基于51单片机视力保护仪设计正版.docx

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基于51单片机视力保护仪设计正版

中文摘要

目前，青少年视力低下已成为国外共同关心的问题。

资料显示，我国小学生视力低下率为26.96%，初中生53.43%，高中生72.8%，大学生77.95%。

特别是调查显示50%以上的学生与家长缺乏视力保健最基本的科普知识，不懂得不提前预防和与时治疗近视的危害性，因而有41.6%视力低下的学生并未采取任何矫正措施，又缺专业机构的治疗。

基于以上原因，本论文提出了智能红外视力保护仪的设计思路。

智能红外视力保护仪主要包含测距、感光和定时三大功能。

其中测距和感光模块由相应功能的传感器构成，能实现对使用者距离与周围光线强弱的检测和报警功能。

处理模块由STC89C51单片机运行程序构成，能实现对学习时间进行定时并通过报警来提示时间已到的功能。

总体上讲，本设计的这三个功能能同时生效，并通过报警灯闪烁和蜂鸣器报警的方式提醒使用者注意用眼卫生。

本文通过实践证明该视力保护器可行且可靠性很好，使用方便。

本文期望通过该电子硬件的制作和理论的研究，能为后期进一步设计多功能视力保护器并采取合理措施提高视力保护的有效性提供可靠和有效的数据源和信息依据。

关键词：

传感器，测距，红外，视力保护

ABSTRACT

Atpresent, adolescent eyesight hasbecomethedomesticandinternational issuesofcommonconcern. Datashowthat China'sprimaryvision, low rateof26.96%, 53.43% juniorhighschoolstudents, 72.8% seniorhighschoolstudents, collegestudents77.95%. Especiallythe surveyshowsthat 50%moreofthestudentsandparents lackof visioncare themostbasic scienceknowledge,harmfulness doesnotknow aheadoftimeisnot timelypreventionandtreatmentofmyopia, thusthereare41.6% lowvision studentsdidnottakeanycorrectivemeasures, treatment andlackof professionalorganizations.

Basedontheabovereasons, thispaper putsforward intelligentinfrared visionprotection design instrument. Intelligentinfraredeyesightprotectinginstrument mainlyincludesthe location, sensitiveandtimingof threefunctions. The location andthephotosensitivesensor module iscomposedof thecorrespondingfunctions, canrealizethe detectionofthe userdistance and ambientlight intensityand alarmfunction. Theprocessingmodule iscomposedofSTC89C51microcontroller runningtheprogram, can realizetime andthroughthe alarm toprompt thetimehascome for the functionoflearningtime. Generallyspeaking, thethree functionofthis designcan ineffectatthesametime, andthroughthe alarm lights andbuzzeralarm waytoremind userstopayattention toeyehealth.

Inthispaper, throughthepracticeproved thevisionprotector isfeasibleand hasgoodreliability, easytouse. Inthispaper, throughthe studyof theelectronichardwareproductionandtheoretical, forthelatterpartofthefurther designofmulti-function visionprotectionandprovidethereliable andeffectivesourceofdataandinformationonthebasisof improvingtheeffectivenessof vision protection andreasonablemeasurestaken.

Keywords:

Sensor, ranging, infrared, eyesightprotection

第一章绪论

1.1课题的选题背景

当前由于环境变化、电视、网络的高速发展等诸多因素，使得青少年长时间不卫生、超负荷用眼，造成了青少年近视疾病的大量发生。

据国家统计局最近的一项调查显示，目前我国学生视力低下的状况令人担忧。

小学近视比例为34%-61%，初中为68%，重点高中为90%左右，在校大学生视力合格者更少。

而在高考体检中由于自身缺陷原因被限考的学生当中有74%为近视。

据卫生部、教育部联合调查，目前我国学生近视发病率居世界第二，人数居世界之首。

全国近视与眼疾患者近3亿人，已经成为全社会关注的公共卫生和社会问题。

视力下降不仅影响青少年的日常生活和学习，对青少年的身心健康造成极大的影响，同时给青少年的成长与发育造成极大的障碍。

为了下一代的身心健康，拯救近视已刻不容缓。

近视作为一种现代通病，几乎没有办法根治它。

目前的激光切除手术其实是伤害了人体的自然完整，戕害着身心的健全。

于是，百年来人们沿用着“玻璃凹凸”的笨办法维系着人们对外界求索的目光。

在这种情况下，亟须开发一种多功能视力保护器。

通过创造健康的读写环境和科学方式，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，防和解除因不良读写习惯，避免给人们身体带来伤害。

读写姿势不正确，视距过近是造成近视的主要原因，并且大部分发生在中小学阶段，由于学生缺乏自觉意识，家长和老师又不能时时守在身边加以提醒，不良的阅读写字习惯一旦养成就很难改掉，日复一日的恶性循环使许多学生过早的架上眼镜，同时中小学生时代是孩子身体成长的旺盛时期，坐姿和读写姿势不正确，会影响到孩子骨骼的健康成长，很容易引起脊椎弯曲或侧弯变，造成含胸驼背，本产品的智能调控功能将会随时提醒读写者，端正坐姿，挺直腰背，养成良好的读写习惯，提高学习效率，有效防止驼背、脊椎弯曲，保护学生身心健康。

最新的问卷调查显示：

小学生、初中生近视率分别为39.05%和64.3%，分别比十年前提高25.7%和26.86%（1999年的一项统计显示，全国小学生近视率为13.35%，初中生近视率为37.44%）。

书面问卷数据显示，小学生、初中生近视率分别为39.05%和64.3%。

在回收的网络问卷“你觉得造成你眼睛近视的原因是什么”选项中，选择“写字看书姿势不正确的”占52.4%，选择“因看电视引起近视的”占46.7%，选择“因上网引起近视的”占44.8%，而选择“作业太多导致近视的”占43.8%。

最新的一项统计显示，我国青少年近视率居世界之首，在青少年近视群体中，高中生的近视检出率最高，达72.8%。

2006年国家统计局的一项调查显示，小学近视的比例为34%~61%，初中为68%，重点高中为90%左右，在校大学生视力合格者更少。

由此可以看出，中国学生视力低下的状况令人担忧，而写字看书姿势不正确、看书写作业的时间太长和光线的过强和过弱是导致中小学生近视的主要原因。

通过调研现今的已有的坐姿提醒器具有很大的局限性和单一性，而新型坐姿提醒器是以人机交互和以人为本的理念，智能的祛除影响视力的不良因素，为中小学生健康成长发挥重要作用的产品。

1.2国外发展现状

自1992年全国防近视专家指导小组成立以来，防近视产品经历了一个由简单到复杂、由单一到多元、由科技含量低到科技含量高的历程。

在此基础上，科学家们进行了大量艰苦的研制开发工作，推向市场的产品多达几百种，给防近视工作带来了无限的生机。

国这方面的研究现状为：

在国乌鲁木齐市旭之龙科技生产的“学生1.5视力保护器”又名称坐视宝，它能对使用者的坐姿不当进行提示。

还有市华恒电子生产的型号为MS-3023的坐姿矫正器。

可以纠正看书，写字的不良坐姿。

总体看来，国生产的视力保护器功能特点比较单一，与人们的个性化需求尚有很大的差距，故不能很好的满足广大使用者的需求。

国外也致力于对保护视力的研究，但是他们更侧重于对近视原因的研究。

美国德克萨斯大学西南医学中心何于光博士表示，吃鱼和新鲜蔬菜能够保护视力，降低发生近视的概率。

他们认为通过合理的饮食营养搭配，以与正确的学习习惯，对视力的保护能起到事半功倍的作用。

研究证明，市场上真正的智能视力保护仪几乎没有。

现有的产品只是侧重视力保护的单一方面，功能尚不全面，不能从多个角度保护使用者的视力。

随着世界的不断进步，产品的技术含量不断增加，产品功能越来越多样化，设计越来越人性化。

在坐姿提醒器这块产品研发之中，将越来越多的运用以人为本和人机交互的设计理念，坐姿提醒器将越来越优秀，不断克服使用的局限性，附加功能不断增添，最终将研发出一机多用的新型坐姿提醒器。

由于现在国外大量的市场需求，视力保护器的起步才刚刚开始，存在很大的发展空间，相信未来视力保护仪一定会得到巨大的发展，为广大的中小学生的视力保护做出根本的保障。

1.3　本论文主要研究容

1.3.1主要容

以51单片机为核心处理器、LM393电压比较器、光敏电阻、数码管等构成一款智能视力保护仪设计。

鉴于单片机芯片的智能处理功能本设计采用理论计算和实验验证的方法相结合的以单片机芯片为核心的主体电路。

首先是对各单元电路进行设计，并选择合适的元器件。

在选择元器件时，要注意所选芯片的性价比，对于电阻、电容等常用元件要先进行参数计算后再选择。

其次是设计整个电路，其中单片机芯片选用较为普遍的stc89c51型，红外测距选用利用光电反射累的，红外测距尾部有个电位器可以调节感应距离（0~80cm），当距离小于调节设定的距离时小灯快速闪烁同时蜂鸣器响提示，当光线过强或过弱时，也会提示；数码管显示时间，当时间到45分钟时，数码管和小灯闪烁，蜂鸣器滴滴提示，此时按下按键即可休息，防止过度伤身；当休息回来时，再按下按键此时系统又重新开始工作。

设计利用红外测距传感器实在对距离的测量，比超声波测距更加可靠准确、健康安全。

1.3.2　基本要求

1．当使用者脸部与桌面或电脑等之间的距离小于25CM（距离可以适当调整）时,电路将发出声光提示；

2．当使用时间达到45分钟时,电路自动发出声音提示,数码管闪烁，提醒使用者注意休息；

3．当读写环境光线照度不足或过强时,电路将发出声光提示；

4．感应环境光线的围是可以调节的，实现智能化；

5．电路可靠,设计小巧省电，并且能够实现相应的功能。

真正帮助学生做到国家教委规定：

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，时间不超过45分钟。

第二章　智能视力保护器总系统设计

2.1　系统总框图

硬件主要以STC89C51型单片机为核心，功能电路主要包括传感器辅助坐直报警电路、光线报警电路、定时报警电路以与蜂鸣器报警电路等核心电路。

利用C语言进行编程。

本设计的系统总框图如图2-1所示。

图2-1系统总体框图

2.2　单片机的选择

从控制系统的大小和复杂度出发，必须考虑单片机的基本参数和增强功能。

前者往往需要考虑芯片的速度，ROM容量，I/O引脚数量和工作电压（1.8V/3V/5V）等，后者则包括是否拥有看门狗，双指针，双串口，实时时钟，CAN接口，SPI接口，USB接口等附加模块。

本设计中受控对象只有超声波、声光报警，复杂度低，采用低端的通用的单片机芯片就能够满足要求。

从容易学习掌握的角度出发，要求所选单片机支持简单易学的编程语言，并且拥有软件支持的良好编程环境。

同时还应当有丰富的资料支持，包括详尽的芯片说明书，应用指南，设计方案，例程序等。

从工作可靠性的角度出发，要求所选芯片有较宽工作温度围，较低的功耗和一定的抗干扰能力。

按适用的工作温度分，常用单片机芯片可分为商用级、工业级、军品级，这里选择一般的商用机即可。

在功耗和抗干扰方面，本控制系统的要求都不高，一般的单片机芯片都能满足要求。

综上所述，本系统选择STC89C51单片机作为主控芯片。

足够本设计运行，且价格便宜，下载程序方便。

2.3　传感器的选择

在测距模块中，常用超声波测距，它的原理是利用超声波的发射与接收，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。

实用的测距方法有两种，一种是在被测距的两端，一端发射，另一端接受的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体发射回来后接收的反射波方式，适用与测距仪。

本设计主要是测距要选用得体，要准确无误，通过查阅资料感觉利用超声波测距的设计较多，但是稳定性不是很好，所以决定采用光电式测距传感器，主要应用在生产加工等精密场合，稳定性极高。

所以本设计选用光电式红外测距传感器。

在感光模块中，采用光敏电阻与LM393构成的电压比较器来构成感光模块的主要部分。

通过对电压的采集，来实现智能化。

2.4　编程语言的选择

对于指令系统兼容MCS51系列的单片机，其较为常用的编程语言有C和汇编语言。

C语言是一种结构化编程语言，可产生压缩代码。

C语言在硬件结构上仅要求对单片机存储器等硬件结构有初步了解，寄存器分配，不同存储器寻址与数据类型等细节可由编译器管理。

C语言程序本身并不依赖于机器硬件系统，基本上不做修改就可以在不同种类的单片机之间相互移植。

程序可划分为不同函数，结构规，可读性强。

C语言提供的库包含许多标准子程序，具有很强的数据处理能力。

C语言作为一种方便、容易掌握的语言得到了广泛的应用，是目前单片机编程中应用最多的语言之一。

汇编语言同样在单片机编程中得到了广泛的应用，其具有简单实用，控制灵活，实时性强，程序效率高等特点。

汇编语言有着极强的硬件控制能力，用其它的高级语言所无法控制的软硬件细节，在汇编语言中都可以实现，但是编程复杂。

综合考虑，软件的设计语言选择C语言。

第三章系统硬件电路的设计

3.1系统硬件总电路构成

以51单片机为核心处理器、LM393电压比较器、光敏电阻、数码管等构成一款智能视力保护仪设计。

其中单片机芯片选用较为普遍的stc89c51型，红外测距选用利用光电反射的，红外测距尾部有个电位器可以调节感应距离（0~80cm），当距离小于调节设定的距离时小灯快速闪烁同时蜂鸣器响提示，当光线过强或过弱时，也会提示；数码管显示时间，当时间到45分钟时，数码管和小灯闪烁，蜂鸣器滴滴提示，此时按下按键即可休息，防止过度伤身；当休息回来时，再按下按键此时系统又重新开始工作。

设计利用红外测距传感器实在对距离的测量，比超声波测距更加可靠准确、健康安全。

3.2单片机系统

单片微型计算机是随着微型计算机的发展而产生和发展的。

自从1975年美国德克萨斯仪器公司的第一台单片微型计算机（简称单片机）TMS-1000问世以来，迄今为止，单片机技术已成为计算机技术的一个独特分支，单片机的应用领域也越来越广泛，特别是在工业控制中经常遇到对某些物理量进行定时采样与控制的问题，在仪器仪表智能化中也扮演着极其重要的角色。

如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可以分为以下几个阶段：

第一阶段（1976—1978）：

单片机的探索阶段。

以Intel公司的MCS-48为代表。

MCS-48的推出是在工控领域的探索，参与这一探索的公司还有Motorola、Zilog等。

都取得了满意的效果。

这就是SCM的诞生年代，“单片机”一词即由此而来。

第二阶段（1978—1982）：

单片机的完善阶段。

Intel公司在MCS-48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS-51。

它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。

（1）完善的外部总线。

MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线与具有多机通信功能的串行通信接口。

（2）CPU外围功能单元的集中管理模式。

（3）体现工控特性的地址空间与位操作方式。

（4）指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。

第三阶段（1982—1990）：

8位单片机的巩固发展与16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。

Intel公司推出的MCS-96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。

第四阶段（1990—）：

微控制器的全面发展阶段。

随着单片机在各个领域全面、深入地发展和应用，出现了高速、大寻址围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以与小型廉价的专用型单片机。

单片机是在集成电路芯片上集成了各种元件的微型计算机，这些元件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时/计数器、中断系统、时钟部件的集成和I/O接口电路。

由于单片机具有体积小、价格低、可靠性高、开发应用方便等特点，因此在现代电子技术和工业领域应用较为广泛，在智能仪表中单片机是应用最多、最活跃的领域之一。

在控制领域中,现如今人们更注意计算机的底成本、小体积、运行的可靠性和控制的灵活性。

在各类仪器、仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，提高计算机的运算速度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。

3.2.1单片机引脚介绍

单片机主要特点：

（1）有优异的性能价格比。

（2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。

单片机把各功能部件集成在一块芯片上，部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力。

另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。

（3）控制功能强。

为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以与位处理功能。

单片机的逻辑控制功能与运行速度均高于同一档次的微机。

（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。

（5）外部总线增加了I2C（Inter-IntegratedCircuit）与SPI（SerialPeripheralInterface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。

（6）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规，容易构成各种规模的应用系统。

优异的性能价格比。

1）集成度高、体积小、有很高的可靠性。

单片机把各功能部件集成在一块芯片上，部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。

另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。

此外，程序多采取固化形式也可以提高可靠性。

2）控制功能强。

为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以与位处理功能。

单片机的逻辑控制功能与运行速度均高于同一档次的微机。

3）单片机的系统扩展、系统配置较典型、规，容易构成各种规模的应用系统。

VCC：

STC89C52电源正端输入，接+5V。

GND：

电源地端。

XTAL1:

单芯片系统时钟的反相放大器输入端。

XTAL2：

系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一20PF的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。

RESET：

STC89C52的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作，使得部特殊功能寄存器之容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。

EA/Vpp：

"EA"为英文"ExternalAccess"的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。

因此在8031与8032中，EA引脚必须接低电平，因为其部无程序存储器空间。

如果是使用8751部程序空间时，此引脚要接成高电平。

此外，在将程序代码烧录至8751部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（Vpp）。

ALE/PROG：

ALE是英文"AddressLatchEnable"的缩写，表示地址锁存器启用信号。

STC89C52可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0～A7）锁进锁存器中，因为STC89C52是以多工的方式送出地址与数据。

平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。

此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。

PSEN：

此为"ProgramStoreEnable"的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。

STC89C52可以利用PSEN与RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址围。

PORT0（P0.0～P0.7）：

端口0是一个8位宽的开路汲极（OpenDrain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。

其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。

PORT2（P2.0～P2.7）：

端口2是具有部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。

P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在STC89C52扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8～A15，这个时候P2便不能当做I/O来使用了。

PORT1（P1.0～P1.7）：

端口1也是具有部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。

如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。

PORT3（P3.0～P3.7）：

端口3也具有部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制与外部数据存储器容的读取或写入控制等功能。

其引脚