基于单片机的多功能视力保护器设计

梁东丽，刘 颖

（天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222）

近年来，青少年视力呈下降趋势，越来越多的学生戴上了眼镜。在我国，患近视人群数量一直呈上升趋势，学习压力加剧、电子产品的普及和户外活动时间的减少是导致近视率高的原因[1]，加之社会各界对视力健康问题的严峻性缺乏基本的认识和应对措施，导致视力下降问题无法得到有效解决，严重影响青少年视力的健康发展，从而影响青少年的学习和生活[2]。针对这一问题，越来越多的研究者都在研发各种视力保护产品，袁小翔[3]设计的CMOS多功能视力保护器，可对读写时间、坐姿及学习环境的光线强度进行监测并对其作出相应提醒，但数据无法实时显示，造成一定的不便；张玉凤等[4]设计的红外视力保护仪，使用W18-D50NK红外测距，测量使用者和书本之间的距离，此产品安装不便，很难测得准确距离，且使用红外线原理测距，其对外界环境要求较高。陈炜[5]设计的简易青少年视力保护器可以对学习环境进行监测，但其数据无法显示且报警方式单一，难以辨别是哪一项参数不符合实际要求。王颖等[6]设计的视力保护仪可以智能化监测使用者的坐姿角度，从而有效纠正坐姿，但功能单一，无法监测学习环境的光线、学习时间等参数，实用性能不高。针对以上问题，本文设计了一款基于单片机的多功能视力保护器。该视力保护器采用精确度较高的超声波模块HC-SR04对人脸距书本的距离进行测量，采用单片机控制主模块、温度检测模块、光线强度检测模块进行读写时间计时、光线强度检测、温度检测等，并使用LCD液晶显示模块对检测数据进行实时显示。此外，该视力保护器还可通过声光报警、马达振动及语音提示等电路，分别对各个参数实现多种方式的报警，更好地满足个性化需求，实用性较大。

1 总体方案设计

本视力保护器由单片机STC89C52RC核心主控模块、超声波测距模块、光线强度检测模块、液晶显示模块、温度检测模块、报警提示模块、按键模块及电源模块组成。系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

图1中，电源模块为电路提供稳定的工作电压。超声波测距模块利用超声波的发射和接收，完成距离的测量，并将数据发送给单片机。光线强度检测模块通过光敏电阻在不同光照条件下的阻值变化，检测不同学习环境的光线强度，将所检测到的数据进行模数转换后发送给单片机。温度检测模块通过集成的温度感应器件，完成环境温度的检测，并将其检测的温度数据发送给单片机。按键模块用来输入读写时间、人脸距书本距离及光照强度的标准值，实现读写参数的设置操作。STC89C52RC单片机负责读取、存储按键模块输入的标准值，负责读写时间的计时，该计时由单片机内部定时器完成。此外，单片机还负责处理其他模块传送来的数据，并发送至LCD1602液晶显示模块电路，控制显示模块电路显示实时数据，同时控制报警提示模块电路对不符合设定标准的读写参数进行提醒，从而实现视力保护功能。

2 硬件设计

2.1 主控制器模块

主控制器模块由控制芯片、振荡电路及复位电路构成，如图2所示。

图2 主控制器模块电路

控制芯片采用STC89C52RC，该单片机I/O接口丰富，可对外围电路的功能进行拓展，且价格低廉，性能强大，实用性较强。该芯片拥有强大的控制功能和运算功能，能够处理外围电路所传送的信号，如超声波测得的距离信号、光照强度信号等。振荡电路由电容C1、C2与晶体振荡器Y1（12 MHz）构成。振荡电路中最主要的器件是晶体振荡器，它能结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，实现系统的自动计时，并保证单片机指令的执行。复位电路由电阻R6及电容C3构成，它使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。

2.2 超声波测距模块HC-SR04

超声波测距是一种非接触式测量，具有性能可靠、易集成、结构简单和成本低等优点[7]。本设计采用的超声波测距模块HC-SR04可实现最远4 m的非接触式距离测量和高达0.3 cm的测距精度。

超声波测距模块由超声波发射电路、超声波接收电路及主芯片控制模块组成。主控芯片进行定时控制，将发射电路和接收电路所测得的数据根据式（3）进行计算，并将计算结果传送给单片机。超声波测距模块HC-SR04的工作原理框图如图3所示。在超声波测距过程中，发射电路和接收电路存在一定的时序关系，由时序图可得出超声波模块的工作方式。超声波测距时序图如图4所示。

图3 超声波测距模块HC-SR04工作原理框图

图4 超声波测距时序图

图4表明，触发信号是由单片机向TRIG触发控制信号端所输入的触发条件为大于10 μs的高电平信号。当模块收到信号时，模块内部会发送出8个频率为40 kHz的脉冲，同时可以检测所接收的超声波信号。如果超声波接收器能顺利接收到应答信号，则对应的单片机端口会输出一个持续高电平的回响信号，高电平持续的时间t就是超声波从发射到返回的时间[7]。因此，可得测试距离为：

式中：v为超声波在空气中的传播速度，一般取值为331.5 m/s；t为超声波从发射到返回的时间。

由于温度会影响超声波的传播速度，因此超声波的测距精度会随着温度的改变而改变，正常情况下，温度变化1℃，声速相应变化±0.067 m/s[8]，可得温度T与超声波速度v的关系式为：

进而可得测试距离为[9]：

式中：S为测量的距离；T为环境温度；t为超声波从发射到返回所用时间。

在测量精度要求高的场合，必须通过温度补偿的方式来减少测量距离的误差。

2.3 温度检测模块

温度采集系统采用DS18B20温度传感器作为温度检测器件，温度传感器DS18B20实物图及其相关电路如图5所示。

图5 温度检测电路

该温度传感器外观类似三极管，有3个引脚，引脚1接地，引脚2接数据端，引脚3接电源。该传感器具有独特的优点[10]，采用单总线的接口方式，与微处理器连接时仅需1条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。单总线具有经济性好、抗干扰能力强、测量温度范围广和测量精度高等特点，其测量范围为-55℃～125℃，在-10℃～85℃范围内的精度为±0.5℃。而且该传感器还具有负压特性，即在电路连接过程中发生错误时也不会烧毁。

2.4 光线强度检测模块

光线强度检测模块电路设计如图6所示。

图6 光线强度检测电路

该模块主要由光敏电阻和模数转换芯片ADC0832组成。光敏电阻具有易检测、测量范围广和性价比高等优点。其工作原理属于光电效应，即当有光线照射时，电阻内原本处于稳定状态的电子受到激发，成为自由电子。因此，光线越强，产生的自由电子就越多，电阻就会越小[11]，从而引起电路电压变化。在该电路中，光敏电阻在光线照射的作用下所引起的模拟信号的电压变化，经ADC0832模数转换后得到数字信号，并将其传送给单片机。单片机对收到的数字信号即光照强度进行处理并将其显示在LCD液晶屏上。

2.5 电源模块

保护器系统电源采用电压为5 V的稳压供电系统，可保证单片机与各模块之间的正常工作，并使用自锁开关实现电路的闭合与断开，方便使用者操作和控制。电源电路如图7所示。

图7 电源电路

2.6 报警提示模块

本设计提供了多种报警提醒方式，其中蜂鸣器及发光二极管相关电路组成的声光报警电路如图8所示。

此外，还利用语音播放模块电路和振动模块电路，分别对不符合各参数标准的情况进行提醒，方便学习者判断有误学习习惯的类型，从而进行调整。

图8 蜂鸣器驱动电路

YS-M3语音播放模块共有9个触发端口，利用编码模式触发，具备31首歌的点播功能，以丰富的歌曲数量避免单调。其中A1-A5为5个编码端口，端口工作低电平触发，通过单片机的I/O口控制。另外，在I/O口处添加拨码开关，可进行手动选择，方便控制。YS-M3语音播放模块的电路设计如图9所示。

图9 YS-M3语音播放电路

在振动模块中，采用了1027手机扁平马达。由于单片机输出的电平不能使马达正常工作，因此需放大电路电流，即通过1个NPN型三极管8050来放大电路电流，从而驱动马达工作。马达振动驱动电路如图10所示。

2.7 液晶显示模块

采用LCD1602液晶显示器作为显示数据的器件，其引脚图如图11所示，管脚功能表如表1所示。

图10 马达振动驱动电路

图11 LCD1602引脚图

表1 LCD1602管脚功能

LCD1602液晶显示模块电路连接简单，具有体积小、功耗低和显示内容丰富等优点。该显示模块是字符型液晶显示模块，可显示2行数据，每行显示16个字符，字符包括字母、数字和符号等形式[12]。通过在程序中定义各管脚所对应的单片机I/O口，读取各模块电路发送给单片机的数据，并将这些数据实时显示在液晶显示器上。

2.8 按键模块

按键控制模块主要用来对学习时间、光线强度范围及人脸距书本距离的标准值进行设置。系统采用4个独立按键来进行标准值的设定和调节，独立按键的具体功能如表2所示。

表2 独立按键功能

3 程序设计

系统程序设计主要是在Keil uVision4中完成的程序编写和编译。Keil uVision4是ARM公司开发的51系列单片机软件，具有强大的编译功能，同时支持C语言的开发，由于C语言不但具有可读性强、结构清晰、易于移植和可维护性强等特点，而且使用C语言编写程序能很好地整合单片机的软硬件资源，使功能实现更加简单。因此，C语言开发单片机已经被越来越多的单片机开发者所接受。本电路系统采用模块化结构编程的思路，系统程序分为系统主程序、超声波测距子程序、液晶显示子程序、蜂鸣器报警子程序、振动模块子程序、语音播放子程序及按键模块子程序。系统主程序流程图如图12所示。

图12 主程序流程图

超声波测距子程序设计流程如图13所示。

通过系统主程序对超声波测距等子程序的调用，实现各个电路模块的协同工作，使单片机系统能稳定进行数据处理，同时对人脸距书本距离、光线强度大小和学习时间进行监测并实时显示，并将结果与预先设置的相关参数的标准值进行对比，发出相应的报警信号，从而达到保护视力的目的。

图13 超声波测距子程序流程图

4 结语

本文研究了基于单片机的多功能视力保护器的软硬件系统。该视力保护器能够较准确地测量人脸距书本的距离，采集学习环境的光照强度，记录学习的时间及监测温度，能够清楚、实时地显示各参数值，对不符合标准的参数值进行相应的报警提示，以准确纠正学习者的读书习惯。该系统参数测量精度较高，使用方便，性能稳定，只需外加模块即可增加电路功能，具有良好的可扩展性，开发空间较大。

参考文献：

［1］吴晓，程涵荣.青少年的视力保护［J］.生物学通报，1995，30（3）：30-31.

［2］QI S Y，LI J W，JIA L D，et al.Prevalence of myopia in school children in greater Beijing：the Beijing childhood eye study［J］.Acta Ophthalmologica，2014，92（5）：398－406.

［3］袁小翔.CMOS多功能视力保护器［J］.电子世界，1996（10）：25.

［4］张玉凤，李水莲.基于51单片机的红外视力保护仪的设计［J］.电子制作，2015（8）：7-8.

［5］陈炜.简易青少年视力保护器的设计［J］.科技展望，2015，25（33）：87.

［6］王颖，王伟，孙兆东，等.基于坐姿监督的智能视力保护仪设计［J］.电子世界，2017（2）：189-190.

［7］胡萍.超声波测距仪的研制［J］.计算机与现代化，2003（10）：54-56.

［8］李军，申俊泽.超声测距模块HC-SR04的超声波测距仪设计［J］.单片机与嵌入式系统应用，2011，11（10）：77-78.

［9］兰羽，周茜.超声波测距系统接收电路研究［J］.电子设计工程，2012，20（14）：81-83.

［10］曹建海，路长厚，韩旭东.基于单片机的超声波液位测量系统［J］.仪表技术与传感器，2004（1）：39-40.

［11］王彦华，刘希璐.光敏电阻器原理及检测方法［J］.装备制造技术，2012（12）：101-102.

［12］于志赣，刘国平，张旭斌.液显LCD1602模块的应用［J］.机电技术，2009，32（3）：21-23.