超聲波視力保護(hù)器

1、 屆 別 2013屆 學(xué) 號(hào) 畢業(yè)設(shè)計(jì)多功能視力保護(hù)器的設(shè)計(jì)姓 名 系 別、 專(zhuān) 業(yè) 導(dǎo) 師 姓 名、職 稱(chēng) 完 成 時(shí) 間 摘要 本文提出了一種基于單片機(jī)的多功能視力保護(hù)器。討論了89c52型單片機(jī)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)。并在此硬件基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)傳感器報(bào)警電路、光線強(qiáng)度報(bào)警電路及定時(shí)報(bào)警電路。目前各種單片機(jī)控制的理論和實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正在引起人們的廣泛關(guān)注。主要為單片機(jī)的發(fā)展概況以及視力保護(hù)器的發(fā)展概況，并通過(guò)89c52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制電路并利用c語(yǔ)言編程，以及利用單片機(jī)的定時(shí)功能實(shí)現(xiàn)定時(shí)的方法?？梢灾绬纹瑱C(jī)控制的原理及設(shè)計(jì)和系統(tǒng)主要硬件組成部分及其作用，給出了整個(gè)系統(tǒng)軟件流程圖和部分子程序流程

2、圖。介紹了該技術(shù)的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。而且提出了本系統(tǒng)尚需解決的一些問(wèn)題，并給出了可能解決這些問(wèn)題的途徑和方法。本設(shè)計(jì)以超聲波技術(shù)為主要理論依據(jù)。具體就視力保護(hù)器的理論與硬件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞： 單片機(jī)；超聲波；視力保護(hù) ABSTRACT This paper presents a multi-function eyesight protection device based on mcu.Discusses the hardware circuit and software design of 89C52 single chip microcomputer.Based on the h

3、ardware realization and alarm circuit timing sensor alarm circuit alarm circuit, light intensity.Design the SCM control theory and practical application system has attracted widespread attention.Mainly for the development of MCU and eyesight protection development of device, and using C language pro

4、gramming and control circuit through the 89C52 MCU, timing method and timing functions using scm.We can know the main principle of hardware and system and design of single chip computer control part and its function, the system software flowchart and some subroutine flow chart is given.Introduced in

5、 this paper. The application prospect and popularization value.And put forward some problems of the system needed to solve, ways and methods and gives the possibility to solve these problems.The design of ultrasonic technology as the main theoretical basis.The research of the theory and hardware des

6、ign vision protection.Key words:MCU; ultrasonic; vision protection1 緒論1.1 課題背景 21 世紀(jì)是廣大中小學(xué)生學(xué)習(xí)壓力最大的時(shí)期。2006年09月13日，黑龍江省暨哈爾濱市青少年心理健康宣傳月活動(dòng)圓滿結(jié)束，活動(dòng)月期間，50余名心理咨詢(xún)專(zhuān)家對(duì) 2000余名大中小學(xué)生進(jìn)行義務(wù)咨詢(xún)時(shí)發(fā)現(xiàn)，近30%學(xué)生處理人際關(guān)系困難，近60%中小學(xué)生學(xué)習(xí)壓力大。學(xué)生近視在我國(guó)已成為一個(gè)日益嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題。國(guó)家有關(guān)部門(mén)對(duì)許多職業(yè)均有明確的視力要求，而一旦近視，花再多的錢(qián)醫(yī)治也不可能恢復(fù)原有的視力。專(zhuān)家認(rèn)為造成學(xué)生近視的最主要原因是讀寫(xiě)姿勢(shì)不正確。

7、國(guó)家教委規(guī)定：學(xué)生在讀寫(xiě)時(shí)，應(yīng)在一定亮度下，眼睛離讀物一尺，身離書(shū)桌一拳。學(xué)習(xí)壓力如此之大，學(xué)習(xí)時(shí)間如此之多，那么，有一個(gè)保護(hù)視力的裝置便顯得越來(lái)越重要。 目前，青少年視力低下，已成為國(guó)內(nèi)外共同關(guān)心的公共衛(wèi)生問(wèn)題。資料顯示，我國(guó)小學(xué)生視力低下率為26.96%，初中生53.43%，高中生72.8%，大學(xué)生77.95%。 特別是調(diào)查顯示50%以上的學(xué)生及家長(zhǎng)缺乏視力保健最基本的科普知識(shí)，不懂得“近視與盲只差一步”的危害性，因而有41.6%視力低下的學(xué)生并未采取任何矯正措施，又缺專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)的治療。對(duì)此我們進(jìn)行了多功能視力保護(hù)器的研究設(shè)計(jì)。通過(guò)創(chuàng)造健康的讀寫(xiě)環(huán)境和科學(xué)方式，避免因長(zhǎng)期讀寫(xiě)(現(xiàn)代意義的讀寫(xiě)

8、包括：看書(shū)、寫(xiě)字、用電腦、看 電視等)而導(dǎo)致的近視、駝背、脊柱側(cè)彎、斜視、頸椎病等疾病的發(fā)生和發(fā)展，用非醫(yī)藥的手段，防范和解除因不良讀寫(xiě)習(xí)慣，避免給人們身體帶來(lái)傷害。這個(gè)時(shí)代在給了我們太多好處的同時(shí)，也給了我們太多的附屬和悲哀，比如：如果順其自然 90的孩子將來(lái)注定要和眼鏡做一輩子“伴侶” 近視，作為一種現(xiàn)代通病，幾乎沒(méi)有辦法根治它。目前的激光切除手術(shù)其實(shí)是傷害了人體的自然完整，戕害著身心的健全。于是，百年來(lái)人們沿用著“玻璃凹凸”的笨辦法維系著人們對(duì)外界求索的目光。 既然治療近視這么困難，人們?yōu)槭裁床宦?tīng)聽(tīng)2000年前中國(guó)中醫(yī)經(jīng)典的勸諫呢？“是故圣人不治已病治未病” ，防患于未然正和現(xiàn)在的“預(yù)防

9、醫(yī)學(xué)”不謀而合。研究表明，造成近視 99的原因，源自于孩子們平時(shí)讀書(shū)、寫(xiě)字時(shí)坐姿不標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致眼睛距離書(shū)本太近所致。大部分孩子喜歡趴在課桌上讀寫(xiě)，并且老師、家長(zhǎng)屢教不改，很難扭轉(zhuǎn)習(xí)慣，是家長(zhǎng)一直頭疼的事。 綜上所述：為了避免因長(zhǎng)期使用不正確的讀書(shū)寫(xiě)字姿勢(shì)而導(dǎo)致的近視、脊椎彎曲變形、駝背、斜視以及頸椎病等。有必要設(shè)計(jì)一款視力保護(hù)器進(jìn)行防范。從而糾正人們讀寫(xiě)的不良姿勢(shì)，習(xí)慣。避免給人們的身心帶來(lái)傷害。尤其對(duì)學(xué)生群體而言，可幫助學(xué)生矯正坐姿，改善學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，保護(hù)學(xué)生視力。1.2 視力保護(hù)器的現(xiàn)狀 現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多電子公司都有自己公司生產(chǎn)的視力保護(hù)器。國(guó)內(nèi)這方面的研究現(xiàn)狀為：在

10、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的視力保護(hù)器，又稱(chēng)坐視寶，它能有效的對(duì)使用者的坐姿不當(dāng)進(jìn)行語(yǔ)音提示。還有國(guó)內(nèi)一些廠家生產(chǎn)的坐姿矯正器?？梢约m正看書(shū)，寫(xiě)字的不良坐姿?？傮w看來(lái)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的視力保護(hù)器功能特點(diǎn)比較單一，與人們的個(gè)性化需求尚有很大的差距。故不能很好的滿足廣大使用者的需求。 國(guó)外也致力于對(duì)保護(hù)視力的研究，但是他們更側(cè)重于對(duì)近視原因的研究。美國(guó)德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心何于光博士表示，吃魚(yú)和新鮮蔬菜能夠保護(hù)視力，降低發(fā)生近視的概率。他們認(rèn)為通過(guò)合理的飲食營(yíng)養(yǎng)搭配，以及正確的學(xué)習(xí)習(xí)慣，對(duì)視力的保護(hù)能起到事半功倍的作用。 研究證明，市場(chǎng)上真正的多功能視力保護(hù)器幾乎沒(méi)有。現(xiàn)有的產(chǎn)品只是側(cè)重視力保護(hù)的一方面，功能比較單一，

11、不能從多個(gè)角度保護(hù)使用者的視力。 現(xiàn)在市場(chǎng)上設(shè)計(jì)的有以超聲波技術(shù)為主要理論依據(jù)的視力保護(hù)器。它就具體就視力保護(hù)器的理論與硬件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。 基于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的硬件平臺(tái)，研究目標(biāo)是完成多功能視力保護(hù)器的硬件開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，并完成相應(yīng)的硬件制作。其研究?jī)?nèi)容分為兩部分：對(duì)視力保護(hù)器的硬件設(shè)計(jì)和硬件制作。在設(shè)計(jì)中存在著如何有效的提高視力保護(hù)以及對(duì)硬件電路準(zhǔn)確調(diào)試的難點(diǎn)。在硬件設(shè)計(jì)中，基于超聲波技術(shù)設(shè)計(jì)的多功能視力保護(hù)器電路，通過(guò)超聲波接收頭對(duì)接收的超聲波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制輸出，實(shí)現(xiàn)控制聲光提示電路工作的理論研究有一定的研究意義。通過(guò)實(shí)踐證明該視力保護(hù)器可行且可靠性良好，使用方便但也存在一些問(wèn)題，比如說(shuō)沒(méi)有光線

12、控制報(bào)警的功能，光線也是傷害學(xué)生的視力的一個(gè)重要因素。該設(shè)計(jì)通過(guò)該電子硬件的制作和理論的研究，能為后期進(jìn)一步設(shè)計(jì)多功能視力保護(hù)器并采取合理措施提高視力保護(hù)的有效性提供可靠和有效的數(shù)據(jù)源和信息依據(jù)。由于現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外大量的市場(chǎng)需求，視力保護(hù)器的起步才剛剛開(kāi)始，存在很大的發(fā)展空間，各個(gè)國(guó)家的很多公司均在此方面展開(kāi)了研究，相信未來(lái)視力保護(hù)器一定會(huì)得到巨大的發(fā)展，為廣大的中小學(xué)生的視力保護(hù)做出根本的保障。 1.3 設(shè)計(jì)要求 鑒于單片機(jī)芯片的智能處理功能本設(shè)計(jì)采用理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法相結(jié)合的以單片機(jī)芯片為核心的主體電路。首先是對(duì)各單元電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并選擇合適的元器件。在選擇元器件時(shí)，要注意所選芯片的性?xún)r(jià)

13、比，對(duì)于電阻、電容等常用元件要先進(jìn)行參數(shù)計(jì)算后再選擇。其次是設(shè)計(jì)整個(gè)電路，并在計(jì)算機(jī)上對(duì)各單元電路進(jìn)行相應(yīng)功能的調(diào)試仿真！其中單片機(jī)芯片選用較為普遍的STC89C52，坐姿傳感器選用超聲波傳感器，光線報(bào)警選用光敏電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，報(bào)警發(fā)聲蜂鳴器發(fā)聲硬件電路。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容是設(shè)計(jì)一個(gè)多功能視力保護(hù)器。它具備以下功能：1 當(dāng)使用者臉部與桌面之間的距離小于30CM時(shí),電路將發(fā)出聲音提示； 2 當(dāng)讀寫(xiě)環(huán)境光線照度不足時(shí),電路將發(fā)出聲音提示； 3 當(dāng)使用時(shí)間達(dá)到45分鐘時(shí),電路自動(dòng)發(fā)出聲音提示,提醒使用者注意休息； 4 電路測(cè)光報(bào)警的靈敏度可調(diào)；5. 電路可靠,做出實(shí)物能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能。真正幫助學(xué)生

14、做到國(guó)家教委規(guī)定：學(xué)生在讀寫(xiě)時(shí)，應(yīng)在一定亮度下，眼離讀物一尺，身離書(shū)桌一拳。 2 總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為多功能視力保護(hù)器的核心控制單元,本系統(tǒng)通過(guò)光敏電阻采集光線信號(hào)，通過(guò)AD采集光線信號(hào)的強(qiáng)弱，把光線強(qiáng)度等級(jí)化，通過(guò)設(shè)定報(bào)警等級(jí)來(lái)確定光照不足時(shí)報(bào)警。利用超聲波測(cè)距傳感器測(cè)出人臉部與桌面的距離，當(dāng)小于30CM時(shí)發(fā)出報(bào)警聲提醒。通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)使用達(dá)到45分鐘時(shí)電路自動(dòng)發(fā)出聲音提示,提醒使用者注意休息。系統(tǒng)采用的提示電路由三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器組成。系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)方框圖如圖1所示。 電源模塊STC89C52主控模塊蜂鳴器報(bào)警模塊超聲波模塊光線強(qiáng)度檢測(cè)模塊 圖1 系

15、統(tǒng)總體方框圖2.1 硬件設(shè)計(jì)2.1.1 電源穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì) 由于本系統(tǒng)采用電池供電，我們考慮了如下幾種方案為系統(tǒng)供電。方案1：采用12V蓄電池穩(wěn)壓后為系統(tǒng)供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。但是蓄電池的體積過(guò)于龐大，更換成本高，在報(bào)警器上使用極為不方便。因此我們放棄了此方案。方案2：采用3節(jié)1.5 V干電池共4.5V做電源，為單片機(jī)，傳感器供電。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)、傳感器的工作電壓穩(wěn)定能夠滿足系統(tǒng)的要求，而且電池更換方便。綜上所述采用方案22.1.2 主控制器模塊方案1： 采用可編程邏輯器件CPLD作為控制器。CPLD可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、

16、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富、易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模控制系統(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經(jīng)濟(jì)的角度考慮我們放棄了此方案。方案2： 采用STC89C52單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為多功能視力保護(hù)器的核心控制單元，充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)報(bào)警與提醒，處理超聲波測(cè)得的信號(hào)，以及處理光照強(qiáng)度信息，而在這一點(diǎn)上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來(lái)它的優(yōu)勢(shì)控制簡(jiǎn)單、方便、快捷。這樣一來(lái)，單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資源、有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、價(jià)

17、格低廉等優(yōu)點(diǎn)。STC89C52單片機(jī)具有功能強(qiáng)大的位操作指令，I/O口均可按位尋址，程序空間多達(dá)8K，對(duì)于本設(shè)計(jì)也綽綽有余，更可貴的是STC89C52單片機(jī)價(jià)格非常低廉。因此，這種方案是一種較為理想的方案。從方便使用的角度考慮，我們選擇了方案2。2.1.3 光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊 光照度傳感器的選擇 方案1： 采用光照度傳感器M124749，該光照度傳感器采用先進(jìn)的電路模塊技術(shù)開(kāi)發(fā)變送器，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境光照度的測(cè)量，輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓及電流信號(hào)，體積小，安裝方便，線性度好，傳輸距離長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng)，量程可調(diào)。但價(jià)格昂貴，性?xún)r(jià)比不高，且不易購(gòu)買(mǎi)。 方案2： 采用光敏電阻。光敏電阻的工作原理是當(dāng)有光線照射時(shí)

18、，電阻內(nèi)原本處于穩(wěn)定狀態(tài)的電子受到激發(fā)，成為自由電子，所以光線越強(qiáng)，產(chǎn)生的自由電子也就越多，電阻就會(huì)越小。光敏電阻的優(yōu)點(diǎn)有內(nèi)部的光電效應(yīng)和電極無(wú)關(guān)（光電二極管才有關(guān)），即可以使用直流電源。靈敏度和半導(dǎo)體材料、以及入射光的波長(zhǎng)有關(guān)，價(jià)格低廉，性?xún)r(jià)比高。 比較以上兩個(gè)方案，方案一雖然具有更好的設(shè)計(jì)精度和線性度，但性?xún)r(jià)比不如光敏電阻好。方案二具有較高的性?xún)r(jià)比且同時(shí)也能滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，故采用方案2光敏電阻作為光照度傳感器。 2.1.4 報(bào)警提示模塊本系統(tǒng)為多功能視力保護(hù)器，對(duì)于報(bào)警器來(lái)說(shuō)，其提醒的方式有很多種。我們綜合考慮了一下兩種方案。方案1： 采用語(yǔ)音報(bào)警，可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音提示用戶(hù)休息，和姿勢(shì)是否

19、正確，直接明了。雖然采用語(yǔ)音提醒有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是語(yǔ)音芯片編程需要專(zhuān)業(yè)編程器，價(jià)格昂貴編程復(fù)雜，不適用于多功能視力保護(hù)器的普及。經(jīng)綜合比較考慮，我們放棄了此方案。方案2： 采用蜂鳴器報(bào)警。蜂鳴器，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便。價(jià)格實(shí)惠，對(duì)推動(dòng)視力保護(hù)器的普及有很好的優(yōu)勢(shì)。能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求，因此我們選擇了此方案。2.1.5 坐姿檢測(cè)模塊 本系統(tǒng)需要檢測(cè)坐姿是否正確，我們選了兩種方案 方案1： 采用紅外熱釋電傳感器，紅外熱釋電傳感器對(duì)紅外線感應(yīng)靈敏，當(dāng)人把坐姿坐好，然后開(kāi)啟視力保護(hù)器，如果坐姿發(fā)生變化，紅外熱釋電傳感器就會(huì)有一個(gè)由高到低的電信號(hào)輸出。雖然紅外熱釋電傳感器敏感度高，但是對(duì)

20、于用在視力保護(hù)器上不合適，當(dāng)人只是輕微的移動(dòng)視力保護(hù)器也會(huì)報(bào)警，誤報(bào)警的情況很多。除非人坐在那一動(dòng)不動(dòng)，因此紅外熱釋電傳感器不適用于多功能視力保護(hù)器的的坐姿檢測(cè)。經(jīng)綜合考慮，我們放棄了此方案。方案2： 采用超聲波傳感器檢測(cè)。通過(guò)測(cè)量人臉與桌面的距離來(lái)確定坐姿。當(dāng)距離小于30CM時(shí)就提醒。超聲波體積小，重量輕，使用方便。價(jià)格實(shí)惠，對(duì)推動(dòng)視力保護(hù)器的普及有很好的優(yōu)勢(shì)。能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求，因此我們選擇了此方案。2.1.8 顯示模塊方案1： 用數(shù)碼管進(jìn)行顯示。數(shù)碼管顯示速度快，使用簡(jiǎn)單，顯示效果簡(jiǎn)潔明了，但是顯示單一，不能表達(dá)出很好的人機(jī)界面，因此我們放棄用數(shù)碼管顯示。方案 2：用LCD1602

21、液晶進(jìn)行顯示。LCD1602由于其顯示清晰，顯示內(nèi)容豐富、清晰，顯示信息量大，使用方便，顯示快速而得到了廣泛的應(yīng)用。單對(duì)于此系統(tǒng)我們需要顯示豐富的內(nèi)容，人機(jī)界面需要友好，因此我們選擇了此方案。 綜上所述我們選擇方案22.2 最終方案經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，我們最終確定了如下方案：1、 電源采用3節(jié)5號(hào)電池2、采用STC89C52單片機(jī)作為主控制器。3、用光敏電阻檢測(cè)光照強(qiáng)度。4、用超聲波傳感器檢測(cè)坐姿。5、用LCD1602液晶顯示。6、用蜂鳴器提醒。3 硬件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計(jì)3.1 主控制模塊主控制最小系統(tǒng)電路如圖2所示。 圖2 單片主控電路3.2 電源電路設(shè)計(jì) 供電電源采用7805穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓成5V給

22、傳感器，單片機(jī)供電。電路如圖3圖3 電源電路 3.3 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路 蜂鳴器采用三極管驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)原理圖如圖4。圖4 L298N引腳圖 3.4 按鍵電路系統(tǒng)采用4個(gè)按鍵來(lái)設(shè)定參數(shù)，和設(shè)定光照強(qiáng)度報(bào)警值。電路如圖5圖5 按鍵電路3.5 光照強(qiáng)度檢測(cè)電路 光照強(qiáng)度檢測(cè)采用光敏電阻，當(dāng)光線發(fā)生變化時(shí)，光敏電阻的阻值也就不同，然后分得的電壓也不同。經(jīng)過(guò)AD采集后就可以得到各種光照強(qiáng)度下的電壓值。從而設(shè)定出理想的光線強(qiáng)度報(bào)警值。電路如圖6所示圖6 光照采集電路3.6 顯示模塊 顯示采用LCD1602液晶顯示，顯示電路如圖7圖7 數(shù)碼管顯示3.7 超聲波坐姿測(cè)距模塊 超聲波模塊采用現(xiàn)成的HC-RS04超聲波

23、模塊，該模塊可提供 2cm-400cm 的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到 3mm。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。基本工作原理：采用 IO 口 TRIG 觸發(fā)測(cè)距，給至少 10us 的高電平信號(hào);模塊自動(dòng)發(fā)送 8 個(gè) 40khz 的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；有信號(hào)返回，通過(guò) IO 口 ECHO 輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S)/2。實(shí)物如下圖10。其中VCC 供5V 電源，GND 為地線，TRIG 觸發(fā)控制信號(hào)輸入，ECHO 回響信號(hào)輸出等四支線。圖8 超聲波模塊實(shí)物3.6.1 超聲波的基本特性超聲波

24、是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，其頻率超過(guò)20KHz，分橫向振蕩和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。它有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過(guò)程中有衰減。超聲波的基本特性如下所述：1 波長(zhǎng)波的傳播速度是用頻率乘以波長(zhǎng)來(lái)表示。電磁波的傳播速度是3×108m/s，而聲波在空氣中的傳播速度很慢，約為344m/s (20時(shí))。在這種比較低的傳播速度下，波長(zhǎng)很短，這就意味著可以獲得較高的距離和方向分辨率。正是由于這種較高的分辨率特性，才使我們有可能在進(jìn)行測(cè)量時(shí)獲得很高的精確度。2 反射要探測(cè)某個(gè)物體是否存在，超聲波就能夠在該物體上得到反射。由于金屬、木材、混凝土、玻璃、橡膠和

25、紙等可以反射近乎100的超聲波，因此我們可以很容易地發(fā)現(xiàn)這些物體。由于布、棉花、絨毛等可以吸收超聲波，因此很難利用超聲波探測(cè)到它們。同時(shí)，由于不規(guī)則反射，通?？赡芎茈y探測(cè)到凹凸表面以及斜坡表面的物體，這些因素決定了超聲波的理想測(cè)試環(huán)境是在空曠的場(chǎng)所，并且測(cè)試物體必須反射超聲波。3 溫度效應(yīng)聲波傳播的速度“c”可以用下列公式表示。c=331.5+0.607t (m/s)式中，t=溫度 ()也就是說(shuō)，聲音傳播速度隨周?chē)鷾囟鹊淖兓兴煌?。因此，要精確的測(cè)量與某個(gè)物體之間的距離時(shí)，始終檢查周?chē)鷾囟仁鞘直匾?，尤其冬季室?nèi)外溫差較大，對(duì)超聲波測(cè)距的精度影響很大，此時(shí)可用18B20作溫度補(bǔ)償來(lái)減小溫

26、度變化所帶來(lái)的測(cè)量誤差，考慮到本設(shè)計(jì)的測(cè)試環(huán)境是在室內(nèi)，而且超聲波主要是用于實(shí)現(xiàn)避障功能，對(duì)測(cè)量精度要求不高，所以關(guān)于溫度效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響問(wèn)題在這里不做深入的探討。4. 衰減傳播到空氣中的超聲波強(qiáng)度隨距離的變化成比例地減弱，這是因?yàn)檠苌洮F(xiàn)象所導(dǎo)致的在球形表面上的擴(kuò)散損失，也是因?yàn)榻橘|(zhì)吸收能量產(chǎn)生的吸收損失。如圖9所示，超聲波的頻率越高，衰減率就越高，超聲波的傳播距離也就越短，由此可見(jiàn)超聲波的衰減特性直接影響了超聲波傳感器有效距離。HC-RS04型超聲波傳感器的震蕩頻率為40KHz，傳播10米超聲波信號(hào)強(qiáng)度便衰減到40個(gè)聲壓級(jí)，此時(shí)超聲波接收探頭就很難接收到回波信號(hào)。圖9 聲壓在不同距離下的衰減

27、特性3.6.2 超聲波的電器特性1聲壓特性聲壓級(jí) (S.P.L.) 是表示音量的單位，利用下列公式予以表示。S.P.L.= 20logP/Pre (dB)式中,“P”為有效聲壓 (bar)，“Pre”為參考聲壓 (2×10-4bar)如圖10所示為幾種常用超聲波傳感器的聲壓圖。圖10 超聲波傳感器的聲壓圖2靈敏度特性靈敏度是表示聲音接收級(jí)的單位，使用下列公式予以表示。靈敏度= 20log E/P (dB)式中,“E”為所產(chǎn)生的電壓 (Vrms)，“P”為輸入聲壓(bar)。超聲波傳感器的靈敏度直接影響著系統(tǒng)測(cè)距范圍，如圖12所示為幾種中常見(jiàn)超聲波傳感器的靈敏度圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)40K

28、Hz時(shí)傳感器的聲壓級(jí)最高，也就是說(shuō)40KHz時(shí)所對(duì)應(yīng)的靈敏度最高。圖12 超聲波傳感器靈敏度示意圖3輻射特性把超聲波傳感器安裝在臺(tái)面上。然后，測(cè)量角度與聲壓 (靈敏度) 之間的關(guān)系。為了準(zhǔn)確地表達(dá)輻射，與前部相對(duì)比，聲壓 (靈敏度) 級(jí)衰減6dB的角度被稱(chēng)為半衰減角度，用1/2表示。超聲波設(shè)備的外表面尺寸較小易于獲得精確的輻射角度。如圖13所示為幾種常見(jiàn)超聲波傳感器的輻射特性示意圖。圖13 超聲波傳感器輻射特性示意圖分析以上研究結(jié)果不難看出超聲波傳感器工作在40KHz范圍內(nèi)具有最大的聲壓級(jí)和最高的靈敏度，這為設(shè)計(jì)中選擇合適的超聲波傳感器指明了方向。3.6.3 超聲波的工作原理市面上常見(jiàn)的超聲波

29、傳感器多為開(kāi)放型，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖14所示，一個(gè)復(fù)合式振動(dòng)器被靈活地固定在底座上。該復(fù)合式振動(dòng)器是由諧振器以及一個(gè)金屬片和一個(gè)壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動(dòng)器。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動(dòng)而產(chǎn)生的超聲波，并且可以有效地使超聲波聚集在振動(dòng)器的中央部位。當(dāng)電壓作用于壓電陶瓷時(shí)，就會(huì)隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機(jī)械變形。另一方面，當(dāng)振動(dòng)壓電陶瓷時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電荷。利用這一原理，當(dāng)給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個(gè)金屬片構(gòu)成的振動(dòng)器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個(gè)電信號(hào)時(shí)，就會(huì)因彎曲振動(dòng)發(fā)射出超聲波。相反，當(dāng)向雙壓電晶片元件施加超聲振動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)。圖14 超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

30、圖圖15 避障原理 如圖15所示，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法3.7 定時(shí)報(bào)警電路 報(bào)警電路分為單片機(jī)控制電路和報(bào)警發(fā)聲電路。它主要通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)功能完成定時(shí)45分鐘并使報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲，用以提醒學(xué)生休息！89c52單片機(jī)內(nèi)有兩個(gè)可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，滿足諸如對(duì)外部脈沖進(jìn)行記數(shù)，產(chǎn)生精確的定時(shí)時(shí)間，作串行口的波特發(fā)生器等功能

31、的需要。它們具有兩種工作模式(計(jì)數(shù)器模式和定時(shí)器模式)及4種工作方式(方式0，方式1，方式2，方式3)。其控制字均在相應(yīng)的特殊功能寄存器中，通過(guò)對(duì)它的特殊功能寄存器的編制，可以方便的選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ胶凸ぷ鞣绞健?當(dāng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器為定時(shí)工作方式時(shí)，計(jì)數(shù)器的加1信號(hào)由振蕩器的12分頻信號(hào)產(chǎn)生，即每過(guò)一個(gè)機(jī)器周期，計(jì)數(shù)器加1，直至計(jì)數(shù)滿溢出為止。顯然，定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間與系統(tǒng)的振蕩頻率有關(guān)。因一個(gè)機(jī)器周期等于12個(gè)振蕩周期，所以計(jì)數(shù)頻率fcount=1/12osc。如果晶振為12MHz，則計(jì)數(shù)周期為：T=1/（12×106）Hz×1/12=1s這是最短的定時(shí)周期。若要延長(zhǎng)定時(shí)時(shí)間

32、，則需要改變定時(shí)器的初值，并要適當(dāng)選擇定時(shí)器的長(zhǎng)度(如8位、13位、16位等)。當(dāng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器為計(jì)數(shù)工作方式時(shí)，通過(guò)引腳T0和T1對(duì)外部信號(hào)計(jì)數(shù)，外部脈沖的下降沿將觸發(fā)計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2期間采樣引腳輸入電平。若一個(gè)機(jī)器周期采樣值為1，下一個(gè)機(jī)器周期采樣值為0，則計(jì)數(shù)器加1。此后的機(jī)器周期S3P1期間，新的計(jì)數(shù)值裝入計(jì)數(shù)器。所以檢測(cè)一個(gè)由1至0的跳變需要兩個(gè)機(jī)器周期，故外部事年的最高計(jì)數(shù)頻率為振蕩頻率的1/24。例如，如果選用12MHz晶振，則最高計(jì)數(shù)頻率為0.5MHz。雖然對(duì)外部輸入信號(hào)的占空比無(wú)特殊要求，但為了確保某給定電平在變化前至少被采樣一次，外部計(jì)數(shù)脈沖的高電平與低

33、電平保持時(shí)間均需在一個(gè)機(jī)器周期以上。工作方式控制寄存器TMOD用于控制定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作模式及工作方式，它的字節(jié)地址為89H。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的兩個(gè)作用是用來(lái)精確的模擬一段時(shí)間間隔(作定時(shí)器用)或累計(jì)外部輸入的脈沖個(gè)數(shù)(作計(jì)數(shù)器用)。當(dāng)作定時(shí)器用時(shí)，在其輸入端輸入周期固定的脈沖個(gè)數(shù)，即可計(jì)算出所定時(shí)間的長(zhǎng)度。當(dāng)89c52內(nèi)部的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器被選定為定時(shí)器工作模式時(shí)，記數(shù)輸入信號(hào)是內(nèi)部時(shí)鐘脈沖，每個(gè)機(jī)器周期產(chǎn)生一個(gè)脈沖使計(jì)數(shù)器增1，因此，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的輸入脈沖和機(jī)器周期一樣，為時(shí)鐘頻率的1/12。本設(shè)計(jì)采用的時(shí)鐘周期為6MHz，記數(shù)速度為500KHz，輸入脈沖的時(shí)間間隔為0.5秒。4 系統(tǒng)軟件

34、設(shè)計(jì)方案該方案的編程思路是先確定主程序，之后根據(jù)各硬件電路功能來(lái)設(shè)計(jì)子程序模塊，最后再將各模塊嵌入主程序中。這樣編程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于子程序模塊與硬件電路一一對(duì)應(yīng)，所以調(diào)試起來(lái)十分方便。本設(shè)計(jì)軟件方框圖如圖18所示。多功能視力保護(hù)器主程序超聲波子程序測(cè)光子程序計(jì)時(shí)子程序報(bào)警子程序圖18 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方框圖4.1 系統(tǒng)主程序流程圖如圖19所示為系統(tǒng)坐姿檢測(cè)超聲波測(cè)量主程序流程圖。系統(tǒng)初始化開(kāi)始發(fā)送超聲波脈沖等待發(fā)射超聲波計(jì)算避障顯示結(jié)果圖19 超聲波測(cè)距子程序流程圖5 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試5.1 安裝步驟1.檢查元件的好壞按電路圖買(mǎi)好元件后首先檢查買(mǎi)回元件的好壞，按各元件的檢測(cè)方法分別進(jìn)行檢測(cè)，一定要仔

35、細(xì)認(rèn)真。而且要認(rèn)真核對(duì)原理圖是否一致，在檢查好后才可上件、焊件，防止出現(xiàn)錯(cuò)誤焊件后不便改正。2.放置、焊接各元件按原理圖的位置放置各元件，在放置過(guò)程中要先放置、焊接較低的元件，后焊較高的和要求較高的元件。特別是容易損壞的元件要后焊，在焊集成芯片時(shí)連續(xù)焊接時(shí)間不要超過(guò)10s，注意芯片的安裝方向。5.2 電路的調(diào)試首先燒入顯示程序，控制液晶顯示，顯示正常。說(shuō)明顯示部分無(wú)誤。然后加入超聲波測(cè)距程序，調(diào)節(jié)超聲波的靈敏度使達(dá)到理想效果。在調(diào)試程序時(shí)，發(fā)現(xiàn)有的指令用的不正確，導(dǎo)致電路功能不能完全實(shí)現(xiàn)，另外軟件程序中的延時(shí)有的過(guò)長(zhǎng)、有的過(guò)短。類(lèi)似的現(xiàn)象還有很多就不一一列舉了。5.3 本章小結(jié)本章的主要內(nèi)容是

36、電路的測(cè)試和調(diào)試注意事項(xiàng)結(jié) 論本次畢業(yè)設(shè)計(jì)硬件上完成了一個(gè)STC89C52單片機(jī)的視力保護(hù)器的設(shè)計(jì)，并在此平臺(tái)上用單片機(jī)C語(yǔ)言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)測(cè)試，基本滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以完成各項(xiàng)基本功能。本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)空間大，使用靈活，便于用戶(hù)擴(kuò)展功能。當(dāng)然，由于時(shí)間關(guān)系，本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)也有某些不太完善的地方，有待進(jìn)一步改善。本文探索并實(shí)現(xiàn)了多功能視力保護(hù)器設(shè)計(jì)的完整過(guò)程。，該系統(tǒng)具有很高的使用價(jià)值，很好地達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的；本文創(chuàng)新點(diǎn)：1發(fā)展了利用單片機(jī)設(shè)計(jì)視力保護(hù)器的思想，增加了單片機(jī)在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用。利用光敏電阻電路檢測(cè)光照，通過(guò)超聲波傳感器輔助幫組學(xué)生坐直進(jìn)而校正其視力，簡(jiǎn)單方便且不會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)穩(wěn)定性方面

37、的問(wèn)題。2盡可能發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，可以方便向其他功能擴(kuò)展，也就是利用平臺(tái)優(yōu)勢(shì)可以衍生更多功能。參考文獻(xiàn)1 家庭電子1998年合訂本.J1999. 212-214 2 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.M北京：高等教育出版社，2005.1-203 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分.M北京：高等教育出版社，2005.40-604 電子工藝實(shí)習(xí).J成都，2003.1-235 電子技術(shù)實(shí)驗(yàn).J 成都， 2005.1-206 電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試第二版.M武漢：華中科大出版社， 2002.1-407 趙健.實(shí)用聲光電及無(wú)線電遙控電路300例.J北京：中國(guó)電力出版社，2005.90-1008 鄭浩，高靜.怎樣用萬(wàn)用電

38、表檢測(cè)電子元器件修訂本.J 北京：人民郵電出版社，2005.32-669全新實(shí)用電路集粹編輯委員會(huì)編著.全新實(shí)用電路集粹. M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.56-7410 王新賢.通用集成電路速查手冊(cè)第二版.M 山東科學(xué)技術(shù)出版社,22-5711 The Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc.IEEE Std 802.3,2000 edition,2000.44-94附錄1 整機(jī)電路原理圖附錄2 部分源程序#include <reg52.h>#define uchar unsigned char /無(wú)符號(hào)字符型

39、 宏定義變量范圍0255#define uint unsigned int /無(wú)符號(hào)整型 宏定義變量范圍065535#include <intrins.h>#include "eepom52.h"sbit SCL=P26;/SCL定義，連接ADC0832SCL腳sbit DO=P25;/DO定義，連接ADC0832DO腳sbit CS=P24;/CS定義，連接ADC0832CS腳sbit beep = P27;/這三個(gè)引腳參考資料sbit rs=P32; /1602數(shù)據(jù)/命令選擇引腳 H:數(shù)據(jù) L:命令sbit rw=P33; /1602讀寫(xiě)引腳 H:數(shù)據(jù)寄存器

40、 L:指令寄存器sbit e =P34; /1602使能引腳 下降沿觸發(fā)sbit c_send = P37;/超聲波發(fā)射sbit c_recive = P36;/超聲波接收uchar flag_hc_value; /超聲波中間變量long distance; /距離uint set_d; /距離bit flag_csb_juli; /超聲波超出量程uint flag_time0; /用來(lái)保存定時(shí)器0的時(shí)候的bit flag_200ms = 1 ;uchar guangxian; /光線的顯示變量uchar set_gx;/設(shè)置光線的強(qiáng)弱的變量uchar value;uchar flag_ala

41、rm; /報(bào)警變量uchar miao = 55,fen = 44,shi;uchar xuexi_start; /開(kāi)始學(xué)習(xí)標(biāo)志位uchar menu_1;/*把設(shè)置溫度數(shù)據(jù)保存到單片機(jī)內(nèi)部eepom中*/void write_eepom_12()SectorErase(0x2000);byte_write(0x2000, set_d % 256);byte_write(0x2001, set_d / 256);byte_write(0x2002, set_gx);byte_write(0x2057, value);/*把數(shù)據(jù)從單片機(jī)內(nèi)部eepom中讀出來(lái)*/void read_eepom12

42、()set_d = byte_read(0x2001);set_d =set_d * 256 + byte_read(0x2000); set_gx = byte_read(0x2002);value = byte_read(0x2057);/*開(kāi)機(jī)自檢eepom初始化*/void init_eepom()read_eepom12();/先讀if(value != 2)/新的單片機(jī)初始單片機(jī)內(nèi)問(wèn)EEPOMset_d = 300;value = 2;set_gx = 50;write_eepom_12();/* 名稱(chēng) : delay()* 功能 : 延時(shí),延時(shí)時(shí)間大概為5US。* 輸入 : 無(wú)*

43、 輸出 : 無(wú)*/void delay_uint(uint q)while(q-);/* 名稱(chēng) : bit Busy(void)* 功能 : 這個(gè)是一個(gè)讀狀態(tài)函數(shù)，讀出函數(shù)是否處在忙狀態(tài)* 輸入 : 輸入的命令值* 輸出 : 無(wú)*/bit busy(void)bit busy_flag = 0;rs = 0;rw = 1;e = 1;delay_uint(3);busy_flag = (bit)(P1 & 0x80);e = 0;return busy_flag;/* 名稱(chēng) : write_com(uchar com)* 功能 : 1602命令函數(shù)* 輸入 : 輸入的命令值* 輸出 :

44、 無(wú)*/void write_com(uchar com)while(busy();e=0;rs=0;rw=0;P1=com;delay_uint(3);e=1;delay_uint(25);e=0;/* 名稱(chēng) : write_data(uchar dat)* 功能 : 1602寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù)* 輸入 : 需要寫(xiě)入1602的數(shù)據(jù)* 輸出 : 無(wú)*/void write_data(uchar dat)while(busy();e=0;rs=1;rw=0;P1=dat;delay_uint(3);e=1;delay_uint(25);e=0;/*lcd1602上顯示兩位十進(jìn)制數(shù)*/void write

45、_sfm2(uchar hang,uchar add,uchar date)if(hang=1) write_com(0x80+add);elsewrite_com(0x80+0x40+add); write_data(0x30+date/10%10);write_data(0x30+date%10);/*lcd1602上顯示超聲波距離*/void write_sfm_csb(uchar hang,uchar add,uint date)if(hang=1) write_com(0x80+add);elsewrite_com(0x80+0x40+add); write_data(0x30+da

46、te/100%10);write_data('.');write_data(0x30+date/10%10);write_data(0x30+date%10);/* 名稱(chēng) : init_1602()* 功能 : 1602初始化，請(qǐng)參考1602的資料* 輸入 : 無(wú)* 輸出 : 無(wú)*/void init_1602()write_com(0x38);/write_com(0x0c);write_com(0x06);/* 名稱(chēng) : write_string(uchar hang,uchar lie,uchar *p)* 功能 : 改變液晶中某位的值，如果要讓第一行，第五個(gè)字符開(kāi)始顯示

47、"ab cd ef" ，調(diào)用該函數(shù)如下 write_string(1,5,"ab cd ef;")* 輸入 : 行，列，需要輸入1602的數(shù)據(jù)* 輸出 : 無(wú)*/void write_string(uchar hang,uchar add,uchar *p)if(hang=1) write_com(0x80+add);elsewrite_com(0x80+0x40+add);while(1) if(*p = '0') break;write_data(*p);p+;uchar key_can;/*獨(dú)立按鍵程序*/void key()sta

48、tic uchar key_new;key_can = 20;if(P2 & 0x0f) != 0x0f)delay_uint(50);if(P2 & 0x0f) != 0x0f) && (key_new = 1)key_new = 0;switch(P2 & 0x0f)case 0x0e: key_can = 1; break; /左邊第1個(gè)case 0x0d: key_can = 2; break; /左邊第2個(gè)case 0x0b: key_can = 3; break; /左邊第3個(gè)case 0x07: key_can = 4; break; /左邊第4個(gè)/write_sfm2(2,0,key_can);else key_new = 1;/*讀數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)*/請(qǐng)先了解ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換的串行協(xié)議，再來(lái)讀本函數(shù)，主要是對(duì)