目  录

摘要- I

ABSTRACT II

1  引言- 1

1.1  研究背景- 1

1.2  研究现状及趋势- 1

1.3  研究任务- 2

2  总体方案设计- 3

2.1  硬件设计方案- 3

2.1.1  电源模块- 3

2.1.2  主控模块- 4

2.1.3  光强检测模块- 4

2.1.4  报警提示模块- 4

2.1.5  距离检测模块- 4

2.1.6  显示模块- 5

2.1.7  元件清单- 5

3  系统硬件电路设计- 6

3.1  主控电路- 6

3.1.1  STC89C52简介- 6

3.1.2  最小系统电路- 6

3.2  电源电路- 7

3.3  声光报警电路- 7

3.4  按键电路- 8

3.5  光照强度检测电路- 8

3.6  LCD1602显示电路- 9

3.7  超声波测距电路- 9

3.7.1  超声波的基本特性- 10

3.7.2  超声波的工作原理- 12

3.7.3  超声波模块电气参数- 12

3.8  定时报警电路- 13

3.9  系统整体电路设计- 14

4  系统软件设计方案- 16

4.1  主程序设计- 16

4.2  子程序设计- 16

4.2.1  光强检测子程序设计- 16

4.2.2  超声波测量子程序设计- 17

4.2.3  定时子程序设计- 18

5  系统电路制作与调试- 20

5.1  电路制作- 20

5.2  电路调试- 20

6  成品展示- 21

7  总结与展望- 22

7.1  总结- 22

7.2  展望- 22

参考文献- 23

致谢- 25

附录- 26

摘  要

我国是世界近视发病率最高的国家。据市场调查，大学生近视人数占77.95%，高中生近视人数占72.8%，初中生近视人数占53.43%，小学生近视人数占26.96%。视力下降主要受以下几个因素的影响：使用者脸部与读物之间的距离过小、学习光照太强或太弱、长时间用眼等。对此我们进行了智能视力保护监控系统的设计。通过创造健康的读写环境，避免因长期读写而导致近视、驼背等疾病的发生和发展。

本设计以STC89C52单片机为控制核心，通过HC-SR04超声波测距传感器检测使用者脸部与读物之间的距离，通过光敏电阻对光线强弱进行检测，通过按键电路对用眼距离、定时时间、光照强弱进行设置，通过LCD1602显示距离、光照强度、时间等参数信息，可实现距离检测、光强检测、定时和报警等功能。该系统具有简单实用的特征，对使用者视力有良好的保护效果。

关键词：STC89C52  传感器  视力保护  超声波

ABSTRACT

China is the highest incidence rate of myopia in the world. According to market survey, 77.95% of college students are short-sighted,72.8% of high school students are short-sighted, 53.43% of junior high school students are short-sighted, and 26.96% of primary school students are short-sighted. The visual acuity is mainly affected by the following factors: the distance between the user's face and the reading material is too small, the learning light is too strong or too weak, and the eyes are used for a long time. In this regard, we designed an intelligent vision protection monitoring system. By creating a healthy reading and writing environment, we can avoid the occurrence and development of myopia, hunchback and other diseases caused by long-term reading and writing.

This design takes STC89C52 single chip microcomputer as the control core, detects the distance between the user's face and the reading material through hc-sr04 ultrasonic distance sensor, detects the light intensity through photosensitive resistance, sets the eye distance, timing time and light intensity through key circuit, and displays the distance, light intensity, time and other parameter information through LCD1602, which can realize the distance detection, time measurement and other functions Light intensity detection, timing and alarm functions. The system has the characteristics of simple and practical, and has a good protection effect on the user's vision.

Keywords: STC89C52  sensor  vision protection  ultrasonic

1  引言

1.1  研究背景

由于网络的快速发展，学习压力的增大等多种因素，使得青少年长期不健康用眼，超负荷用眼，导致青少年近视率急剧上升。根据国家统计局最新的一项调查显示，......

国家有关部门对许多职业均有明确的视力要求，而一旦近视，花再多的钱医治也不可能恢复原有的视力。专家认为造成近视的最大原因是阅读和写作姿势不当......

1.2  研究现状及趋势

国家防近视专家指导小组于1992年成立以来，防近视产品经历了从简单到复杂、从单一到多元、从低科技到高科技的发展过程，推向市场的产品多达几百种......

国内新疆乌鲁木齐旭之龙科技有限公司生产的“学生1.5视力保护仪”也称为坐视宝，可以提醒用户保持良好的坐姿。还有深圳市华恒电子有限公司生产的MS-3023型坐姿仪......

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。“吃新鲜蔬菜和鱼可以保护视力，降低近视的发病率。”美国德克萨斯大学西南......

研究证明，现有产品只注重视力保护的单一方面，功能尚不全面，不能从多角度保护使用者的视力。因此，研制一种......

1.3  研究任务

本设计以STC89C52单片机为控制核心，在此基础上实现距离检测、光强监控、定时和报警等功能，通过LCD1602显示各种参数的信息，并能在线修改各参数的初始值......

1.当使用者脸部与读物之间的距离小于设定值(可通过按键设定)时，电路将发出声光报警；

2.当读写环境光线太强或太弱时(可通过按键设定)，电路将发出声光报警；

3.当使用时间达到45分钟时(可通过按键设定)，电路自动发出声光报警，提醒使用者注意休息；

4.电路工作可靠，做出实物能够实现相应的......

2  总体方案设计

本文设计的智能视力保护监控系统从多个方面保护视力，以解决现有视力保护器功能过于单一的问题，系统采用STC89C52单片机作为核心控制单元，通过光敏电阻采集光信号，利用AD模数转换器把采集到的光信号转换成数字信号传输给单片机，......系统的总体设计方框图如图2-1所示。

图2-1  系统总体方框图

2.1  硬件设计方案

2.1.1  电源模块

本系统采用USB 5V做电源，给MCU和其它模块提供+5V电压。通过试验证明系统运行时，单片机和传感器的工作电压稳定，能够满足系统的要求。系统采用USB电源输出接口为系统供电，......

2.1.2  主控模块

本设计采用单片机STC89C52（宏晶科技公司）作为整个系统的核心控制单元，充分分析系统，其关键在于实现系统的声光报警提醒，检测来自光敏电阻的光强度信号，......

2.1.3  光强检测模块

光强检测模块采用光敏电阻。光敏电阻的工作原理是当有光线照射时，电阻内原处于稳定状态的电子受到激发，成为自由电子[7]。所以光照越强，产生的电子也就越多，......

2.1.4  报警提示模块

报警提示模块采用蜂鸣器和发光二极管。蜂鸣器和发光二极管的优点有：体积小、......

2.1.5  距离检测模块

距离检测模块采用超声波测距传感器，测量使用者脸部与读物之间的距离来确定坐姿。超声波测距传感器的接收端将声音信号转换为电信号，单片机内部定时器定时，利用时间差来计算距离......

2.1.6  显示模块

显示模块采用LCD1602液晶显示器进行显示。LCD1602由于其显示清晰，显示内容丰富，显示信息量大，使用方便，显示快速而得到了广泛的应用。对此......

2.1.7  元件清单

经过反复论证，元件清单如表2-1所示。

表2-1  元件清单

3  系统硬件电路设计

3.1  主控电路

3.1.1  STC89C52简介

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，......

单片机STC89C52具有8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，......

3.1.2  最小系统电路

单片机的最小系统，主要由电源电路、复位电路、振荡电路及拓展部分组成。最小系统电路图如图3-1所示。

图3-1 主控模块最小系统电路

3.2  电源电路

供电模块采用USB 5V做电源给传感器、单片机供电。如图3-2所示。

图3-2  电源电路

3.3  声光报警电路

报警电路包括蜂鸣器电路和发光二极管电路两部分。蜂鸣器电路由一个蜂鸣器和一个9012型的PNP三极管组成的。蜂鸣器采用三极管驱动，当光照过强或过暗、......声光报警电路图如图3-3所示。

图3-3  报警电路

3.4  按键电路

本系统使用三个独立的按键对按键电路参数进行设置，设置超声波测距模块测量使用者脸部与......其按键电路图如图3-4所示。

图3-4  按键电路图

S2键：设置键，能在测距和光强功能间转换；

S3键：暂停/继续学习键（正常显示界面）/加键（设置界面）；

S4键：开始学习键（正常显示界面）/减键（设置界面）。

3.5  光照强度检测电路

该电路采用光敏电阻法检测光强。当光线变强或变暗时，光敏电阻的电阻值发生变化，电压也就会随着发生变化。经过AD转换器把采集到的光信号转换成数字信号传输给单片机，......光照强度检测电路如图3-5所示。

图3-5  光照强度检测电路

3.6  LCD1602显示电路

显示模块采用LCD1602液晶显示，它可以显示两行，每行为16个字符。可以显示数字、字母等信息，显示内容丰富。LCD1602是一个16引脚的液晶显示屏，.......其实物图如图3-7所示。

图3-6  LCD1602显示电路

图3-7  LCD1602实物图

3.7  超声波测距电路

本设计测距模块采用HC-SR04超声波测距模块，该模块可提供 10cm-100cm......

基本工作原理：

1.采用 IO 口 TRIG 触发测距，给予至少 1......

2.模块自动发送 8 个40kHz的方波，......

3.有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，......

图3-8  超声波模块实物图             图3-9  超声波测距电路图

3.7.1  超声波的基本特性

超声波是弹性介质中产生频率大于20kHz的一种机械振动，它可分为横向振动和纵向振动。超声波能通过固体、气体和液体传播，但速度却不一样。它具有折射和反射，......

超声波的基本特性如下所述：

1.波长

波速等于频率乘以波长。在3×108毫秒的范围内，电磁波传播速度缓慢，而......

2.反射

为了探测物体的存在，超声波可以反射到物体上。因为金属、木材、......

3.温度效应

声波传播的速度“C”可用下列公式表示。C=331.5+0.607t（M/s），其中t=温度（℃），声传播速度随环境温度变化而变化。因此，必须经常检查物体周围的温度才能准确测量物体之间的距离，......

4.衰减

超声波在空气中的传播强度随着距离的增加成正比地减小，这是由于地球表面衍射所致的扩散损失和能量被介质吸收引起的吸收损失所致。从图3-10可以看出，超声频率越高，......

图3-10  声音信号强度在不同距离下的衰减特性

3.7.2  超声波的工作原理

通常的超声波传感器大多为开放式的，其内部结构如图3-11所示，所述底座上可以灵活地固定复合式振动器。该复合式振动器是由谐振器以及一个金属片和一个压电......

当电压作用于压电陶瓷上时，随着电压和频率的变化，压电陶瓷会发生机械变形。而电荷是由于压电陶瓷的振动而产生的。根据这个原理，当一个振......

图3-11  超声波传感器内部结构图

向某一方向发射超声波的超声波发射器，在发射时刻的同时开始计时，在空气中传播的超声波，在途中遇到障碍物就立即返回，超声波接收器接收到反射波后会立即停止计时。......如图3-12所示：

图3-12  测距原理图

3.7.3  超声波模块电气参数

超声波模块电气参数如表3-1所示。

表3-1  超声波模块电气参数

3.8  定时报警电路

报警电路分为单片机定时电路和报警器发声电路。定时电路在设计中主要用来对学生已经学习时间进行计时，由STC89C52自带的定时器/计数器实现上述功能。......

在单片机STC89C52中，有两个可编程的计数器/定时器来满足对外部脉冲进行计数，......工作模式具体如表3-2所示。

表3-2  定时器模式寄存器M0/M1工作模式

当定时器/计数器在定时模式下工作时，计数器的加1信号由振荡器的12分频信号产生（即每个机器周期），计数器将会加1，直到计数满为止。显而易见，系统的振荡频率与计时器的计时时间有关系。因为一个机器周期等于12个振荡周期，计数频率为1/12osc。......

3.9  系统整体电路设计

系统整体电路图包括：电源电路、按键电路、单片机主控电路、超声波测距电路、LCD1602显示电路、声光报警电路等。整机电路原理图如图3-13所示。......

图3-13  整机电路原理图

4  系统软件设计方案

4.1  主程序设计

图4-1  系统软件设计方框图

4.2  子程序设计

4.2.1  光强检测子程序设计

如图4-2所示为系统的光强检测子程序流程图。首先对单片机进行初始化，然后进行光强检测，通过ADC0832模数转换器，将光敏电阻得到的模拟信号，......

图4-2  光强检测子程序流程图

4.2.2  超声波测量子程序设计

如图4-3所示为系统坐姿检测超声波测量子程序流程图。当按下开始键时，对系统进行初始化处理。通过超声波HC-SR04输出的脉冲信号对距离进行判断，当使用者脸部与读物之间的距离小于设定值时，就会发出声光报警。

图4-3  超声波测距子程序流程图

4.2.3  定时子程序设计

首先进行单片机初始化，开启定时器计时，定时主要依据单片机内部的编程来实现，......使用者休息。如果没有超出45分钟，系统会返回继续判断。定时子程序流程图如图4-4所示。

图4-4  定时器子程序流程图