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鑒于單片機(jī)芯片的智能處理功能本設(shè)計采用理論計算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法相結(jié)合的以單片機(jī)芯片為核心的主體電路。首先是對各單元電路進(jìn)行設(shè)計，并選擇合適的元器件。在選擇元器件時，要注意所選芯片的性價比，對于電阻、電容等常用元件要先進(jìn)行參數(shù)計算后再選擇。其次是設(shè)計整個電路，并在計算機(jī)上對各單元電路進(jìn)行相應(yīng)功能的調(diào)試仿真！其中單片機(jī)芯片選用較為普遍的STC89C52，坐姿傳感器選用超聲波傳感器，光線報警選用光敏電阻來實(shí)現(xiàn)，報警發(fā)聲蜂鳴器發(fā)聲硬件電路。本次畢業(yè)設(shè)計的研究內(nèi)容是設(shè)計一個多功能視力保護(hù)器。它具備以下功能： - 當(dāng)使用者臉部與桌面之間的距離小于30CM時,電路將發(fā)出聲音提示；
- 當(dāng)讀寫環(huán)境光線照度不足時,電路將發(fā)出聲音提示；
- 當(dāng)使用時間達(dá)到45分鐘時,電路自動發(fā)出聲音提示,提醒使用者注意休息；
- 電路測光報警的靈敏度可調(diào)；
5．電路可靠,設(shè)計小巧省電，并且能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能。 真正幫助學(xué)生做到國家教委規(guī)定：學(xué)生在讀寫時，應(yīng)在一定亮度下，眼睛距離讀物一尺，身體距離書桌一拳，時間不超過45分鐘。 第二章 智能視力保護(hù)器總系統(tǒng)設(shè)計 2.1 系統(tǒng)總框圖 系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為多功能視力保護(hù)器的核心控制單元,本系統(tǒng)通過光敏電阻采集光線信號，通過AD采集光線信號的強(qiáng)弱，把光線強(qiáng)度等級化，通過設(shè)定報警等級來確定光照不足時報警。利用超聲波測距傳感器測出人臉部與桌面的距離，當(dāng)小于30CM時發(fā)出報警聲提醒。通過單片機(jī)內(nèi)部定時器計時，當(dāng)使用達(dá)到45分鐘時電路自動發(fā)出聲音提示,提醒使用者注意休息。系統(tǒng)采用的提示電路由三極管驅(qū)動蜂鳴器組成。系統(tǒng)總體的設(shè)計方框圖如圖1所示。
2.2 單片機(jī)的選擇 從控制系統(tǒng)的大小和復(fù)雜度出發(fā)，必須考慮單片機(jī)的基本參數(shù)和增強(qiáng)功能。前者往往需要考慮芯片的速度，ROM容量，I/O引腳數(shù)量和工作電壓(1.8V/3V/5V)等，后者則包括是否擁有看門狗，雙指針，雙串口，實(shí)時時鐘，CAN接口，SPI接口，USB接口等附加模塊。本設(shè)計中受控對象只有超聲波、聲光報警，復(fù)雜度低，采用低端的通用的單片機(jī)芯片就能夠滿足要求。從容易學(xué)習(xí)掌握的角度出發(fā)，要求所選單片機(jī)支持簡單易學(xué)的編程語言，并且擁有軟件支持的良好編程環(huán)境。同時還應(yīng)當(dāng)有豐富的資料支持，包括詳盡的芯片說明書，應(yīng)用指南，設(shè)計方案，范例程序等。 從工作可靠性的角度出發(fā)，要求所選芯片有較寬工作溫度范圍，較低的功耗和一定的抗干擾能力。按適用的工作溫度分，常用單片機(jī)芯片可分為商用級、工業(yè)級、軍品級，這里選擇一般的商用機(jī)即可。在功耗和抗干擾方面，本控制系統(tǒng)的要求都不高，一般的單片機(jī)芯片都能滿足要求。綜上所述，本系統(tǒng)選擇STC89C51單片機(jī)作為主控芯片。足夠本設(shè)計運(yùn)行，且價格便宜，下載程序方便。 2.3 傳感器的選擇 在測距模塊中，常用超聲波測距，它的原理是利用超聲波的發(fā)射與接收，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實(shí)用的測距方法有兩種，一種是在被測距的兩端，一端發(fā)射，另一端接受的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體發(fā)射回來后接收的反射波方式，適用與測距儀。本設(shè)計主要是測距要選用得體，要準(zhǔn)確無誤，通過查閱資料感覺利用超聲波測距的設(shè)計較多，但是穩(wěn)定性不是很好，所以決定采用光電式測距傳感器，主要應(yīng)用在生產(chǎn)加工等精密場合，穩(wěn)定性極高。所以本設(shè)計選用光電式紅外測距傳感器。在感光模塊中，采用光敏電阻與LM393構(gòu)成的電壓比較器來構(gòu)成感光模塊的主要部分。通過對電壓的采集，來實(shí)現(xiàn)智能化。 2.4 編程語言的選擇 對于指令系統(tǒng)兼容MCS51系列的單片機(jī)，其較為常用的編程語言有C和匯編語言。C語言是一種結(jié)構(gòu)化編程語言，可產(chǎn)生壓縮代碼。C語言在硬件結(jié)構(gòu)上僅要求對單片機(jī)存儲器等硬件結(jié)構(gòu)有初步了解，寄存器分配，不同存儲器尋址及數(shù)據(jù)類型等細(xì)節(jié)可由編譯器管理。C語言程序本身并不依賴于機(jī)器硬件系統(tǒng)，基本上不做修改就可以在不同種類的單片機(jī)之間相互移植。程序可劃分為不同函數(shù)，結(jié)構(gòu)規(guī)范，可讀性強(qiáng)。C語言提供的庫包含許多標(biāo)準(zhǔn)子程序，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。C語言作為一種方便、容易掌握的語言得到了廣泛的應(yīng)用，是目前單片機(jī)編程中應(yīng)用最多的語言之一。匯編語言同樣在單片機(jī)編程中得到了廣泛的應(yīng)用，其具有簡單實(shí)用，控制靈活，實(shí)時性強(qiáng)，程序效率高等特點(diǎn)。匯編語言有著極強(qiáng)的硬件控制能力，用其它的高級語言所無法控制的軟硬件細(xì)節(jié)，在匯編語言中都可以實(shí)現(xiàn)，但是編程復(fù)雜。綜合考慮，軟件的設(shè)計語言選擇C語言。
第三章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 3.1主控制模塊 主控制最小系統(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 供電電源采用7805穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓成5V給傳感器，單片機(jī)供電。電路如圖3 圖3 電源電路 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。 蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。 ；蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。蜂鳴器在電路中用字母“H”或“HA”（舊標(biāo)準(zhǔn)用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。1．壓電式蜂鳴器 壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。 多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成。當(dāng)接通電源后（1.5~15V直流工作電壓）,多諧振蕩器起振,輸出1.5~2.5kHZ的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)聲。 壓電蜂鳴片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成。在陶瓷片的兩面鍍上銀電極，經(jīng)極化和老化處理后，再與黃銅片或不銹鋼片粘在一起。 電磁式蜂鳴器 電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。 接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互纏繞
蜂鳴器驅(qū)動電路一般都包含以下幾個部分：一個三極管、一個蜂鳴器、一個限流電阻。 蜂鳴器為發(fā)聲元件，在其兩端施加直流電壓（有源蜂鳴器）或者方波（無源蜂鳴器）就可以發(fā)聲，其主要參數(shù)是外形尺寸、發(fā)聲方向、工作電壓、工作頻率、工作電流、驅(qū)動方式（直流/方波）等。這些都可以根據(jù)需要來選擇。本設(shè)計采用有源蜂鳴器。 三極管Q1起開關(guān)作用，其基極的低電平使三極管飽和導(dǎo)通，使蜂鳴器發(fā)聲；而基極高電平則使三極管關(guān)閉，蜂鳴器停止發(fā)聲。
圖4 L298N引腳圖
3.4按鍵電路 系統(tǒng)采用4個按鍵來設(shè)定參數(shù)，和設(shè)定光照強(qiáng)度報警值。電路如圖5 在用單片機(jī)對鍵盤處理的時候涉及到了一個重要的過程，那就是鍵盤的去抖動。這里說的抖動是機(jī)械的抖動，是當(dāng)鍵盤在未按到按下的臨界區(qū)產(chǎn)生的電平不穩(wěn)定正�，F(xiàn)象，并不是我們在按鍵時通過注意可以避免的。這種抖動一般10~200毫秒之間，這種不穩(wěn)定電平的抖動時間對于人來說太快了，而對于時鐘是微秒的單片機(jī)而言則是慢長的。硬件去抖動就是用部分電路對抖動部分加之處理，軟件去抖動不是去掉抖動，而是避抖動部分的時間，等鍵盤穩(wěn)定了再對其處理。所以這里選擇了軟件去抖動，實(shí)現(xiàn)法是先查尋按鍵當(dāng)有低電平出現(xiàn)時立即延時10~200毫秒以避開抖動（經(jīng)典值為20毫秒），延時結(jié)束后再讀一次I/O 口的值，這一次的值如果為1 表示低電平的時間不到10~200 毫秒，視為干擾信號。當(dāng)讀出的值是0時則表示有按鍵按下，調(diào)用相應(yīng)的處理程序 圖5 按鍵電路 3.5光照強(qiáng)度檢測電路 光照強(qiáng)度檢測采用光敏電阻，當(dāng)光線發(fā)生變化時，光敏電阻的阻值也就不同，然后分得的電壓也不同。經(jīng)過AD采集后就可以得到各種光照強(qiáng)度下的電壓值。從而設(shè)定出理想的光線強(qiáng)度報警值。電路如圖6所示 圖6 光照采集電路 3.5.1光敏電阻的工作原理 光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到一定波長的光線照射時，電流就會隨光強(qiáng)的增大而變大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也加交流電壓。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。 3.5.2結(jié)構(gòu)原理 光敏電阻是用硫化隔或硒化隔等半導(dǎo)體材料制成的特殊電阻器，表面還涂有防潮樹脂，具有光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)，即在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻。為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。當(dāng)光敏電阻受到光照時，價帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子，同時產(chǎn)生空穴，電子—空穴對的出現(xiàn)使電阻率變小。光照愈強(qiáng)，光生電子—空穴對就越多，阻值就愈低。當(dāng)光敏電阻兩端加上電壓后，流過光敏電阻的電流隨光照增大而增大。入射光消失，電子—空穴對逐漸復(fù)合，電阻也逐漸恢復(fù)原值，電流也逐漸減小。 [1] 光敏電阻對光線十分敏感，其在無光照時，呈高阻狀態(tài)，暗電阻一般可達(dá)1.5MΩ。當(dāng)有光照時，材料中激發(fā)出自由電子和空穴，其電阻值減小，隨著光照強(qiáng)度的升高，電阻值迅速降低，亮電阻值可小至1KΩ以下。 光敏電阻器的光照特性在大多數(shù)情況下是非線性的，只有在微小的范圍內(nèi)呈線性，光敏電阻器的電阻值有較大的離散性（電阻變化、范圍大無規(guī)律）。 [1] 光敏電阻器的靈敏度是指光敏電阻器不受到光照是的電阻值（暗阻）和受到光照時電阻值（亮阻）的相對變化值。光敏電阻的暗阻和亮阻間阻值之比約為1500：1，暗阻值越大越好，使用時給其施加直流或交流偏壓，MG型光敏電阻器適用于可見光。其主要用于各種自動控制電路、光電計數(shù)、光電跟蹤、光控電燈、照相機(jī)的自動暴光及彩色電視機(jī)的亮度自動控制電路等場合。 3.5.3應(yīng)用 概述：光敏電阻屬半導(dǎo)體光敏器件，除具靈敏度高，反應(yīng)速度快，光譜特性及r值一致性好等特點(diǎn)外，在高溫，多濕的惡劣環(huán)境下，還能保持高度的穩(wěn)定性和可靠性，可廣泛應(yīng)用于照相機(jī)，太陽能庭院燈，草坪燈，驗(yàn)鈔機(jī)，石英鐘，音樂杯，禮品盒，迷你小夜燈，光聲控開關(guān)，路燈自動開關(guān)以及各種光控玩具，光控?zé)麸�，燈具等光自動開關(guān)控制領(lǐng)域。下面給出幾個典型應(yīng)用電路。 調(diào)光電路 圖(1)是一種典型的光控調(diào)光電路，其工作原理是：當(dāng)周圍光線變?nèi)鯐r引起光敏電阻的阻值增加，使加在電容C上的分壓上升，進(jìn)而使可控硅的導(dǎo)通角增大，達(dá)到增大照明燈兩端電壓的目的。反之，若周圍的光線  圖(1) 變亮，則RG的阻值下降，導(dǎo)致可控硅的導(dǎo)通角變小，照明燈兩端電壓也同時下降，使燈光變暗，從而實(shí)現(xiàn)對燈光照度的控制。 上述電路中整流橋給出的是必須是直流脈動電壓，不能將其用電容濾波變成平滑直流電壓，又可使電容C的充電在每個半周從零開始，準(zhǔn)確完成對可控硅的同步移相觸發(fā)。 光控開關(guān)  圖(2) 以光敏電阻為核心元件的帶繼電器控制輸出的光控開關(guān)電路有許多形式，如自鎖亮激發(fā)、暗激發(fā)及精密亮激發(fā)、暗激發(fā)等等，下面給出幾種典型電路。圖(2)是一種簡單的暗激發(fā)繼電器開關(guān)電路。其工作原理是：當(dāng)照度下降到設(shè)置值時由于光敏電阻阻值上升激發(fā)VT1導(dǎo)通，VT2的激勵電流使繼電器工作，常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開，實(shí)現(xiàn)對外電路的控制。  圖(3) 圖(3)是一種精密的暗激發(fā)時滯繼電器開關(guān)電路。其工作原理是：當(dāng)照度下降到設(shè)置值時由于光敏電阻阻值上升使運(yùn)放IC的反相端電位升高，其輸出激發(fā)VT導(dǎo)通，VT的激勵電流使繼電器工作，常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開，實(shí)現(xiàn)對外電路的控制。 3.5.4優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) ①在強(qiáng)光照射下光電轉(zhuǎn)換線性較差;②光電馳豫過程較長,何為光電導(dǎo)的馳豫現(xiàn)象?即光照后,半導(dǎo)體的光電導(dǎo)隨光照時間逐漸上升,經(jīng)一段時間到達(dá)定態(tài)值。光照停止后,光電導(dǎo)逐漸下降;③頻率響應(yīng)(器件檢測變化很快的光信號的能力)很低。 內(nèi)部的光電效應(yīng)和電極無關(guān)（光電二極管才有關(guān)），即可以使用直流電源 靈敏度和半導(dǎo)體材料、以及入射光的波長有關(guān)。 環(huán)氧樹脂膠封裝 (Coated with epoxy) 可靠性好 (Good reliability) 體積小 (Small volume) 靈敏度高 (High sensitivity) 反應(yīng)速度快 (Quick response) 光譜特性好 (Good spectrum characteristic) 缺點(diǎn) ①在強(qiáng)光照射下光電轉(zhuǎn)換線性較差;②光電馳豫過程較長,何為光電導(dǎo)的馳豫現(xiàn)象?即光照后,半導(dǎo)體的光電導(dǎo)隨光照時間逐漸上升,經(jīng)一段時間到達(dá)定態(tài)值。光照停止后,光電導(dǎo)逐漸下降;③頻率響應(yīng)(器件檢測變化很快的光信號的能力)很低。 受溫度影響較大，響應(yīng)速度不快，在ms到s之間，延遲時間受入射光的光照度影響（光電二極管無此缺點(diǎn)，光電二極管靈敏度比光敏電阻高），是耗材。 3.5.5分類 一、按半導(dǎo)體材料分：本征型光敏電阻、摻雜型光敏電阻。后者性能穩(wěn)定，特性較好，故大都采用它。
二、根據(jù)光敏電阻的光譜特性，可分為三種光敏電阻器：
1、紫外光敏電阻器：對紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測紫外線。
2、紅外光敏電阻器：主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、天文探測、非接觸測量、人體病變探測、紅外光譜，紅外通信等國防、科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。
3、可見光光敏電阻器：包括硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等。主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動開關(guān)門戶，航標(biāo)燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動亮滅，自動給水和自動停水裝置，機(jī)械上的自動保護(hù)裝置和“位置檢測器”，極薄零件的厚度檢測器，照相機(jī)自動曝光裝置，光電計數(shù)器，煙霧報警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方面。 3.5.6光敏電阻的檢測 （1）用一黑紙片將光敏電阻的透光窗口遮住，此 時萬用表的指針基本保持不變，阻值接近無窮選擇 大。此值越大說明光敏電阻性能越好；若此值很小或 接近為零，說明光敏電阻損壞，不能使用。 （2）將一光源對準(zhǔn)光敏電阻的透光窗口，此時萬 用表的指針應(yīng)有較大幅度的向右擺動，阻值明顯減 小，此值越小說明光敏電阻性能越好。若此值很大甚 至無窮大，說明光敏電阻內(nèi)部開路損壞，不能使用。 （3）將光敏電阻透光窗口對準(zhǔn)入射光線，用小黑 紙片在光敏電阻的遮光窗上部晃動，使其間斷受光， 此時，萬用表指針應(yīng)隨黑紙片的晃動而左右擺動，如 果萬用表指針始終停在某一位置，不隨紙片晃動而 擺動，說明光敏電阻損壞。 3.5.7選用原則 硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高 的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值 在可見光區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時，應(yīng)把光敏 電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得 滿意的效果。
3.6液晶顯示模塊 顯示采用LCD1602液晶顯示，顯示電路如圖7 1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別，兩者尺寸差別如下圖10所示： 
圖10 1602LCD尺寸圖 3.6.1 LCD1602主要技術(shù)參數(shù)： 顯示容量:16×2個字符 芯片工作電壓:4.5—5.5V 工作電流:2.0mA(5.0V) 模塊最佳工作電壓:5.0V 字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm 3.6.2 引腳功能說明 1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表3所示: 編號 | 符號 | 引腳說明 | 編號 | 符號 | 引腳說明 | 1 | VSS | 電源地 | 9 | D2 | 數(shù)據(jù) | 2 | VDD | 電源正極 | 10 | D3 | 數(shù)據(jù) | 3 | VL | 液晶顯示偏壓 | 11 | D4 | 數(shù)據(jù) | 4 | RS | 數(shù)據(jù)/命令選擇 | 12 | D5 | 數(shù)據(jù) | 5 | R/W | 讀/寫選擇 | 13 | D6 | 數(shù)據(jù) | 6 | E | 使能信號 | 14 | D7 | 數(shù)據(jù) | 7 | D0 | 數(shù)據(jù) | 15 | BLA | 背光源正極 | 8 | D1 | 數(shù)據(jù) | 16 | BLK | 背光源負(fù)極 |
表3 液晶引腳接口說明表 第1腳：VSS為地電源。 第2腳：VDD接5V正電源。 第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。 第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。 第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。 第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。 第15腳：背光源正極。 第16腳：背光源負(fù)極。
圖7 數(shù)碼管顯示 3.7超聲波坐姿測距模塊 超聲波模塊采用現(xiàn)成的HC-RS04超聲波模塊，該模塊可提供 2cm-400cm 的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)高到 3mm。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。 基本工作原理：采用 IO 口 TRIG 觸發(fā)測距，給至少 10us 的高電平信號;模塊自動發(fā)送 8 個 40khz 的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過 IO 口 ECHO 輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S))/2。實(shí)物如下圖10。其中VCC 供5V 電源，GND 為地線，TRIG 觸發(fā)控制信號輸入，ECHO 回響信號輸出等四支線。 圖8 超聲波模塊實(shí)物
3.7.1超聲波的基本特性 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，其頻率超過20KHz，分橫向振蕩和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。它有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過程中有衰減。 超聲波的基本特性如下所述： 波的傳播速度是用頻率乘以波長來表示。電磁波的傳播速度是3×108m/s，而聲波在空氣中的傳播速度很慢，約為344m/s (20℃時)。在這種比較低的傳播速度下，波長很短，這就意味著可以獲得較高的距離和方向分辨率。正是由于這種較高的分辨率特性，才使我們有可能在進(jìn)行測量時獲得很高的精確度。 要探測某個物體是否存在，超聲波就能夠在該物體上得到反射。由于金屬、木材、混凝土、玻璃、橡膠和紙等可以反射近乎100％的超聲波，因此我們可以很容易地發(fā)現(xiàn)這些物體。由于布、棉花、絨毛等可以吸收超聲波，因此很難利用超聲波探測到它們。同時，由于不規(guī)則反射，通�？赡芎茈y探測到凹凸表面以及斜坡表面的物體，這些因素決定了超聲波的理想測試環(huán)境是在空曠的場所，并且測試物體必須反射超聲波。 聲波傳播的速度“c”可以用下列公式表示。c=331.5+0.607t (m/s) 式中，t=溫度 (℃)也就是說，聲音傳播速度隨周圍溫度的變化而有所不同。因此，要精確的測量與某個物體之間的距離時，始終檢查周圍溫度是十分必要的，尤其冬季室內(nèi)外溫差較大，對超聲波測距的精度影響很大，此時可用18B20作溫度補(bǔ)償來減小溫度變化所帶來的測量誤差，考慮到本設(shè)計的測試環(huán)境是在室內(nèi)，而且超聲波主要是用于實(shí)現(xiàn)避障功能，對測量精度要求不高，所以關(guān)于溫度效應(yīng)對系統(tǒng)的影響問題在這里不做深入的探討。 4. 衰減 傳播到空氣中的超聲波強(qiáng)度隨距離的變化成比例地減弱，這是因?yàn)檠苌洮F(xiàn)象所導(dǎo)致的在球形表面上的擴(kuò)散損失，也是因?yàn)榻橘|(zhì)吸收能量產(chǎn)生的吸收損失。如圖9所示，超聲波的頻率越高，衰減率就越高，超聲波的傳播距離也就越短，由此可見超聲波的衰減特性直接影響了超聲波傳感器有效距離。HC-RS04型超聲波傳感器的震蕩頻率為40KHz，傳播10米超聲波信號強(qiáng)度便衰減到40個聲壓級，此時超聲波接收探頭就很難接收到回波信號。 圖9 聲壓在不同距離下的衰減特性 3.7.2超聲波的電器特性 1．聲壓特性 聲壓級 (S.P.L.) 是表示音量的單位，利用下列公式予以表示。 S.P.L.= 20logP/Pre (dB)式中,“P”為有效聲壓 (μbar)，“Pre”為參考聲壓 (2×10-4μbar)如圖10所示為幾種常用超聲波傳感器的聲壓圖。
圖10 超聲波傳感器的聲壓圖
2．靈敏度特性 靈敏度是表示聲音接收級的單位，使用下列公式予以表示。 靈敏度= 20log E/P (dB)式中,“E”為所產(chǎn)生的電壓 (Vrms)，“P”為輸入聲壓(μbar)。超聲波傳感器的靈敏度直接影響著系統(tǒng)測距范圍，如圖12所示為幾種中常見超聲波傳感器的靈敏度圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)40KHz時傳感器的聲壓級最高，也就是說40KHz時所對應(yīng)的靈敏度最高。 圖12 超聲波傳感器靈敏度示意圖 3．輻射特性 把超聲波傳感器安裝在臺面上。然后，測量角度與聲壓 (靈敏度) 之間的關(guān)系。為了準(zhǔn)確地表達(dá)輻射，與前部相對比，聲壓 (靈敏度) 級衰減6dB的角度被稱為半衰減角度，用θ1/2表示。超聲波設(shè)備的外表面尺寸較小易于獲得精確的輻射角度。如圖13所示為幾種常見超聲波傳感器的輻射特性示意圖。 圖13 超聲波傳感器輻射特性示意圖
分析以上研究結(jié)果不難看出超聲波傳感器工作在40KHz范圍內(nèi)具有最大的聲壓級和最高的靈敏度，這為設(shè)計中選擇合適的超聲波傳感器指明了方向。 3.7.3超聲波的工作原理 市面上常見的超聲波傳感器多為開放型，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖14所示，一個復(fù)合式振動器被靈活地固定在底座上。該復(fù)合式振動器是由諧振器以及一個金屬片和一個壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動器。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動而產(chǎn)生的超聲波，并且可以有效地使超聲波聚集在振動器的中央部位。 當(dāng)電壓作用于壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機(jī)械變形。另一方面，當(dāng)振動壓電陶瓷時，則會產(chǎn)生一個電荷。利用這一原理，當(dāng)給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金屬片構(gòu)成的振動器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個電信號時，就會因彎曲振動發(fā)射出超聲波。相反，當(dāng)向雙壓電晶片元件施加超聲振動時，就會產(chǎn)生一個電信號。
圖14 超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
圖15 避障原理
如圖15所示，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即： s=340t/2 就是所謂的時間差測距法 3.8定時報警電路 報警電路分為單片機(jī)控制電路和報警發(fā)聲電路。它主要通過單片機(jī)的定時計數(shù)功能完成定時45分鐘并使報警電路發(fā)出報警聲，用以提醒學(xué)生休息！ 89c52單片機(jī)內(nèi)有兩個可編程的定時器/計數(shù)器，滿足諸如對外部脈沖進(jìn)行記數(shù)，產(chǎn)生精確的定時時間，作串行口的波特發(fā)生器等功能的需要。它們具有兩種工作模式(計數(shù)器模式和定時器模式)及4種工作方式(方式0，方式1，方式2，方式3)。其控制字均在相應(yīng)的特殊功能寄存器中，通過對它的特殊功能寄存器的編制，可以方便的選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ胶凸ぷ鞣绞健?/div> 當(dāng)定時器/計數(shù)器為定時工作方式時，計數(shù)器的加1信號由振蕩器的12分頻信號產(chǎn)生，即每過一個機(jī)器周期，計數(shù)器加1，直至計數(shù)滿溢出為止。顯然，定時器的定時時間與系統(tǒng)的振蕩頻率有關(guān)。因一個機(jī)器周期等于12個振蕩周期，所以計數(shù)頻率fcount=1/12osc。如果晶振為12MHz，則計數(shù)周期為： T=1/（12×106）Hz×1/12=1μs 這是最短的定時周期。若要延長定時時間，則需要改變定時器的初值，并要適當(dāng)選擇定時器的長度(如8位、13位、16位等)。 當(dāng)定時器/計數(shù)器為計數(shù)工作方式時，通過引腳T0和T1對外部信號計數(shù)，外部脈沖的下降沿將觸發(fā)計數(shù)。計數(shù)器在每個機(jī)器周期的S5P2期間采樣引腳輸入電平。若一個機(jī)器周期采樣值為1，下一個機(jī)器周期采樣值為0，則計數(shù)器加1。此后的機(jī)器周期S3P1期間，新的計數(shù)值裝入計數(shù)器。所以檢測一個由1至0的跳變需要兩個機(jī)器周期，故外部事年的最高計數(shù)頻率為振蕩頻率的1/24。例如，如果選用12MHz晶振，則最高計數(shù)頻率為0.5MHz。雖然對外部輸入信號的占空比無特殊要求，但為了確保某給定電平在變化前至少被采樣一次，外部計數(shù)脈沖的高電平與低電平保持時間均需在一個機(jī)器周期以上。工作方式控制寄存器TMOD用于控制定時器/計數(shù)器的工作模式及工作方式，它的字節(jié)地址為89H。定時器/計數(shù)器的兩個作用是用來精確的模擬一段時間間隔(作定時器用)或累計外部輸入的脈沖個數(shù)(作計數(shù)器用)。當(dāng)作定時器用時，在其輸入端輸入周期固定的脈沖個數(shù)，即可計算出所定時間的長度。當(dāng)89c52內(nèi)部的定時器/計數(shù)器被選定為定時器工作模式時，記數(shù)輸入信號是內(nèi)部時鐘脈沖，每個機(jī)器周期產(chǎn)生一個脈沖使計數(shù)器增1，因此，定時器/計數(shù)器的輸入脈沖和機(jī)器周期一樣，為時鐘頻率的1/12。本設(shè)計采用的時鐘周期為6MHz，記數(shù)速度為500KHz，輸入脈沖的時間間隔為0.5秒。 第四章 系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計 4.1系統(tǒng)主程序流程圖 該方案的編程思路是先確定主程序，之后根據(jù)各硬件電路功能來設(shè)計子程序模塊，最后再將各模塊嵌入主程序中。這樣編程結(jié)構(gòu)簡單，由于子程序模塊與硬件電路一一對應(yīng)，所以調(diào)試起來十分方便。本設(shè)計軟件方框圖如圖18所示。
圖18 系統(tǒng)軟件設(shè)計方框圖 4.2 程序的模塊化劃分 模塊化程序設(shè)計是一種常用的程序設(shè)計技術(shù)，它將一個功能完整的較長的程序分解為若干個功能相對獨(dú)立的較小的程序模塊，各個程序模塊分別進(jìn)行設(shè)計、編制和調(diào)試。利用程序的模塊化設(shè)計方法，有利于程序代碼優(yōu)化，提高程序的可讀性，便于功能擴(kuò)充和版本升級；單個模塊結(jié)構(gòu)的程序功能單一，易于編寫、調(diào)試、維護(hù)和系統(tǒng)功能擴(kuò)展；對于使用頻繁的子程序可以建立子程序庫，便于多個模塊的調(diào)用。 本章的軟件設(shè)計根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能，以系統(tǒng)的硬件設(shè)計為基礎(chǔ)，采用模塊化的程序設(shè)計思想，確保完成系統(tǒng)功能的同時，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。軟件設(shè)計的目的就是讓單片機(jī)加載程序并運(yùn)行，對距離、時間、光照強(qiáng)度進(jìn)行測量，根據(jù)測量結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的報警信號。 如圖19所示為系統(tǒng)坐姿檢測超聲波測量主程序流程圖。
圖19 超聲波測距子程序流程圖
5.3單片機(jī)最小系統(tǒng)
對于一個完整的電子設(shè)計來講，首要問題就是為整個系統(tǒng)提供電源供電模塊，電源模塊的穩(wěn)定可靠是系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)。51單片機(jī)雖然使用時間最早、應(yīng)用范圍最廣，但是在實(shí)際使用過程中，一個和典型的問題就是相比其他系列的單片機(jī)，51單片機(jī)更容易受到干擾而出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象，克服這種現(xiàn)象出現(xiàn)的一個重要手段就是為單片機(jī)系統(tǒng)配置一個穩(wěn)定可靠的電源供電模塊。 此最小系統(tǒng)中的電源供電模塊的電源可以通過計算機(jī)的USB口供給，也可使用外部穩(wěn)定的5V電源供電模塊供給。電源電路中接入了電源指示LED，圖中R11為LED的限流電阻。S1 為電源開關(guān)。 1. 時鐘電路 XTAL1（19 腳） ：芯片內(nèi)部振蕩電路輸入端。 XTAL2（18 腳） ：芯片內(nèi)部振蕩電路輸出端。 XTAL1 和XTAL2 是獨(dú)立的輸入和輸出反相放大器，它們可以被配置為使用石英晶振的片內(nèi)振蕩器，或者是器件直接由外部時鐘驅(qū)動。圖2 中采用的是內(nèi)時鐘模式，即采用利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2 的引腳上外接定時元件（一個石英晶體和兩個電容），內(nèi)部振蕩器便能產(chǎn)生自激振蕩。一般來說晶振可以在1.2 ～ 12MHz 之間任選，甚至可以達(dá)到24MHz 或者更高，但是頻率越高功耗也就越大。在本實(shí)驗(yàn)套件中采用的11.0592M 的石英晶振。和晶振并聯(lián)的兩個電容的大小對振蕩頻率有微小影響，可以起到頻率微調(diào)作用。當(dāng)采用石英晶振時，電容可以在20 ～ 40pF 之間選擇；當(dāng)采用陶瓷諧振器件時，電容要適當(dāng)?shù)卦龃笠恍�，�?0 ～ 50pF 之間。通常選取33pF 的陶瓷電容就可以了。 2. 復(fù)位電路
單片機(jī)復(fù)位電路就好比電腦的重啟部分，當(dāng)電腦在使用中出現(xiàn)死機(jī)，按下重啟按鈕電腦內(nèi)部的程序從頭開始執(zhí)行。單片機(jī)也一樣，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行中，受到環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時候，按下復(fù)位按鈕內(nèi)部的程序自動從頭開始執(zhí)行。
單片機(jī)復(fù)位電路如下圖：
復(fù)位電路的工作原理
在書本上有介紹，51單片機(jī)要復(fù)位只需要在第9引腳接個高電平持續(xù)2US就可以實(shí)現(xiàn)，
在單片機(jī)系統(tǒng)中，系統(tǒng)上電啟動的時候復(fù)位一次，當(dāng)按鍵按下的時候系統(tǒng)再次復(fù)位，如果釋放后再按下，系統(tǒng)還會復(fù)位。所以可以通過按鍵的斷開和閉合在運(yùn)行的系統(tǒng)中控制其復(fù)位。
在電路圖中，電容的的大小是10uF，電阻的大小是10k。所以根據(jù)公式，可以算出電容充電到電源電壓的0.7倍（單片機(jī)的電源是5V，所以充電到0.7倍即為3.5V），需要的時間是10K*10UF=0.1S。
也就是說在電腦啟動的0.1S內(nèi)，電容兩端的電壓時在0~3.5V增加。這個時候10K電阻兩端的電壓為從5~1.5V減少（串聯(lián)電路各處電壓之和為總電壓）。所以在0.1S內(nèi)，RST引腳所接收到的電壓是5V~1.5V。在5V正常工作的51單片機(jī)中小于1.5V的電壓信號為低電平信號，而大于1.5V的電壓信號為高電平信號。所以在開機(jī)0.1S內(nèi)，單片機(jī)系統(tǒng)自動復(fù)位（RST引腳接收到的高電平信號時間為0.1S左右）。
按鍵按下的時候?yàn)槭裁磿䦶?fù)位
在單片機(jī)啟動0.1S后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時候10K電阻兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當(dāng)按鍵按下的時候，開關(guān)導(dǎo)通，這個時候電容兩端形成了一個回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時間的推移，電容的電壓在0.1S內(nèi)，從5V釋放到變?yōu)榱?.5V，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個時候10K電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平。單片機(jī)系統(tǒng)自動復(fù)位。
復(fù)位電路的原理是單片機(jī)RST引腳接收到2US以上的電平信號，只要保證電容的充放電時間大于2US，即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，所以電路中的電容值是可以改變的。
按鍵按下系統(tǒng)復(fù)位，是電容處于一個短路電路中，釋放了所有的電能，電阻兩端的電壓增加引起的 3. EA/VPP（31 腳） 的功能和接法 51 單片機(jī)的EA/VPP（31 腳） 是內(nèi)部和外部程序存儲器的選擇管腳。當(dāng)EA 保持高電平時，單片機(jī)訪問內(nèi)部程序存儲器；當(dāng)EA 保持低電平時，則不管是否有內(nèi)部程序存儲器，只訪問外部存儲器。對于現(xiàn)今的絕大部分單片機(jī)來說，其內(nèi)部的程序存儲器（一般為flash）容量都很大，因此基本上不需要外接程序存儲器，而是直接使用內(nèi)部的存儲器。 4. LED 驅(qū)動電路 在最小系統(tǒng)中，發(fā)光二極管（LED）的接法是采取了電源接到二極管正極再經(jīng)過1K 電阻接到單片機(jī)I/O 口上的（見圖4 中的接法1）。不同的LED 其額定電壓和額定電流不同，一般而言，紅或綠顏色的LED 的工作電壓為1.7V~2.4V，藍(lán)或白顏色的LED 工作電壓為2.7~4.2V， 直徑為3mm LED 的工作電流2mA~10mA。在這里采用紅色的3mm 的LED。其次，51 單片機(jī)（如本實(shí)驗(yàn)板中所使用的STC89C52單片機(jī)）的I/O 口作為輸出口時，拉電流（向外輸出電流）的能力是μA 級別，是不足以點(diǎn)亮一個發(fā)光二極管的。而灌電流（往內(nèi)輸入電流）的方式可高達(dá)20mA，故采用灌電流的方式驅(qū)動發(fā)光二極管。當(dāng)然，現(xiàn)今的一些增強(qiáng)型單片機(jī)，是采用拉電流輸出（接法2）的，只要單片機(jī)的輸出電流能力足夠強(qiáng)即可。圖4 中的電阻為1K 阻值，是為了限制電流，讓發(fā)光二極管的工作電流限定在2mA~10mA。
第六章 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試 6.1 安裝步驟 1.檢查元件的好壞 按電路圖買好元件后首先檢查買回元件的好壞，按各元件的檢測方法分別進(jìn)行檢測，一定要仔細(xì)認(rèn)真。而且要認(rèn)真核對原理圖是否一致，在檢查好后才可上件、焊件，防止出現(xiàn)錯誤焊件后不便改正。 2.放置、焊接各元件 按原理圖的位置放置各元件，在放置過程中要先放置、焊接較低的元件，后焊較高的和要求較高的元件。特別是容易損壞的元件要后焊，在焊集成芯片時連續(xù)焊接時間不要超過10s，注意芯片的安裝方向。 6.2 電路的調(diào)試 首先燒入顯示程序，控制液晶顯示，顯示正常。說明顯示部分無誤。然后加入超聲波測距程序，調(diào)節(jié)超聲波的靈敏度使達(dá)到理想效果。在調(diào)試程序時，發(fā)現(xiàn)有的指令用的不正確，導(dǎo)致電路功能不能完全實(shí)現(xiàn)，另外軟件程序中的延時有的過長、有的過短。類似的現(xiàn)象還有很多就不一一列舉了。 6.3電路板焊接過程中的注意事項(xiàng) 元器件在電路板上的插裝應(yīng)分布均勻,排列整齊美觀,對于焊點(diǎn)要飽滿光滑,成內(nèi)弧狀，焊錫要將整個上錫位置以及零部件位置包圍。要想實(shí)現(xiàn)電路所要實(shí)現(xiàn)的功能，就要正確的焊接電路板，在確保正確無誤的同時，實(shí)現(xiàn)焊接的美觀。在焊接前，首先要對焊接的元器件做一下清點(diǎn)，以及檢查一下購買的元器件有沒有損壞，包括發(fā)光:極管、晶振、電阻等。 首先要對電路中的主要線路進(jìn)行了測量，包括電源線，排線，芯片之間的連線，再就接上5V電源對電路中的功能進(jìn)行檢測。接通電源后，首先觀察LED燈是否都亮，如果不亮，要分別每個LED燈是否虛焊了，如果燈亮，但是不按照所編的程序亮，這是要檢查程序是否已經(jīng)成功錄入芯片，或者是否是程序出現(xiàn)錯誤，再或者是有些元器件管腳多了焊接時出現(xiàn)短路。檢查電路是否虛焊，可以通過萬用表來檢查，因?yàn)橐?旦有出現(xiàn)電路斷路或者短路現(xiàn)象，就會導(dǎo)致整個電路的設(shè)計錯誤，使用萬用表，其中包括紅黑表筆的解法，以及萬用表的正確讀數(shù)，都要做到準(zhǔn)確無誤，這樣才可以確保整個焊接過程的更加順利。
結(jié)論 本次硬件上完成了一個STC89C52單片機(jī)的視力保護(hù)器的設(shè)計，并在此平臺上用單片機(jī)C語言進(jìn)行軟件設(shè)計，經(jīng)過測試，基本滿足設(shè)計目標(biāo)，可以完成各項(xiàng)基本功能。本系統(tǒng)開發(fā)空間大，使用靈活，便于用戶擴(kuò)展功能。當(dāng)然，由于時間關(guān)系，本次設(shè)計的系統(tǒng)也有某些不太完善的地方，有待進(jìn)一步改善。 本文探索并實(shí)現(xiàn)了多功能視力保護(hù)器設(shè)計的完整過程。，該系統(tǒng)具有很高的使用價值，很好地達(dá)到了設(shè)計的目的。 本文創(chuàng)新點(diǎn)： 1．發(fā)展了利用單片機(jī)設(shè)計視力保護(hù)器的思想，增加了單片機(jī)在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用。利用光敏電阻電路檢測光照，通過超聲波傳感器輔助幫組學(xué)生坐直進(jìn)而校正其視力，簡單方便且不會產(chǎn)生系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的問題。 2．盡可能發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢，可以方便向其他功能擴(kuò)展，也就是利用平臺優(yōu)勢可以衍生更多功能。
附錄1 整機(jī)電路原理圖
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