一、緒論1.1

課題背景

在現(xiàn)在這個時代，許多中小學生承受著巨大的學習壓力。在2006年09月13日的時候，在黑龍江省暨哈爾濱市舉辦了一場青少年心理健康宣傳的活動，并且活動舉辦的很成功，在這個月里，將近50多位心理方面的專家針對2000多個大學中學小學的學生進行免費咨詢期間發(fā)現(xiàn)，接近有30%的學生不會處理人際關(guān)系，還有接近60%的中學生小學生有著巨大的學習壓力。近視的學生在中國已然變成了越來越嚴峻的普遍問題?，F(xiàn)在國內(nèi)好多工作都有著視力要求，而且當你眼睛一旦開始近視，那你花再多的錢視力也不會變好了。于是有專家提出說學生近視的根本原因是沒有良好的坐姿。綜上，這么大的學習壓力下?lián)碛幸粋€能夠保護眼睛的裝備是多么的重要

截止到今日，青少年的實力問題已經(jīng)引起了國內(nèi)和國外一致關(guān)心的大問題。有材料表示，國內(nèi)小朋友有26.96%的比率是眼睛不好的，初中生更多，已經(jīng)多達53.43%，更有甚者是高中和大學生，普遍高達75%往上。追其根本原因還是因為學生和自己的父母都沒有對眼睛的保護意識，不了解視力不好會帶來的諸多問題和危害。因此有將近一半的學生并沒有重視這一問題，所以我們花了很長時間來研究視力保護器。通過營造科學的讀書環(huán)境來規(guī)避長時間的讀書和寫字導(dǎo)致眼睛視力下降和身體的一些變形等問題

1.2視力保護器的現(xiàn)狀

就目前來看，國內(nèi)和國外的很多電子公司都制造生產(chǎn)了視力保護器，雖然國內(nèi)制造的視力保護器能夠語音提醒用戶坐姿不對甚至可以糾正一些讀書時的不好的坐姿，但是總的來說，國內(nèi)制造的視力保護器的用途比較單一，對比現(xiàn)在人們的靈活的需要還是有一定的差距，所以這是滿足不了用戶的需要。雖然在國外也在大力研究視力保護的儀器，但是他們更傾向于研究近視的根本原因。在美國的德克薩斯大學一位名叫于光的博士說，使用新鮮的魚類和果蔬是對視力的一種保護，可以減少近視發(fā)生的幾率。他們覺得通過一些餐食進行有營養(yǎng)的搭配加上良好的學習習慣，可以非常好的保護視力。然而事實研究表明，現(xiàn)如今商場里真正能對視力起到保護作用的機器基本上是沒有的。并且已經(jīng)存在的視力保護器僅僅是偏向保護視力多一點，它的實用性不高，達不到刀哥方面保護用戶的視力。下面要講的就是對超聲波技術(shù)視力保護器的研究。通過已經(jīng)擁有的實驗室平臺，研究的目標就是開發(fā)和設(shè)計多功能保護器的硬件而且還要對他進行硬件制造。

可以把他內(nèi)容的研究分成兩個部分：就是制作視力保護器和設(shè)計視力保護器。當然也遇到了很多困難和阻礙，比如說怎么才能有效的增加對視力的保護和硬件電路的精準調(diào)試。在這些硬件的設(shè)計里，通過超聲波技術(shù)從而設(shè)計的保護器電路對超聲波調(diào)制和輸出來實施聲控和光控提醒其鉆研的意義所在，然后可以經(jīng)過事實證明這個保護器是非?？煽康牟⑶揖邆浜軓姷膶嵱眯?，但也有美中不足的是，他沒有對光線發(fā)出警報并且能夠控制它的能力，還有一個不好就是，光線是會傷害學生的視力的。但是基于國內(nèi)和國外這么多的社會需要，對視力保護器的研究步伐才剛剛開始，還有相當大的想象和發(fā)展的空間，現(xiàn)在許多國家都為此開始了重大的研究，我相信在以后視力保護器的發(fā)展前景一定是非常大的，這樣才能更好的去保護那些中小學生的眼睛。1.3設(shè)計要求

基于對單片機芯片智能的處置功能這個設(shè)計使用的是結(jié)合了理論計算和實驗驗證通過單片機芯片作為核心的主體電路。它先是針對每一個單元的電路來實施設(shè)計，從中抉擇出能用的元器件，然后在對元器件上時，還要留意所選擇芯片的實用性，像電阻、電容等經(jīng)常使用的元件要先對其參數(shù)計算然后再進行選擇。再然后就是設(shè)計出所有的電路，還得在電腦上針對單個的電路進行一系列的功能仿真的調(diào)試!在這中間單片機芯片選擇了相對比較普遍的STC89C52，坐姿傳感器選擇使用了超聲波傳感器，光線報警選擇使用了光敏電阻來體現(xiàn)，發(fā)聲硬件電路使用的是報警發(fā)聲蜂鳴器。這一次的畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容研究為設(shè)計出一個真正具備多功能的視力保護器。它擁有如下的功能:

1.當用戶的臉部和桌子之間的長度不大于30CM時,此電路就會發(fā)出提示的聲音2.當讀書和寫字的時候產(chǎn)生光線不足時,電路就會發(fā)出提示的聲音:

3.當使用的時間超過45分鐘的時候,電路就會自動發(fā)出提示的聲音,用來提醒用戶需要注意休息了;

4.可以調(diào)節(jié)電路測光報警的敏感度:

5.電路非?？煽?做出的實物可以實現(xiàn)對應(yīng)的功能。能確切的幫助了學生做得到國家教委的規(guī)定即當學生在讀書寫字的時候，需要在一定光度下，眼睛距離讀物一尺，身子距離書桌一只手。二、總體方案設(shè)計

系統(tǒng)使用了STC89C52

單片機當做核心控制多功能視力保護器，這個系統(tǒng)由光敏電阻來收集光線的信號，由AD采集光線信號的大小，將光線強度分成一些等級，再由設(shè)置報警的等級來決定光照如果不足的警報。再通過超聲波測量距離傳感器測試出人體面部和桌子之間的距離，等到他不大于30CM的時候就會發(fā)出提醒的報警聲。通過單片機里面的定時器計知道,當產(chǎn)品用到高于45分鐘的時候電路就會自己發(fā)出提示的聲音，來提醒用戶需要注意休息了。這個系統(tǒng)使用的作為提示的電路是由三極管驅(qū)使蜂鳴器而組成的。整個系統(tǒng)的設(shè)計框架圖如圖1顯示。

圖1系統(tǒng)總體方框圖

2.1硬件設(shè)計

2.1.1電源穩(wěn)壓電路設(shè)計

因為這個系統(tǒng)使用的是電池供電，是以我們想到了下面幾種方法作為系統(tǒng)供電。方案1:使用12V的蓄電池穩(wěn)定電壓以后給系統(tǒng)進行供電。蓄電池具備很大的驅(qū)動電流的能力和電壓輸出性能的穩(wěn)定。美中不足的是是蓄電池有很大的體積，還有想當大的成本，不適合在報警器上的使用。所以我們沒有使用這個方案。方案2:使用3個1.5

V的干電池總共4.

5V做為電源，給單片機和傳感器提供電量。當實驗證明系統(tǒng)運行的時候,單片機和傳感器穩(wěn)定的工作電壓可以滿足系統(tǒng)的需求，并且更換電池也比較方便。

所以通過兩個方案的對比方案2是比較可行的。

2.1.2

主控制器模塊方案1:

使用能夠編程邏輯器件的CPLD當做控制器。CPLD能夠?qū)崿F(xiàn)每種難懂的邏輯功效、它的規(guī)格模式大、密度較高、并且體積小、較強穩(wěn)定性、I0資源比較豐富、容易對功能進行擴展。使用一起進行的輸入還有輸出的方式，大大提高了系統(tǒng)對東西處理的效率，比較適合作為大范圍對來控制核心系統(tǒng)。但是這個系統(tǒng)用不上難懂的邏輯功能，它對數(shù)據(jù)的處理效率要求不高。并且根據(jù)性價比的方面考慮我們沒有采用這個方案。

方案2：使用STC89C52單片機當成核心系統(tǒng),系統(tǒng)使用了STC89C52單片機當做多功能視力保護器控制單元的主要重心，全面的分析了我們的系統(tǒng)，它的關(guān)鍵是可以實現(xiàn)系統(tǒng)能夠自動報警和提醒，用來處理超聲波感應(yīng)的信號，還有處理光照強弱的信息，于是在這一個方面，單片機就體現(xiàn)出來了它的優(yōu)勢就是能夠簡單的控制并且方便還有快捷。所以，單片機就能夠充分展現(xiàn)其資源、擁有很強大的控制功能還有能夠?qū)ξ恢眠M行感應(yīng)操作的功能，且價格不高一些優(yōu)點。STC89C52單片機擁有很厲害的操作位置的功能，I/0

口都能按照定位尋找地點，它的程序內(nèi)存已經(jīng)達到8k，對這個設(shè)計完全夠用，并且更值得一提的是STC89C52單片機的造價很便宜。所以綜上，我們對這個方案還是比較滿意的。所以我們選擇了第二個方案

2.1.3光照強度檢測模塊

光照度傳感器的選擇方案1:

使用光照度感應(yīng)器M124749,這個光照度感應(yīng)器使用了比較先進的電路模塊技術(shù)研發(fā)變送器，適合用用于測量環(huán)境光照度，顯示出標準的電壓和電流信號，并且它的體積不大，還有方便安裝，較好的線性度，傳輸?shù)木嚯x比較長，還有較強的抗干擾能力，能夠調(diào)節(jié)量程。但是造價非常昂貴，而且實用性不高，還有不太容易采購

方案2:

使用光敏電阻。光敏電阻是根據(jù)當有光線照射的時候，激發(fā)電阻里面原本處于比較穩(wěn)定狀態(tài)的電子，讓他變成自由電子，所以越強的光線，其產(chǎn)生的自由電子也變得越多，電阻就變得越小。光敏電阻的優(yōu)點就是可以使用直流電。靈活敏感的程度和半導(dǎo)體材料還有入射光波的波長有關(guān)，并且價格很便宜，實用性高。

所以對以上兩個方案進行對比，方案1雖然對精度和線性度有更好的設(shè)計，但實用性沒有光敏電阻的好。方案2擁有很強的實用性并且還能提供對系統(tǒng)的設(shè)計要求有一定的滿足，所以使用第二個方案光敏電阻作為光照度感應(yīng)器。

2.1.4報警提示模塊

這個系統(tǒng)是多功能視力保護器,相對報警器來看,他有很多種提醒方式。所以我們想出了下面兩種方案。方案1:

啟用語音的報警功能，能夠?qū)崿F(xiàn)讓用戶休息的語音提示，還有其姿勢是不是對的，簡單明了。雖然使用語音提醒有很多的優(yōu)點，但是編程語音芯片要有專業(yè)的編程器，并且價格非常貴和變成很是復(fù)雜，不適合去普及多功能視力保護器的使用。所以根據(jù)綜合的設(shè)想，我們摒棄了這個方案。方案2:

使用蜂鳴器來報警。蜂鳴器的體積小并且重量輕還有裝配單一，并且用起來方便。價格不高，對普及視力保護器的有很大的優(yōu)勢。還能夠更多的滿足對系統(tǒng)的要求，所以我們打算使用這個方案。

2.1.5

坐姿檢測模塊

這個系統(tǒng)還需要檢測是否有良好的坐姿，所以我們選擇了一下兩種方案方案1:

使用紅外線熱釋電感應(yīng)器，紅外線熱釋電感應(yīng)器對紅外線的感應(yīng)非常敏銳，當人調(diào)整為良好的坐姿時，再開啟這個視力保護器，但如果沒有坐好，紅外線熱釋電感應(yīng)器就會輸出一個由高到低的電信號。紅外熱釋電感應(yīng)器雖然有著較高的敏感度，但并不適合用在視力保護器上面，當人們?nèi)绻皇怯幸稽c點的移動視力保護器就也會發(fā)出警報，很多情況下都是錯誤的警報，除非人們坐在那里一點都不動，所以紅外線熱釋感應(yīng)器不能用于多功能視力保護器對坐姿的檢測，多以綜上來看，我們沒有使用這個方案。方案2:

使用超聲波感應(yīng)器來檢測。他是通過測量人臉與桌子的長度來確定坐著的姿勢。當長度不大于30CM的時候就發(fā)出提醒。并且超聲波的體積不大，不重，用起來比較方便。還有價格低廉，對普及視力保護器的有很好的推勢?？梢院芎玫臐M足對系統(tǒng)的要求，所以我們選用了這個方案。

2.1.6

顯示模塊方案1:

使用數(shù)碼管來顯示的時候。它的顯示速度比較快，而且使用起來簡單,顯示的效果也是簡單易懂，但是顯示的比較單一，表達不出很好的人機的界面，所以我們沒有使用用數(shù)碼管顯示。方案2:

使用LCD1602液晶來顯示。LCD1602因為其顯示清楚，還有豐富的內(nèi)容展示，內(nèi)存又大，使用起來方便快捷而得到了非常廣泛的應(yīng)用。就針對這一個因素考慮我們選用了這個方案。

2.2

最終方案

經(jīng)過一次又一次的論據(jù)證明，我們終于確定了最終方案:

1、電源使用了3節(jié)5號電池2、使用用STC89C52單片機當做主控制器。3、使用光敏電阻來測試光照的強弱。4、利用超聲波感應(yīng)器來測試坐姿。5、還用LCD1602液晶來顯示。6、用蜂鳴器作為提醒。

三、硬件實現(xiàn)及

單元電路設(shè)計

3.1主控制模塊

主控制最小的系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2單片主控電路

3.2電源電路設(shè)計供電源使用7805穩(wěn)定電壓芯片壓縮成5v給感應(yīng)器，單片機提供電量，電路如圖3圖3電源電路3.3蜂鳴器驅(qū)動電路圖4L298N引腳圖3.4按鍵電路系統(tǒng)啟用了4個按鍵設(shè)置了參數(shù)和設(shè)置了光照強度報警值。電路如圖5圖5按鍵電路3.5光照強度檢測電路如圖6圖6光照采集電路3.6顯示模塊顯示采用LCD1602液晶顯示電路圖7圖7數(shù)碼管顯示3.7超聲波坐姿測距模塊

超聲波模塊啟用現(xiàn)有的HC-RS04超聲波模塊,這個模塊能夠提供2cm-400cm的不接觸式的長度感測功能,測量距離的精準度可高達3mm。該模塊包含了超聲波發(fā)射器、接收器和電路的控制。它的基本的工作原理為:使用I0口TRIG來觸發(fā)測量距離，提供至少10us的高電平的信號;模塊自己發(fā)送發(fā)送有8個40khz

的方波，并且自動檢測是不是有信號來回往返;當有信號返回時，通過I0口ECHO來輸出一個高電平，這個高電平持續(xù)的時間就當做超聲波通過發(fā)射往返的時間。測試的距離等于(高電平時間*聲速(340M/S))/2.這中間VCC供電5V，GND為地線，用TRIG來觸發(fā)控制信號的輸入，ECHO回響的信號輸出等四支線。

3.2.1超聲波的基本特性

超聲波就是一種機械振蕩在彈性介質(zhì)中進行的，它的頻率超過了20KHz，分為橫向振蕩還有縱向振蕩兩樣，超聲波能夠在氣體和液體以及固體中進行傳播,當他傳播速度不同的時候會有折射和反射的現(xiàn)象，并且在傳播的過程中有逐漸衰減。

超聲波的基本特征有如下所述:

1.波長波的傳送速度是使用頻率*以波長來顯示。電磁波的傳送速度是3*10'm/s，但是聲波在空氣中的傳送速度不快，大約是為344m/s

(20C時)。于是在這種不快的傳播速度下，波長非常短，就說明能夠獲得比較高的長度和方向的分辨率。正是因為這種比較高的分辨率特征，才讓我們有可能在開始測量時得到非常高的精確度。反射

如果想要探測某一個物體是不是存在的,超聲波就可以在這個物體上得出反射。出于金屬、木器、混凝土和玻璃還有橡膠和紙等物品能夠反射將近100%的超聲波，所以我們能夠很容易地察覺出這些物體。又因為布和棉花還有絨毛等這些能夠吸收超聲波的無匹，所以我們不能輕易就利用超聲波探查到它們。與此同時，因為不規(guī)則的反射，通常不能輕易的探測出凹凸的表面和斜坡表面上的物體,這些原因?qū)е铝顺暡ㄐ枰诳諘绲膱鏊M行測試，而且測試的物體必須得能夠反射超聲波。溫度效應(yīng)

聲波的傳播速度“c”能夠用以下的公式來表示。c=331.

5+0.

607t

(m/s)式中，t=溫度(C)也表明，聲音的傳播速度是隨著周圍溫度的變化而變化的。因此，如果要想能夠精準的測量和某一個物體之間的長短時，要一直不斷的檢查周圍溫度，特別是冬天室內(nèi)外的溫差比較大，他對超聲波測量距離的精準度影響比較大，這個時候能夠用18B20當做溫度補償來較少溫度變化而造成的測量誤差，由于考慮到這個設(shè)計是在室內(nèi)測試的，并且超聲波主要是用來實現(xiàn)規(guī)避故障的功能,對測量精準度的要求不高，故關(guān)于溫度效應(yīng)對于系統(tǒng)的影響主要問題在這里就不做更深入的探討了。

4.衰減

傳送到空氣中的超聲波強弱伴隨著距離的變化而減弱,這是由于衍射現(xiàn)象導(dǎo)致的在球形的表面上產(chǎn)生的擴散損失，也是由于介質(zhì)吸收最產(chǎn)生的損失。如圖9所示，當超聲波的頻率越高時，衰減的機率就越高，超聲波的傳播長短也就越短，所以能夠看見超聲波的衰減特征能影響超聲波感應(yīng)器的有效距離。HC-RS04型超聲波感應(yīng)器的震蕩頻率是40KHz,傳送10米超聲波信號強度就衰減了

3.2.2

超聲波的電器特性

1.聲壓特性

聲壓級(S.P.L.)

是用來表明音量的單位，利用以下的公式作為表示。

S.P.L.=

201ogP/Pre

(dB)式中，“P”為有效聲壓(μ

bar),

“Pre”為參考聲壓(2X10-4μbar)如圖8所示為幾種常用超聲波傳感器的聲壓圖。

圖8超聲波傳感器的聲壓圖

分析上面的研究結(jié)果可以看出超聲波感應(yīng)器工作在40KHz

范圍里具備最大的聲壓級和最號的靈敏度,這指明了設(shè)計中選擇合適的超聲波感應(yīng)器的方向

3.3定時報警

電路

報警的電路分成報警發(fā)聲電路還有單片機控制電路。它是能通過單片機的固定計時計數(shù)的功能來完成定時45分鐘后并讓報警電路去發(fā)出報警聲,用來告知學生注意休息!89c52單片機里含兩個能編程的定時器或者叫計數(shù)器，能滿足像對外部脈沖做一個記數(shù)，產(chǎn)生精準的定時時間，當做串行口的波特產(chǎn)生器等功能的需求，它們擁有兩種工作模式和4種工作方式。他控制字都在相對應(yīng)的特別功能的寄存器中，通過編制它的特殊功能寄存器，能夠方便的選出相應(yīng)的工作模式還有工作方式。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計方案如圖9圖9

4.1安裝步驟

1.檢測元件的好與不壞

按照電路圖買完元件以后第一要先檢查買回來的元件的是否完好，再按照么一個元件的檢測方法來逐一進行檢測，注意一定要認真仔細。并且需要認真核實原理圖是不是一致的，然后在檢查完好以后才能上件和焊件，以防出現(xiàn)錯的焊件后不方便改正。圖10超聲波測距子程序流程圖

2.放置、焊接各元件

通過原理圖的位置擺放每一個元件,然后在擺放的過程中需要先擺放然后在焊接比較低的元件，最后焊接比較高的和要求比較高的元件。尤其是容易損壞的那些元件要最后再焊，當在焊集成芯片的時候接連焊接的時間不能超過10s，還要注