徐 帅 黄程杰 何彦雨 北京林业大学工学院

基于单片机的多功能视力保护器的设计

徐 帅 黄程杰 何彦雨 北京林业大学工学院

本文主要设计开发了一款基于STC89C51单片机的多功能视力保护器，主要进行了电路的搭建以及软件的设计。本设计的核心内容包括：超声波测距，蜂鸣器定时报警，光敏电阻测光，以及LCD显示屏。当光线过明或者过暗，眼睛与书本的距离过低，学习时间过长时，蜂鸣器实现报警，从而达到保护青少年视力的作用。

单片机；超声波测距；光敏电阻

前言

近视对人的影响不止在专业报考上的限制，其对人的影响体现在方方面面，比如，近视患者更易用眼过度和疲劳，从而严重影响了学习效率和工作效率；近视的度数会因为用眼习惯的问题逐渐加深，高度近视会极大的增加视网膜脱落等疾病发生的风险；同时，近视具有遗传的特点，如果不加以预防，近视将成为一种世代遗传的疾病。同时，眼镜也会成为人们在日常生活中的重要负担，在生活中给人们带来很多不便。

本论文的研究目标是开发与设计一个以STC89C51单片机为核心的的多功能视力保护器。包括硬件的设计以及焊接。在硬件设计中，核心技术是用超声波对信号进行接收，调制，输出，实现超声波测距，光线报警用光敏电阻实现。当光线过明或者过暗，眼睛与书本的距离过低，学习时间过长时，蜂鸣器实现报警。

具体工作内容包括：当使用者的眼睛到写字台的距离低于设定值，会发出声光报警，提醒学生变换坐姿。当光线强度过亮或者过暗，蜂鸣器会发出报警，提醒学生调整光照强度。当学习时间到达设定值，蜂鸣器报警，提醒学生进行适当休息。

1.系统总体设计

系统的设计内容包含四个步骤：系统电路图整体设计、硬件焊接、软件编写、调试。

系统整体设计思路：根据系统的设计要求，以STC89C52单片机来控制系统的运行，本设计分为超声波部分，显示部分，光照强度检测部分，蜂鸣器报警部分和控制部分：

（1）超声波模块：本模块利用超声波测量出距离，所以选用HC-SR04来实现测距。本模块的优点是性能稳定，测度距离精确，模块高精度，盲区小[1]。

（2）显示模块：本设计的人机交互界面较为简单，不需要显示汉字。选用LCD1602作为显示装置；LCD1602是点阵型液晶模块，能够同时显示16x02，即32个字符。

（3）光照强度检测模块：本模块采用光敏电阻来检测光照强度，再通过ADC0832将模拟信号转换成数字信号，便于单片机处理。

（4）蜂鸣器报警模块：本模块采用电磁式蜂鸣器来进行报警发声。

（5）控制模块：采用STC89C52单片机。

2.硬件设计

2.1 STC89C52单片机

在本次设计里，单片机是整个系统中最核心的元器件，需对光照，时间，距离等信息进行检测并对其他的硬件进行控制。选用不同型号的单片机，需要考虑性能优良、成本高低等因素。综合考虑，本设计选择了STC889C52单片机作为系统的核心。STC89C52单片机的特点是高效、低功耗、超强抗干扰，其指令代码完全兼容传统8051。可以根据需要选择12时钟/机器周期或。

2.2 超声波测距报警电路

超声波的特点：超声波的频率高于20000HZ，它指向性好，穿透力强，在介质中传播的距离较远。超声波经常被用于测量距离，具有迅速，方便，易于控制的特点。

超声波测距的原理是：通过超声波的发射器和接受器接收到超声波的时间差来测出距离。超声波发射器在空气中发射超声波时开始计时，遇到障碍物就立即返回，超声波接收器收到反射波信号停止计时。

2.3 蜂鸣器报警电路模块

蜂鸣器是一种采用直流电压供电的一体化结构的电子发声器。本装置采用电磁式蜂鸣器作为报警电路模块。电磁式蜂鸣器由振荡器、磁铁、振动膜片、电磁线圈及外壳等组成。电磁式蜂鸣器发声的原理是：接通电源后，有音频信号的电流通过电磁线圈，于是电磁线圈中产生磁场，在磁铁和电磁线圈的相互作用下，震动膜片周期性震动发声[2]。

2.4 光敏电阻测光电路模块

光敏电阻在电子设计中一般用于光的测量，控制，和光电转换，它的灵敏度高，反应速度快。光敏电阻是用半导体材料制成，常用的光敏电阻材料为硫化镉（CdS）。

当我们将光敏电阻接入电路中，光照强度的变化会导致光敏电阻阻值的变化，于是光敏电阻上的分压发生变化，电路的输出电压也发生变化。光照度增大，光敏电阻阻值减小，在分压电路中 分得的电压减小。根据光敏电阻特性，结合光照度与模拟电压之间的函数关系，得到某一光照强度下的模拟电压，将模拟电压通过ADC0832转换成数字电压，便于单片机处理[3]。

3.系统软件设计

本系统的程序设计采用c语言。C语言是一种结构化的高级计算机编程语言。C语言的特点是简洁紧凑，可读性好，灵活方便。

程序开始后，先初始I/O口，此时使用者可以设置学习时间，光照强度上下限和报警距离。按下按键开始计时后，检测光线是否超过上下限，如果是，则报警，如果不是，检测实际距离是否小于报警距离，如果小于报警距离，则报警。检测学习时间是否超过定时时间，如果超过，则报警。

4.结论

经过多次测试，本视力保护器最终可以实现目标功能，即：在周围光线过明亮或者过暗的时候蜂鸣器报警，二极管连续发光提醒。在眼睛离书本距离小于设定值时，蜂鸣器报警，二极管连续发光提醒。在学习时间超过设定时间时蜂鸣器报警，二极管连续发光提醒。其中，光线亮度的上下限，报警距离，定时时间可以自行设置。

本次设计还存在不足，根据视力保护器的现状，目前的视力保护器无法防止学生侧身趴在桌子上学习的状况，若是想改进此不足，可以利用重力感应传感器来设置，当学生左偏或者右偏时，重力感应器收到信号，发出报警。此重力感应器未来可做成耳挂式，可以戴在使用者的耳朵上。

[1]王萌.美国最新研究发现常锻炼，视力棒[N].生命时报,2014-04-04第03版.

[2]何健.绵羊牧草行为图像采集装置的设计[D].内蒙古：内蒙古农业大学，2013.

[3]李书婷. 基于单片机的声控报警器设计[J]. 商洛学院学报, 2015,4:11-14.

何彦雨，男，高级工程师，主要从事计算机教学科研工作，研究方向为信息安全、系统软件。

徐帅，男，北京林业大学工学院2014级本科生。