基于51单片机的超声波视力保护仪设计与制作

湖南商务职业技术学院毕业设计

目录

1产品功能分析.....................................................1

2产品选择方案.....................................................1

2.1采用STC89C51单片机作为主控制器芯片....................1

2.2用光敏电阻检测光照室内强度.............................1

2.3用超声波传感器检测坐姿.................................2

2.4用LCD1602液晶显示.....................................2

2.5用LED蜂鸣器实现报警...................................2

2.6系统组成...............................................2

2.7产品总框架设计.........................................2

3产品硬件设计.....................................................3

3.1STC89C51单片机........................................3

3.1.1STC89C51原理图..................................3

3.1.2STC89C51实物照片................................4

3.2LCD1602液晶显示器.....................................4

3.2.1LCD1602原理图...................................4

3.2.2LCD1602实物照片................................5

3.3SR04超声波............................................5

3.3.1HC-SR04原理图...................................5

3.3.2HC-SR04实物照片.................................5

3.4ADC0832数模转换器.....................................6

3.4.1ADC0832原理图...................................6

3.4.2ADC0832实物照片.................................7

3.5DS18B20温度传感器.....................................7

3.5.1DS18B20原理图...................................7

3.5.2DS18B20实物照片.................................8

I

湖南商务职业技术学院毕业设计

4产品软件设计.....................................................8

5产品使用说明....................................................12

5.1产品实物..............................................12

5.2产品装配图............................................13

5.3产品使用说明..........................................13

6产品设计技术标准................................................15

参考资料..........................................................16

附录..............................................................17

附录1元件清单列表........................................17

附录2作品实物照..........................................18

附录3系统仿真图..........................................19

附录4系统原理图..........................................20

附录5系统PCB图..........................................21

附录6程序代码............................................22

附录7软件程序清单........................................33

II

湖南商务职业技术学院毕业设计

基于51单片机的超声波视力保护仪设计与制作

1产品功能分析

C51超声波视力保护仪是一款便携式设备，采用流线型造型，符合人体工

程学原理。整机尺寸小巧，方便携带。同时，采用高品质材料制作，触感舒适，

视觉效果出色。方便用户在外出或工作时使用。它采用高频超声波技术，能够

产生一种对眼球具有保护作用的声波。这种声波可以减少眼部疲劳，预防近视，

并有助于改善视力。

它的设计和制作过程展示了科技与医疗领域的完美结合。通过了解这款设

备的设计与制作过程，避免因长期读写而导致的近视、驼背、脊柱侧弯、斜视、

颈椎病等疾病的发生和发展，用非医药的手段，防范和解除不良读写习惯，避

免给人们身体带来伤害。

本次毕业设计的研究内容是设计一个智能视力保护器。

它具备以下功能和特点：

（1）当使用者脸部与读物之间的距离小于设定距离时,电路将发出声音提

示；

（2）当读写环境光线强度低于设定值时,电路将发出声音提示；

（3）当使用时间达到45分钟时,电路自动发出提示,提醒使用者注意休息；

（4）电路可靠,真正帮助学生做到：学生在读写时，应在一定亮度下，眼

离读物一尺，身离书桌一拳。

2产品选择方案

2.1采用STC89C51单片机作为主控制器芯片

和STM32相比之下stc89c51价格更亲民，对于stc89c51的应用也更熟悉

易上手也适用于简单的控制任务。

2.2用光敏电阻检测光照室内强度

首先是因为光敏电阻易于集成，体积小，方便使用而且寿命长与其他光传

电阻相比价格更实惠，并且对光照强度非常敏感，能够准确的检测室内光照强

度。

1

湖南商务职业技术学院毕业设计

2.3用超声波传感器检测坐姿

可以实时监测坐姿，及时发现不正确的姿势并提供反馈，还可以避免因接

触而可能产生的不舒适或干扰。可以提供较高的测量精度，能够检测到微小的

姿势变化。

2.4用LCD1602液晶显示

相比数码管显示，液晶显示可以显示更为复杂的图形、文字和图像，具有

较高的对比度和色彩表现力。液晶显示在图像显示和多信息展示方面具有优势，

而数码管显示则更适合简单数字显示内容相对简单。

2.5用LED蜂鸣器实现报警

将LED和蜂鸣器与控制电路连接。编写控制代码，使其在特定条件下触

发LED亮起和蜂鸣器发声。当超声波测试检测到坐姿距离小于30cm,或者光

照强度测试检测室内亮度小于30%,LED闪烁同时蜂鸣器发出警报声。

2.6系统组成

（1）将电源模块、LCD1602液晶显示器、AD0832数模转换器与控制电路板

连接。

（2）将超声波发射器、光敏电阻与控制电路板连接；将主控机组装完成。

（3）将所有部件组装在一起。

（4）调试设备性能。

2.7产品总框架设计

本次基于C51单片机的超声波视力保护仪系统设计框图如下：

2

湖南商务职业技术学院毕业设计

电源模块

温度检测模块

按键模块

STC89C51

蜂鸣器报警模块

超声波模块主控模块

光线强度检测模块

图2-1系统框架设计图

3产品硬件设计

3.1STC89C51单片机

STC89C51单片机的最大优势在于其高效性。使用范围广，其采用8051微

处理器，具有运算速度快、处理能力强、功耗低等优点。此外，该芯片还具有

丰富的外设接口，

3.1.1STC89C51原理图

图3-1STC89C51电路原理图

3

湖南商务职业技术学院毕业设计

3.1.2STC89C51实物照片

图3-2STC89C51实物图片

3.2LCD1602液晶显示器

LCD1602使用的是被动矩阵式液晶屏，它由若干个小的像素点组成，每个

像素点可以显示一个字符。LCD1602的显示内容通过数据总线传输到显示器的

数据寄存器中，然后通过一定的时序控制，将数据逐行刷新到屏幕上。

3.2.1LCD1602原理图

图3-3LCD1602电路原理图

4

湖南商务职业技术学院毕业设计

3.2.2LCD1602实物照片

图3-4LCD1602实物图片

3.3SR04超声波

超声波是一种频率比较高的声音，由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播

距离较远等优点，而经常用于距离的测量，本题就是通过超声波超声波测距来

矫正坐姿。

3.3.1HC-SR04原理图

图3-5HC-SR04电路原理图

3.3.2HC-SR04实物照片

5

湖南商务职业技术学院毕业设计

图3-6HC-SR04实物图片

3.4ADC0832数模转换器

ADC0832是一款8位串行数模转换器，其工作原理是将输入的模拟信号转

换为相应的数字信号输出。这个过程由采样、比较、量化、编码四个步骤构成。

3.4.1ADC0832原理图

图3-7ADC0832实物图片

6

湖南商务职业技术学院毕业设计

3.4.2ADC0832实物照片

图3-8ADC0832实物照片

3.5DS18B20温度传感器

DS18B20温度传感器是一款高精度、低功耗、微型化的数字温度传感器，

被广泛应用于各种温度测量场合,本次设计就利用其特性、应用和优势。

3.5.1DS18B20原理图

图3-9DS18B20电路原理图

7

湖南商务职业技术学院毕业设计

3.5.2DS18B20实物照片

图3-10DS18B20实物照片

4产品软件设计

主程序的主要功能是负责距离的显示、读出并处理HC-RS04的测量距离值，

按键控制有效距离限制，当测量的值超过预设值时，LED亮，蜂鸣器发声报警。

否

是

图4-1主流程图

8

湖南商务职业技术学院毕业设计

显示数据子程序的主要功能就是把超声波模块测量后的结果经单片机处理

完成的距离显示在LCD液晶显示屏上。

否

是

图4-2显示数据子流程图

9

湖南商务职业技术学院毕业设计

报警子程序的主要功能是在距离值超过预警值时，能够使蜂鸣器发声从而

达到报警的目的。

否

是

图4-3报警子流程图

10

湖南商务职业技术学院毕业设计

按键子程序的主要功能是有效距离可调，功能键调整上限，再次功能键调

整下限，再次按功能退出。

否

是

是

否

是

否

是

图4-4按键子流程图

11

湖南商务职业技术学院毕业设计

5产品使用说明

5.1产品实物

1.产品实物图片

图5-1产品实物图

12

湖南商务职业技术学院毕业设计

5.2产品装配图

其装配图如下：

超声波模块

数模转换器

温度检测模块AT89C51芯片

图5-2产品装配图

5.3产品使用说明

连接5v电源时显示当前温度，距离，温度，光照强度，以及学习时长倒计

时45分钟。

13

湖南商务职业技术学院毕业设计

图5-3上电实物图片

当超声波测试检测到坐姿距离小于30cm,LED亮灯,BEEP声响。

图5-4传感器模报警实物图

14

湖南商务职业技术学院毕业设计

当光照强度测试检测室内亮度小于30%,LED亮灯,BEEP声响

图5-5光照强度报警实物图

6产品设计技术标准

[1]J-STD-001E电气与电子组件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E电子组件的可接受性要求

[3]IPC-7711/21电子组件和电路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技术软件工程术语；

15

湖南商务职业技术学院毕业设计

参考资料

[1]胡汉才．单片机原理及系统设计[M].北京:清华大学出版社，2002.

[2]王守中.51单片机开发入门与典型实例[M].北京:人民邮电出版社，2007.

[3]陈雪丽.单片机原理及接口技术[M].北京:化学工业出版社,2005.

[4]薛均义，张彦斌.MCS-51系列单片微型计算机及其应用.西安：西安交通大学出版社，2005.

[5]唐颖，程菊花，任条娟.单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京：北京大学出版社，2008.

[6]电子线路设计实验测试第二版[M].武汉：华中科大出版社，20012.1-40

[7]赵健.实用声光电及无线电遥控电路300例[J].北京：中国电力出版社，2008.90-100

[8]郑浩，高静.怎样用万用电表检测电子元器件修订本[J].北京：人民邮电出版社，2009.32-66

[9]全新实用电路集粹编辑委员会编著.全新实用电路集粹[M].北京：机械工业出版社，2006.56-74

[10]王新贤.通用集成电路速查手册第二版[M].山东科学技术出版社,22-57

16

湖南商务职业技术学院毕业设计

附录

附录1元件清单列表

附表1-1元件清单

17

湖南商务职业技术学院毕业设计

附录2作品实物照

附图2-1作品实物正面照片

附图2-2作品实物反面照片

18

湖南商务职业技术学院毕业设计

附录3系统仿真图

附图3-1系统仿真图

19

湖南商务职业技术学院毕业设计

附录4系统原理图

附图4-1系统原理图

20

湖南商务职业技术学院毕业设计

附录5系统PCB图

附图5-1系统PCB图

21

湖南商务职业技术学院毕业设计

附录6程序代码

//向雨婷21互联3班

#include<reg51.h>

#include<intrins.h>

//宏定义

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

#defineULintunsignedlongint

//温度零上与零下的标志位

charflag=0;

//超声波

charflags=0;

//超声波距离

charflag1s=0;

//计算定时间

uinttime=0;

//计算距离

ULintL_=0;

//温度

uintt_=0;

//显示模式0正常1计时时间调整2最小值调整

ucharmode=0;

charmin=45;

charsec=0;

charMini=30;

charHG=70;

charLG=30;

22

湖南商务职业技术学院毕业设计

//按键标志

uchark=0;

//数值有误

ucharFW=0;

uintlight=0;

sbitCS=P2^3;

sbitClk=P2^0;

sbitDATI=P2^1;

sbitDATO=P2^1;

unsignedchardat=0x00;//AD值

unsignedcharCH=0;//通道变量

//ucharpdatatt[51];//定义空数组用于AD取平均值

bitbdataflag_BJS=0,flag_BJC=0,flag_BJG=0,jishi=1;

#include"BJ_Key.h"//报警按键

#include"display.h"//显示头函数

#include"ultrasonic_wave.h"//超声波头函数

#include"DS18B20.h"//温度传感器头函数

//函数声明

voiddelayms(uintms);

/*函数功能:AD转换子程序

入口参数:CH

出口参数:dat*/

unsignedcharadc0832(unsignedcharCH)

{

23

湖南商务职业技术学院毕业设计

unsignedchari,test,adval;

adval=0x00;

test=0x00;

Clk=0;//初始化

DATI=1;

_nop_();

CS=0;

_nop_();

Clk=1;

_nop_();

if(CH==0x00)//通道选择

{

Clk=0;

DATI=1;//通道0的第一位

_nop_();

Clk=1;

_nop_();

Clk=0;

DATI=0;//通道0的第二位

_nop_();

Clk=1;

_nop_();

}

else

{

Clk=0;

24

湖南商务职业技术学院毕业设计

DATI=1;//通道1的第一位

_nop_();

Clk=1;

_nop_();

Clk=0;

DATI=1;//通道1的第二位

_nop_();

Clk=1;

_nop_();

}

Clk=0;

DATI=1;

for(i=0;i<8;i++)//读取前8位的值

{

_nop_();

adval<<=1;

Clk=1;

_nop_();

Clk=0;

if(DATO)

adval|=0x01;

else

adval|=0x00;

}

for(i=0;i<8;i++)//读取后8位的值

{

test>>=1;

25

湖南商务职业技术学院毕业设计

if(DATO)

test|=0x80;

else

test|=0x00;

_nop_();

Clk=1;

_nop_();

Clk=0;

}

if(adval==test)//比较前8位与后8位的值，如果不相

同舍去。若一直出现显示为零，请将该行去掉

dat=test;

nop_();

CS=1;//释放ADC0832

DATO=1;

Clk=1;

returndat;

}

voidwork()

{

//uintlum_mean,lum_all;

/*ucharb,c;

for(b=0;b<51;b++)//将空数组tt内数值整体左移一位

{

tt[b]=tt[b+1];//将后一数值放到前一位置

}

tt[49]=adc0832(CH);//将读出的ad0809数值放入tt

for(c=0;c<50;c++)//将tt内数值相加

26

湖南商务职业技术学院毕业设计

{

lum_all=lum_all+tt[c];

}

lum_mean=lum_all/50;//将总数/50取出平均值

lum_all=0;//将总数清零

*/

light=adc0832(CH)*100/255;

}

//主函数

voidmain()

{

Init_ultrasonic_wave();

//屏幕初始化

Init1602();

//温度初始化

tmpchange();

t_=tmp();

tmpchange();

t_=tmp();

tmpchange();

t_=tmp();

//循环显示

while(1)

{

Key();

//正常显示

if(mode==0)

27

湖南商务职业技术学院毕业设计

{

StartModule();//启动超声波

while(!RX);//当RX为零时等待

TR0=1;//开启计数

while(RX);//当RX为1计数并等待

TR0=0;//关闭计数

delayms(20);//20MS

tmpchange();//温度转换

t_=tmp();//度温度

work();

if(light<LG||light>HG)

{

flag_BJG=1;

}

else

{

flag_BJG=0;

}

Conut(t_/10);//计算距离

if(L_<Mini)

{

flag_BJC=1;

}

else

{

flag_BJC=0;

28

湖南商务职业技术学院毕业设计

}

if(flag_BJC==0&&flag_BJS==0&&flag_BJG==0)

Feng=1;

Display_1602(min,sec,t_/10,L_,light);

}

//调整显示

elseif(mode!=0)

{

flag_BJC=0;

flag_BJS=0;

flag_BJG=0;

Feng=1;

//最大最小值

Init_MaxMin();

while(mode!=0)

{

Key();

if(k==1&&mode==1)

{

Init_MaxMin();

write_com(0x80+6);//设置位置

}

elseif(k==1&&mode==2)

{

Init_MaxMin();

write_com(0x80+9);//设置位置

}

29

湖南商务职业技术学院毕业设计

elseif(k==1&&mode==3)

{

Init_MaxMin();

write_com(0x80+0x40+5);//设置位置

}

elseif(k==1&&mode==4)

{

Init_MaxMin();

write_com(0x80+15);//设置位置

}

elseif(k==1&&mode==5)

{

Init_MaxMin();