模拟/数字电路及复合各种电子元器件等，电路简明、合理，功率损耗低，易于维护，用途很广。本设计中主要是强调了这种视力保护器的距离警报功能，灯光警报功能以及定时警报功能，即当在使用者面部与书写桌之间的距离不足三十五厘米时控制“距离”的指示灯发光，并且有蜂鸣报警器发出类似“嘀嘀嘀”的尖锐的报鸣声，以提示用户抬高面部并及时调节坐姿。当外界的光照强度在设定的值一百照度以下时，控制“光线”的指示灯发光，同时蜂鸣报警器发出响声，提醒使用者光线过暗，应将灯光调亮。当预先设定好的学习时间达到后，控制“时间”的指示灯发光，同时报警器发出响声，从而达到提醒使用者休息一会儿的目的。1.1选题目的及意义视力保护是日常生活中必不可少的一部分，随着科技的快速发展，电脑、手机、平板等电子产品相继出世，学生们写字、看书姿势不正确等因素，学生们视力下降的比率越来越多。为减少因上述问题而引起近视问题的产生，本设计提出了三种可行的视力保护器设计方案，经过对比，从中选取最佳方案，其目的是让青少年们在周边没有他人监督或是提示的情况下，获得一个外界的提示与纠正。此视力保护器的职责是监测使用者与写字台之间的距离，当前空间内的光照强度，使用者工作、学习的时间等，从而保证了在青少年日常学习和工作中，对于视力起到保护的作用，其中重点体现了该视力保护器的“监测”与“报警”功能。这种功能不仅可以对近视进行预防，也能够起到一定的督促作用，有利于使用者们的身体健康。此外，目前世界上大部分国家都在积极进行视力保护器的研讨及设计，视力保护器的主要思想是以人为本，通过物理学、电子学以及人工智能之间相互结合，从而纠正青少年们的一些对颈椎不好的写字姿势，达到防止近视的效果，因此具有很大的研究意义。视力保护器对于人们的日常学习、工作以及生活有着极其重要的作用，可以适用于家家户户，从而使青少年近视发生率大大降低，具有十分广阔的市场。1.2研究背景及现状如今，国内外很多电子公司都自产视力保护器。以中国为例，位在广东省的一家公司生产的一种名叫“金太子”的视力保护器可以在检测到学生们的写字姿势不正确时进行语音警告。当前，在网上售卖的具有四个功能的视力保护器是中国唯一被评为国家教委和卫生部提出的达到了具备四个功能的国家标准的视力保护器专利品牌。此外，还能够矫正看书或写字时不良的姿势，从而有效的防止了近视的产生。但市场上的产品通常只关注于保护视力这个方面，功能较为单调，无法从多个方面的视角来保护青少年们的视力。因此，超声波技术才是目前市场设计预防近视的保护器的最主要的理论依据。本课题主要介绍了视力保护系统最基本的理论知识及硬件的设计过程。本课题主要的研究内容包括：视力保护系统的硬件设计和硬件的制造。在产品的开发与设计中，怎么能更有效地保护眼睛，准确地调整硬件电路，是产品开发和设计的一个难题。在设计硬件产品时，针对采用结合了超声波技术原理，研究和制作了一种多功能预防青少年近视的保护电路，即利用超声波接收头来调制和输出超声波信号，这对于研究声光警报系统的工作原理具有重要的指导作用。通过实际应用表明，这种视力保护器安全可靠，且使用简便，但同时也存在着一些问题，如没有光照强度调节、报警等功能，并且光照强过强也是损害青少年们眼睛的一种重要因子。该设计通过对电子硬件的设计和技术研究，为今后设计的多功能视力保护器提供开发数据及理论依据，由此奠定了安全的有效数据源与信息基础。根据市场调研得出，市面上的商品绝大多数仅侧重于对视力的保护这一个方面，其功能较为单调，无法从多个方面的视角来保护青少年们的视力。除开通过物理方法来对视力进行保护的仪器外，也有运用合理的饮食搭配和使用一些对眼睛有益的药物解决视力的保护问题。如多吃新鲜的蔬菜和水果，使用眼药水等方法。但这些预防的办法有很多不稳定性，而且每个人产生的效果也略有差异。从对比以上检测结果分析来看，现在国内市面上已开发出来了的几种的防治青少年近视的视觉保护器，主要就是用来改善一些青少年们平日在看书阅读、写作时的错误坐姿，并可以提醒青少年们注意在日常在阅读、写作等过程中眼睛和写字桌之间保持一定的间距，改善他们在平时上班、读书写字时房间内的光照强度，以及定时应用一些眼药水，从而有效减轻自己用眼过度而导致的眼疲劳，但只是综合比较了各种保护视力的主要仪器结构与计量方式，普遍存在着若干问题，如：功效单一、价位虚高、长期应用疗效不稳定等。而本设计提供的的视力保护器，主要用于生活中上学、上班、休闲等的场所。视力保护器不但具备了测量距离和计算时间的功能，同时还具备了检测外部环境中的光照强度的功能。视力保护器通过测量光照强度和距离，以及时间的计时，使得视力保护仪在超出这些限制条件时，蜂鸣器发出鸣响来提醒使用者，从而实现了保护视力的目的。其所研制的视力保护器操作简易、便捷，可以调节学生学习、阅读的时间；室内光照强度；对于学生与书桌之间的距离进行测量等功能，从而可以达到保护视力的目标，所以有着很广泛的现实意义和推广前景性。REF_Ref25687\r\h[1]1.3本人主要工作首先找出一种最适合的方案来设计此电路，其次介绍系统的各个功能电路，以及重要元器件的原理，并设计出原理图，然后通过实验验证本设计各部分电路的可行性。结论通过仿真电路观察其功能，从而得出此视力保护器电路是否具有保护视力的功能。1.4论文组织与结构在本文中，将各部分的工作内容进行章节性的介绍，编排如下：第一部分，介绍总结了本篇论文的目的与意义，以及中国现阶段研究领域的发展，以及国内外现状，概述总结了本篇设计中所提出的保护器的设计想法、研究目的以及主要的研究内容。促使我们如何利用现阶段的研究去不断地进行深入研究。第二部分，从三种不同的角度设计视力保护器的电路，并选择最有效的一种来进行分析，作为本文所设计的视力保护器的设计方案。第三部分，介绍了视力保护器的原理框图，通过视力保护器的电路原理图、各部分电路功能的分析，以及电路的总体原理来进行阐述该视力保护器工作时的原理及状态。第四部分，描述制作此视力保护器的过程，调试器件步骤，以及调试后电路板储存的方法。第五部分，结论部分，对全文进行总结，找到实验中不足的地方，确定以后的研究进步方向。

2系统设计电路方案论述2.1方案一下图是一款由定时器两个以及晶振电路而构成的多功能视力保护仪电路。图2.1方案一电路原理图2.2方案二下图是由集成电路——四二输入的或非门；集成电路——四二输入的与非门；集成电路——异或门等三部分构成，经由三个门电路中每个门的配合，构成了一个距离过近时提示，光线强度太强或太弱时提示，阅读时间超过预期时提示于一体的预防近视的保护器电路。REF_Ref25766\r\h[2]图2.2方案二电路原理图2.3方案三下图中主要是由一个定时用的振荡器，一个超声波发射器和一个报警声振荡器，一个超声波接收器，一个光线控制电路以及各功能的控制与指示电路组成。图2.3方案三电路原理图通过对以上三种不同的电路方案进行对比和分析，发现用第三种方案来进行设计最为合理，方案三电路主要是由三个模块电路组成，它们看起来是独立的，但实际上是相互联系的，通过合理利用电路板和芯片，从而同时实现了距离检测功能，定时功能以及光线检测功能。而且它基于电路原理为核心，电路简明、合理，功率损耗低，造价便宜，易于运行维护，具有预防青少年近视、保护学生们视力等多重作用。第一种方案的结构设计思路过于简单，因此往往达不到其设计功能的需求。第二种方案虽然功能设计合理，但内部结构设计复杂且制作成本过高。因此采用上述第三种方案最能满足设计要求。

3电路的分析与设计3.1电路原理框图此视力保护器一般由四个部分所组成，分别命名为：光线检测电路、定时电路、警报电路以及显示电路。如下图3.1所示。图3.1电路原理框图3.2电路原理图图3.2电路设计原理图上图中介绍的保护器电路主要包括：超声波发射器、报警声振荡器以及定时控制用振荡器等三个主要振荡器；一个超声波接收器；一个光控电路还有各功能的控制与指示灯电路。REF_Ref25766\r\h[2]3.2.1超声波控制电路超声波控制电路系统由超声波发射电路和超声波接收控制电路组成。超声波发射电路由超声波发射器和内部的非门-，以及内部的或非门、和电阻-和电容、组成。超声波接收控制电路由一个超声波接收器，电阻、、，内部的非门-，内部的，电容-以及二极管、和晶体管构成。图3.3超声波发射接收电路图超声波控制电路的主要工作原理：当使用者脸部与写字桌之间的相对移动距离大于三十五厘米时，超声波接收器自身则无法完全的接收到来自于超声波发射器所发出的信号，因此，此电路不能继续工作。当使用者脸部与写字桌之间的相对移动距离小于三十五厘米时，超声波接收器则可以接收到来自超声波发射器发出的信号，并将会自动将此信号直接转化为一个电信号导通电路，从而使发光二极管发光，同时蜂鸣报警器响起，以此来提醒使用者注意自己的坐姿有不符合规范的动作或眼睛离写字桌距离过近，需要注意及时调整坐姿，保持与写字桌之间的有效距离。3.2.2光线测试电路本电路主要由电阻，电容器，光敏电阻以及内部的与非门构成。光线测试电路原理测光电路的原理一般表述为：当一个空间内的光照强度明显变暗时，光敏电阻的阻值会显著增大，从而导致电容中的分压迅速增加，因此发光二极管两端的电压增大。相反，如果当一个空间内的光照强度突然变强时，则光敏电阻的阻值会大幅度降低，同时发光二极管上的电压也会大幅度降低，因此发光二极管会变暗，从而实现了对光线强度的控制。下图3.5为光线测试电路原理图。图3.5测光电路原理图3.2.3定时电路本电路是指主要由定时器集成电路、电阻、；电容、而组成的定时控制电路，变阻器和内部的与非门组成。定时器是一个属于555系列计时器中的另一种型号，555系列内的所有继电器的引脚功能和使用全部都是相通的，只不过因为不同的继电器的型号、结构、工艺都不一样，价格也有所不同，从而导致其稳定性、节电、能产生的振荡频率范围也大不相同。三五定时器是一种应用非常广泛而且又非常常见的脉冲定时器，仅仅需要几个的简单的电阻元件和电容，就已经基本可以同时用来实现多种脉冲产生与变换电路，如：多谐振荡电路、单稳态触发器、及施密特触发器控制电路等。定时器的引脚及功能下图3.6为定时器引脚图。图3.6NE555定时器引脚图各引脚功能：引脚功能描述1接地端接地，作为低电平2低触发端电压小于三分之一时有效3输出端输出高电平或低电平4直接清零端时基电路不工作时，低电平有效，但此时不论、在高电平还是低电平，时基电路输出为“0”，正常工作时仍应接高电平5控制电压端外接电压时，就可以使内部两个比较器的基准电压反生改变；不用时，就必须将该脚串入一个0.01μF的瓷片电容并接地，为的是避免引入高频干扰6高触发端电压大于三分之二时有效7放电端与放电管的集电极相连，用做定时器时的电容的放电引脚8外接电源提供高电平表3.1NE555定时器引脚功能（2）定时电路原理定时电路的原理为：当提前设定好的时间没有到时，三五定时器的第三个引脚输出信号为低电平，与非门输出信号为高电平，因而不发光，二极管处于截止工作状态，报警声振荡器暂停工作，蜂鸣报警器不发声。当达到提前设定好的时间时，三五定时器的第三个引脚变为高电平，与非门输出一个矩形的脉冲信号，从而能使发光二极管发光，报警声振荡器开始振荡工作，蜂鸣报警器即发出报警声。图3.9定时电路原理图3.3电路工作原理电源开关接通后，在整个电路中，各个部分的功能电路都开始运行工作。三五定时器的第三个引脚输出的方波振荡信号，有一路加至与非门~的一个输入端上，另一个路经过加至非门的输出端上，此方波振荡信号在经过整形处理过后对由或非门、和、、组成的振荡器信号进行整形调制，调制后的振荡信号经过非门、驱动发射出超声波。当人的面部与写字桌之间的距离超过三十五厘米时，超声波接收器无法接到超声波发射器发射出的信号，二极管和晶体管均处于截止状态，与非门输出为高电平，控制距离的灯不发光，蜂鸣报警器不发出声音。当人的面部与写字桌之间的距离小于三十五厘米时，发射器发射的超声波信号将通过被照人脸部反射了回来，超声波接收器接收到了人脸反射回来后的超声波信号，并据此将该信号迅速转换为另一个相应的电信号，该电信号经过非门~的放大整形，以及、、、倍压检波等校正工作后，产生的一个为负波的直流电压使晶体管导通，与非门输出端矩形脉冲信号，控制距离的灯发光，同时二极管间歇信号进行导通，由或非门、和、、组成的音频振荡器也会始终在脉冲信号的控制及作用下振荡工作，并使蜂鸣报警器发出尖锐的报警声，以此来提醒使用者注意写字姿势或与写字桌之间的距离。在一个空间内的光线强度达到可以正常学习、工作的环境时，光敏电阻的阻值比较小，与非门输出为高电平，控制光线的灯不发光，二极管处于截止状态，音频振荡器停止工作，蜂鸣报警器不发声。当空间内的光照强度较弱而不能达到可以正常学习、工作的环境时，光敏电阻的阻值比较大，使与非门输出一个矩形脉冲信号，控制光线的灯发光，间歇信号进行导通，因而使音频振荡器开始振荡工作，蜂鸣报警器即发出尖锐的报警声，以此来提醒使用者当前空间光线强度太弱，应立即打开照明设施。在没有达到规定的定时时间时，三五定时器的第三个引脚输出信号为低电平，与非门输出信号为高电平，控制时间的灯不发光，二极管处于截止工作状态，音频振荡器暂停工作，报警器不发声。当规定的定时时间处于结束状态时，三五定时器的第三个引脚变为高电平，与非门输出一个矩形的脉冲信号，控制时间的灯发光，音频振荡器开始振荡工作，报警器即发出响声。

4仿真与实物测试元器件的焊接工作完成后，接通电源开始调试。首先应该是用一根导线把的输入端与电源电压接通，从而使三五定时器暂且停止工作。接着就是把该视力保护器摆放在一个光线强度比较弱的地方，调节变阻器，使控制光线的灯发光并且蜂鸣报警器发出了响声。然后将此视力保护器摆放在一个光线强度相对较强的地方，调节变阻器，使控制光线的灯发光且蜂鸣报警器发出响声。最后将视力保护器放置在一个光线强度既不强也不弱的地方，此时应该发光，蜂鸣报警器不发出响声。如果此时控制其他功能的发光二极管也发光，微调变阻器或光敏电阻，从而使得仅有发光二极管发光。重复进行上述的步骤，调整几次之后就行了。在调试完毕后，拆除导线，使定时器恢复工作状态。图4.1实物仿真图接通电源后，电路开始工作，首先，检测距离控制电路，将人靠近超声波接收器，使其检测到人体与视力保护器之间的距离，当小于设定的三十五厘米时，控制距离的灯发光，蜂鸣报警器发出响声；此次，检测光线测试电路，将视力保护器放置在一个较黑暗的地方，其光照强度小于规定的值时，控制光线的灯发光，同时蜂鸣器发出响声；最后，检测定时电路，当学习时间达到提前设定的时间时，控制时间的灯发光，同时蜂鸣报警器发出响声。图示4.1为实物仿真结果图。5结束语现在社会中，有很多电子产品，它们在给人们学习、生活中带来便利的的同时，也对人们产生了一些