多功能視力保護器設計和實現(xiàn)電子信息工程專業(yè)

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1、 多功能視力保護器 【摘要】 現(xiàn)在這個社會近視的人越來越多了。所以設計一個視力保護器是非常重要的。本次畢業(yè)設計主要從單片機的知識層面出發(fā)，我把所學的課堂上所學到的理論知識運用到本次的畢業(yè)設計中，通過軟件上不斷的調(diào)試后，在硬件方面主要實現(xiàn)人在使用視力保護器的時候，臉部與桌面在距離50cm的時候，當下學習環(huán)境的亮度低于30%的時候，學習時間超過45min時，蜂鳴器皆會發(fā)出提醒。 關(guān)鍵詞： 單片機；硬件；視力保護 1、緒論 1.1課題背景

2、 現(xiàn)在這個社會是學生學習的壓力越來越大。在2016年09月時，某省關(guān)于青少年心理健康宣傳月活動取得圓滿成功，在本活動期間，有很多心理咨詢專家在對大中小學生進行義務咨詢時發(fā)現(xiàn)，有大概25%學生在與人溝通時表現(xiàn)出尷尬困難，近50%中小學生學習壓力大。想必大家都知道，現(xiàn)在很多工作均有明確的視力要求，而一旦近視，花再多的錢醫(yī)治也不可能恢復原來的視力。所以有一個好視力是多么的重要。當今的中小學生作業(yè)繁多，學習壓力巨大。就保護孩子視力而言，擁有一個好的視力保護器是多么重要。 在整個大環(huán)境里，無論在哪里，青少年視力低下的現(xiàn)象都受到密切關(guān)注。根據(jù)相關(guān)研究表明，我國小學生視力低下率為26%，初中生53

3、%，高中生72%，大學生77%。在這個調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，更令人不可思議的是調(diào)查顯示大部分的家長及學生本人在視力保護方面健最基本的知識都不了解，根本不懂得自己離近視越來越近。因此絕大部分近視的學生不懂得如何保護自己的眼睛，更不要說有專業(yè)機構(gòu)的治療。本次設計目的就是想通過用非醫(yī)藥的手段，在孩子們學習的時候，養(yǎng)成一個好的學習習慣，在根源上有效杜絕近視給人們身體帶來的不好影響。 為了避免因長期使用不正確的讀寫姿勢而導致近視問題。本次的設計出發(fā)點很符合當下的趨勢,從人們讀寫習慣出發(fā),給出一個好的學習環(huán)境以及正確的坐姿，防止給人們的身心帶來風險。 1.2當下視力保護器的趨勢 根據(jù)設計之前的市場調(diào)研，

4、現(xiàn)在很多的廠家都有生產(chǎn)一些保護視力的產(chǎn)品。從整個市場看來，國內(nèi)生產(chǎn)的視力保護器在功能方面還存在許多不足。絕大部分的產(chǎn)品沒辦法全面的改善使用者的視力，只是起到一個輔助的功能，在我的設計理念里面。一個好的視力保護器應能在很大程度上的糾正使用者在讀寫時候的不良坐姿。從根本上有效的防止近視惡化這一問題。視力保護這一方面在國外也獲得到高度重視，可是他們更傾向于鉆研造成近視的原因。在美國大學某博士表示，吃新鮮果蔬和魚能夠在一定的程度上保護視力，降低發(fā)生近視的風險。很多專家研究表明飲食營養(yǎng)搭配合理，以及正確的學習習慣跟環(huán)境，對眼睛的保護能夠有很好的效果。經(jīng)過大量的市場數(shù)據(jù)證實，現(xiàn)今市場上沒有一款真正意義上的

5、多功能視力保護器。大部分的產(chǎn)品都是側(cè)重于輔助視力這一塊，功效單一，不能從根本上的維護使用者的視力。 1.3設計要求 本課題設計主要以單片機為主要路線，在設計好相關(guān)的電路原理圖以后，就可以開始買每個電路所用到的元器件了，在買元件的時候要注意所選芯片的性價比，為了防止一些元件買來以后自己用不上，不符合自己的要求。有些電子元件應根據(jù)你所需要的參數(shù)先計算好后再選擇，比如電阻、電容。在經(jīng)過多次的比較后，本課題的主要芯片選用STC89C52，在光線報警的時候選用光敏電阻來實現(xiàn)，檢測坐姿的傳感器用的是超聲波傳感器，蜂鳴器發(fā)聲用來提示報警。主要能實現(xiàn)以下功能： 1． 當讀寫環(huán)境光線照度低于

6、30%時,電路將發(fā)出聲音報警提示； 2． 當學習時間達到45分鐘時,電路自動發(fā)出聲音報警提示,提醒使用者注意學習過久適度休息； 3． 當使用者臉部與桌面之間的間隔小于30CM時,電路將發(fā)出聲音提醒； 4． 光照強度的報警靈敏度可調(diào)； 5. 電路安全可靠，穩(wěn)定性好。 2、總體方案設計 本設計主要是通過單片機來控制。光照強度信號的采集主要依靠光敏電阻來現(xiàn)，在光照強度不足30%時蜂鳴器發(fā)出報警。利用超聲波傳感器來檢測出人臉部與桌面的距離。在正常坐姿的情況下，人的臉部與桌面的距離小于30CM時蜂鳴器發(fā)出報警聲提醒。設計框圖如圖1所示。 2.1 硬件電路設計 2.1.1電源

7、電路設計 由于本系統(tǒng)采用電池供電，有以下幾種方案為系統(tǒng)供電。 （1）我一開始想到的是用12V蓄電池穩(wěn)壓后為作為電源裝置。因為它的整個驅(qū)動能力比較強能夠帶動整個系統(tǒng)，但是它有一個不好的地方就是體積過于龐大，在更換電池的是時候在成本上來講比較不劃算，在報警器實現(xiàn)上使用的時候比較不方便。（2）因為系統(tǒng)的電源供電方面的要求不高，所以我想到了平常家里面用的干電池就可以用來當作電源模塊啊。我用了3節(jié)電池在經(jīng)過多次驗證后，所用的電壓可以驅(qū)動單片機，能夠滿足系統(tǒng)的要求，更重要的是性能也很穩(wěn)定，另外一個好處就是在換電池的時候比較容易成本也比較小。 2.1.2主控制器模塊 （1）在本系統(tǒng)

8、控制器這一方面，我先想到的是用可編程邏輯器件CPLD。因為它在解決較為復雜的編程上很實用，在許多大規(guī)模控制系統(tǒng)上用的也是它?？稍诒驹O計上在編程要求來說對邏輯功能的要求并不是很復雜，也不需要非常高的數(shù)據(jù)處理速度。 （2）在學過單片機以后就知道，51可以作為一個很好的控制元件，用它來實現(xiàn)對多功能視力保護器的控制，從整個設計上來看，主要是實現(xiàn)人的臉部與課桌的距離，光照強度的檢測。從這一方面看來，單片機的優(yōu)勢就表現(xiàn)的比較明顯了，從各方面綜合考慮我們選用STC89C5來作為本次系統(tǒng)控制的核心單元。 2.1.3光照強度檢測模塊 光照度傳感器的選擇 （1）在光照強度上來說

9、因為所需要檢測的是當我們在學習時候的一個環(huán)境的光照亮度。如果用M124749作為光照度傳感器的話，雖然它在這一方面有很好的電路模塊技術(shù)，檢測的范圍廣，穩(wěn)定性比較好，但是有一個不好的地方就是它的價格比較貴，還不是很好買。 （2） 在學傳感器的時候我就知道光敏電阻的工作原理了。所以在檢測光照的時候我就想到了，能不能在這個設計里面，也用上光敏電阻，因為它的運用原理簡單，在經(jīng)過多次的調(diào)試以后，我發(fā)現(xiàn)使用光敏電阻，就能很好的滿足我設計的目的，在整個環(huán)境光照的檢測中，它能在實現(xiàn)系統(tǒng)功能時，價格便宜，性價比高，所以選用光敏電阻。 2.1.4報警提示模塊 實現(xiàn)本設計的報警提醒功能的方法有許多，

10、例如 （1） 在報警提示這一模塊上可以用語音報警模塊，如果要用這個模塊的話，它在芯片編程上的技術(shù)要求較高，雖然使用它能很好的實現(xiàn)報警功能，但是在整個設計成本的角度上來看它的價格昂貴編程還很復雜，不適合用在這個地方。 （2） 我們平常在實驗室里做實驗的時候，一般都是蜂鳴器報警模塊。因為蜂鳴器個頭會比較小在使用的時候比較方便，從應用的角度上來說它能很到的滿足系統(tǒng)的需求，實現(xiàn)精確報警。所以不論從成本上來說，還是在整個功能的實現(xiàn)上來講，都可以選用它來做報警提示。 2.1.5坐姿檢測模塊 在檢測使用者的坐姿是否正確方面，有以下兩種方案 （1） 可以用紅外熱釋光傳感器，在使用者用

11、正確的坐姿開始學習的時候，打開視力保護器裝置，它只要檢測到在我們學習的過程中只要坐姿一發(fā)生變動，就會有高到低的電信號輸出。雖然它的靈敏度非常高，但不適合用于本次設計，因為如果采用它的話，人只要有輕微移動時，系統(tǒng)也會報警，假警報很多情況，因為每個人在學習的時候不可能是一動不動的，所以它不適合用在這里。 （2）在這個設計中主要測量人臉與桌面之間的間隔來確定座位位置，可以使用超聲波傳感器。它在使用的時候操作簡單，安裝又方便，只要把對應的引腳放在對應的位置就可以了，它可以很好的實現(xiàn)系統(tǒng)功能，在人的臉部與桌面小于50cm的時候提醒使用者，所以我選用了它。 2.1.6顯示模塊 （1）前面談到幾個參數(shù)

12、的檢測，單單的檢測是沒有用的，還的把相關(guān)的數(shù)值顯示出來，在整個數(shù)值的顯示上，無非就是用數(shù)字管顯示，或者是顯示屏。數(shù)字管顯示的速度雖然快，但是它顯示效果簡單，不能表達良好的人機界面，所以我們放棄使用數(shù)字管顯示。 （2）在數(shù)值的顯示的這一方面，我選的是用LCD1602液晶顯示器來完成。LCD1602它顯示清晰，在超聲波檢測出的距離，以及光照的強度數(shù)值，學習的時間數(shù)值，都可以在上面看到，讓我們一目了然。并且人機界面需要友好，所以我們選擇了這個方案。 2.2最終方案 經(jīng)過一系列的調(diào)試和仿真論證，我們最終確定了如下方案： 1、 電源采用家里常用的5號電池 2、采用STC89C52單片機作為

13、主控制器。 3、用光敏電阻檢測光照強度。 4、用超聲波傳感器檢測坐姿。 5、用LCD1602液晶顯示。 6、用蜂鳴器提醒。 3、硬件實現(xiàn)及單元電路設計 3.1主控制模塊 主控制最小系統(tǒng)電路如圖2所示 3.2電源電路設計 我根據(jù)設計要求在多方面思考后，決定用下面這種電源供電方法。原理電路如圖3 3.3蜂鳴器驅(qū)動電路 蜂鳴器采用三極管驅(qū)動，驅(qū)動原理圖如圖4。 3.4按鍵電路 本在這個設計中我們選用的參數(shù)設定方式是用4個按鍵來完成所需要的參數(shù)設定，以及光照強度報警值參數(shù)的設定。電路如

14、圖5 3.5光照強度檢測電路 在本設計中用的是光敏電阻來檢測所處學習環(huán)境的亮度值。電路如圖6所示 3.6液晶顯示模塊 整個數(shù)值的顯示上用的是LCD1602液晶屏來顯示，顯示電路如圖7 4、系統(tǒng)軟件設計方案 在設計好硬件電路的框架設計好以后，就要解決編程方面的問題了。我按照自己平常做實驗時的編程想法，大致思路就是先確定好主程序，把主函數(shù)寫好以后，根據(jù)每個硬件電路功能來設計子程序模塊，編寫子程序。最后在把子程序與主程序相結(jié)合，這樣編程的話不會讓自己很亂，由

15、于子程序模塊與硬件電路是對應好的，所以在調(diào)試的時候如果有什么問題的話檢查起來也比較方便。程序框圖如圖8所示。 4.1系統(tǒng)主程序流程圖 如圖9所示為系統(tǒng)坐姿檢測超聲波測量人的臉部與課桌時的主程序流程圖。 系統(tǒng)初始化 開始 發(fā)送超聲波脈沖 等待發(fā)射超聲波 計算避障 顯示結(jié)果 圖9 超聲波測距子程序流程圖 5、系統(tǒng)的安裝與調(diào)試 5.1 安裝步驟 1.檢查元件的好壞 欲先善其事，必先利其器，想要做好一件事情，規(guī)劃非常的重要，來不得半點馬虎，在事情的準備過程中要萬分仔細，良好的開端是成功的一半。所以

16、我在設計好電路圖以后，仔細檢查了所買的電子元件是否符合自己設計要求的標準，查看電容、電阻等電子元器件的規(guī)格和參數(shù)是否符合自己的需要，檢查焊錫、電烙鐵、松香焊料等，是否都準備妥當，防止焊接的時候東找西忙。 2.放置、裝配焊接各元件 在焊接這個過程當中，必須的萬分小心。因為在焊接的時候只要有一個電子元件焊錯的時候，基本上整個元件電路就會出錯，影響整個電路結(jié)果，更重要的是得不到你原先設計的系統(tǒng)要求。所以在焊接的時候，為了防止出錯不能憑大腦中的電路記憶圖來焊接。每一個元件都的按照所設計打印出來的原理圖焊接，將相應的元件在放在對應的位置上。還有一點值得注意的是，在焊接的過程中要注意一些比較脆

17、弱的元件，防止它因溫度過高而燒壞。先焊接比較容易的地方，再焊接精度高的位置，還需防止虛焊，漏焊等問題。 5.2 電路的調(diào)試 大家都知道現(xiàn)在的電子元件都是做好的，不需要花費太多的時間再去設計，所以在題目定好以后，自己設計基本原理圖，用pcb畫好圖后，就可以在網(wǎng)上聯(lián)系廠家制作你所畫的電路板，在這個過程中，要注意一般的廠家都不會制作單塊板。一般都是10塊以上，也為了防止自己在后面焊板的過程中，把電路焊錯掉，能有其他的來代替，不至于又要重新聯(lián)系廠家，花更多的時間再這上面。在板的運用這個方面，需要注意的是，不能用洞洞板來當做設計板。雖然可以實現(xiàn)功能，但是比較容易虛焊也不美觀，每個老師的要求不同，在這

18、方面我們要根據(jù)老師要求來走。綜合多方面來講，在制版的時候應該準備多些電路板。在pcb敷銅板、電子元件、等焊接工具都準備好后，就可以對著所設計的原理圖開始焊接了。焊接的時候要注意小心不能大意馬虎，要一個個元件焊好才可以開始下一步驟。整個設計過程中路調(diào)試這個過程會比較的繁瑣，我們應該不厭其煩的反復調(diào)試直到達到我們的設計要求，堅持不懈的調(diào)試，電路調(diào)試的時候，因為還在學校，剛好就可以利用上學校的資源。我都是在綜合實驗樓的5樓單片機實驗室里進行調(diào)試，跟老師申請一下就可以了，這里設備也比較齊全。在進行調(diào)試之前，把作品帶過去以后，再把已經(jīng)編寫好的程序，燒寫到仿真軟件里就好了，在這個點上要充分注意到，程序的編

19、譯千萬不能出錯，最害怕的也就是這個了。有次調(diào)試的時候，就因為燒寫程序的時候，漏掉了一個分號，導致程序編譯出錯，因而之后的步驟就無法進行，更不要說都到仿真結(jié)果了，我將系統(tǒng)程序燒寫到調(diào)試仿真軟件，編譯運行成功后查看結(jié)果是否符合設計要求。在明顯示系統(tǒng)程序內(nèi)容正確時，然后加入超聲測距程序，調(diào)整超聲靈敏度，達到理想的效果。因為先確定系統(tǒng)程序沒出錯以后，才能進行子程序的編譯，這樣做的目的是在程序出錯的時候，不至于在大篇幅的程序中找錯，為難自己。在調(diào)試程序中，一些指令被發(fā)現(xiàn)是錯誤的，導致電路功能無法完全實現(xiàn)，除了軟件程序外，有些延遲太長，有些太短。只有在不斷的調(diào)試過程中我們才能總結(jié)出問題出在哪里，不斷的解決

20、問題，達到我們的設計要求。換個方面來講，不管是在平常做實驗的時候，還是現(xiàn)在做畢業(yè)設計，有問題的存在是很正常的，每次遇到問題，只要我們不逃避它，慢慢的總會解決的，只有不斷的遇到問題，解決問題我們才能進步。所以我們在這個電路調(diào)試過程中再怎么仔細也不為過。 結(jié)論 本次課題的設計在總體上實現(xiàn)了視力保護器的多功能報警，分別在使用者臉部與課本之間的間隔小于50cm，關(guān)照亮度過強或者過低，學習時間超過45min的時候會有蜂鳴器報警提醒，讓使用者在正確的環(huán)境下，保持良好的坐姿學習，避免因不好的習慣而導致近視。 本文創(chuàng)新點： 從設計的出發(fā)點還看這一立意還是比較新穎的，把單片機的知識在我

21、們?nèi)粘Ｉ钪械玫搅藨茫颜n堂上的東西運用到了生活實際上面，利用光敏電阻電路來檢測學習時候的亮度，用超聲波傳感的技術(shù)來幫助改善學生不良坐姿，矯正視力。從很大的程度上，保護了使用者的視力。應用的前景也非常好。 時間總猶如指間沙，悄然而過，流走了青春年華。大學四年時間一晃而過，我們終將離開象牙塔步入社會這個大熔爐，這一過程中我們應當無所畏懼。在面臨畢業(yè)的時候，我知道以后的日子，不可能會一馬平川，肯定會有風風雨雨，但是陽光肯定是最的。就像在這次畢業(yè)設計一樣，問題肯定會有的，不過不懂得地方，問同學，請教老師，都能解決的。我堅信無論在日后的生活過程中，無論遇到什么問題，只要認定目標加上完整的規(guī)劃，本著

22、一顆執(zhí)著的赤子之心，無懼走出象牙塔。就想這次畢設一樣，是的，沒錯，許多事情都不會一帆風順，總會出現(xiàn)一些小插曲，不盡人意。當是我們也不應該放棄，因為你從來都不是一個人，在校園里，有老師指導你，同學幫助你，走出象牙塔以后，有家人愛著你，朋友關(guān)心你。就好比在這次做畢設的時候從指導老師一確定的時候，他就一直在幫助著我們，不管是在課題立意的時候，還是在設計硬件電路的時候，以及在調(diào)試出現(xiàn)錯誤的時候，老師總是耐心的教導著我們，一直默默的為我們付出，在寫論文的時候老師也是不厭其煩的給組里每一同學講如何立意以及論文的格式。指導老師每天不但要給學弟學妹們上課，還的抽出休息時間來給我們講畢業(yè)設計的各種問題。每一個同學都一一講過去，還教我們各種注意的事情。在各種方面都給了我們很多指導，做了我們的好榜樣，是我們的模板，傳授給我們很多經(jīng)驗。三尺講臺，奉獻一生。真的很感謝你們，你們是人類靈魂的工程師，在臨近畢業(yè)的時候，我們就要離開校園，可能以后碰面的機會比較少，但無論以后我們走向何方，你們的教導會跟隨我們一生，教我們做人做事的道理會永遠伴隨著我們，你們的教導將永遠會留在我心中。 22