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1、一、绪论1.1课题背景 在现在这个时代，许多中小学生承受着巨大的学习压力。在2006年09月13日的时候，在黑龙江省暨哈尔滨市举办了一场青少年心理健康宣传的活动，并且活动举办的很成功，在这个月里，将近50多位心理方面的专家针对2000多个大学中学小学的学生进行免费咨询期间发现，接近有30%的学生不会处理人际关系，还有接近60%的中学生小学生有着巨大的学习压力。近视的学生在中国已然变成了越来越严峻的普遍问题。现在国内好多工作都有着视力要求，而且当你眼睛一旦开始近视，那你花再多的钱视力也不会变好了。于是有专家提出说学生近视的根本原因是没有良好的坐姿。综上，这么大的学习压力下拥有一个能够保护眼睛的装
2、备是多么的重要截止到今日，青少年的实力问题已经引起了国内和国外一致关心的大问题。有材料表示，国内小朋友有26.96%的比率是眼睛不好的，初中生更多，已经多达53.43%，更有甚者是高中和大学生，普遍高达75%往上。追其根本原因还是因为学生和自己的父母都没有对眼睛的保护意识，不了解视力不好会带来的诸多问题和危害。因此有将近一半的学生并没有重视这一问题，所以我们花了很长时间来研究视力保护器。通过营造科学的读书环境来规避长时间的读书和写字导致眼睛视力下降和身体的一些变形等问题1.2视力保护器的现状就目前来看，国内和国外的很多电子公司都制造生产了视力保护器，虽然国内制造的视力保护器能够语音提醒用户坐姿
3、不对甚至可以纠正一些读书时的不好的坐姿，但是总的来说，国内制造的视力保护器的用途比较单一，对比现在人们的灵活的需要还是有一定的差距，所以这是满足不了用户的需要。虽然在国外也在大力研究视力保护的仪器，但是他们更倾向于研究近视的根本原因。在美国的德克萨斯大学一位名叫于光的博士说，使用新鲜的鱼类和果蔬是对视力的一种保护，可以减少近视发生的几率。他们觉得通过一些餐食进行有营养的搭配加上良好的学习习惯，可以非常好的保护视力。然而事实研究表明，现如今商场里真正能对视力起到保护作用的机器基本上是没有的。并且已经存在的视力保护器仅仅是偏向保护视力多一点，它的实用性不高，达不到刀哥方面保护用户的视力。下面要讲的
4、就是对超声波技术视力保护器的研究。通过已经拥有的实验室平台，研究的目标就是开发和设计多功能保护器的硬件而且还要对他进行硬件制造。可以把他内容的研究分成两个部分：就是制作视力保护器和设计视力保护器。当然也遇到了很多困难和阻碍，比如说怎么才能有效的增加对视力的保护和硬件电路的精准调试。在这些硬件的设计里，通过超声波技术从而设计的保护器电路对超声波调制和输出来实施声控和光控提醒其钻研的意义所在，然后可以经过事实证明这个保护器是非常可靠的并且具备很强的实用性，但也有美中不足的是，他没有对光线发出警报并且能够控制它的能力，还有一个不好就是，光线是会伤害学生的视力的。但是基于国内和国外这么多的社会需要，对
5、视力保护器的研究步伐才刚刚开始，还有相当大的想象和发展的空间，现在许多国家都为此开始了重大的研究，我相信在以后视力保护器的发展前景一定是非常大的，这样才能更好的去保护那些中小学生的眼睛。1.3设计要求 基于对单片机芯片智能的处置功能这个设计使用的是结合了理论计算和实验验证通过单片机芯片作为核心的主体电路。它先是针对每一个单元的电路来实施设计，从中抉择出能用的元器件，然后在对元器件上时，还要留意所选择芯片的实用性，像电阻、电容等经常使用的元件要先对其参数计算然后再进行选择。再然后就是设计出所有的电路，还得在电脑上针对单个的电路进行一系列的功能仿真的调试!在这中间单片机芯片选择了相对比较普遍的ST
6、C89C52，坐姿传感器选择使用了超声波传感器，光线报警选择使用了光敏电阻来体现，发声硬件电路使用的是报警发声蜂鸣器。这一次的毕业设计的内容研究为设计出一个真正具备多功能的视力保护器。它拥有如下的功能:1.当用户的脸部和桌子之间的长度不大于30CM时,此电路就会发出提示的声音 2.当读书和写字的时候产生光线不足时,电路就会发出提示的声音:3.当使用的时间超过45分钟的时候,电路就会自动发出提示的声音,用来提醒用户需要注意休息了;4.可以调节电路测光报警的敏感度:5.电路非常可靠,做出的实物可以实现对应的功能。能确切的帮助了学生做得到国家教委的规定即当学生在读书写字的时候，需要在一定光度下，眼睛
7、距离读物一尺，身子距离书桌一只手。二、总体方案设计系统使用了STC89C52单片机当做核心控制多功能视力保护器，这个系统由光敏电阻来收集光线的信号，由AD采集光线信号的大小，将光线强度分成一些等级，再由设置报警的等级来决定光照如果不足的警报。再通过超声波测量距离传感器测试出人体面部和桌子之间的距离，等到他不大于30CM的时候就会发出提醒的报警声。通过单片机里面的定时器计知道,当产品用到高于45分钟的时候电路就会自己发出提示的声音，来提醒用户需要注意休息了。这个系统使用的作为提示的电路是由三极管驱使蜂鸣器而组成的。整个系统的设计框架图如图1显示。 图1 系统总体方框图2.1硬件设计2.1.1电源
8、稳压电路设计因为这个系统使用的是电池供电，是以我们想到了下面几种方法作为系统供电。方案1:使用12V的蓄电池稳定电压以后给系统进行供电。蓄电池具备很大的驱动电流的能力和电压输出性能的稳定。美中不足的是是蓄电池有很大的体积，还有想当大的成本，不适合在报警器上的使用。所以我们没有使用这个方案。方案2:使用3个1.5V的干电池总共4.5V做为电源，给单片机和传感器提供电量。当实验证明系统运行的时候,单片机和传感器稳定的工作电压可以满足系统的需求，并且更换电池也比较方便。所以通过两个方案的对比方案2是比较可行的。2.1.2主控制器模块方案1:使用能够编程逻辑器件的CPLD当做控制器。CPLD能够实现每
9、种难懂的逻辑功效、它的规格模式大、密度较高、并且体积小、较强稳定性、I0资源比较丰富、容易对功能进行扩展。使用一起进行的输入还有输出的方式，大大提高了系统对东西处理的效率，比较适合作为大范围对来控制核心系统。但是这个系统用不上难懂的逻辑功能，它对数据的处理效率要求不高。并且根据性价比的方面考虑我们没有采用这个方案。方案2：使用STC89C52单片机当成核心系统,系统使用了STC89C52单片机当做多功能视力保护器控制单元的主要重心，全面的分析了我们的系统，它的关键是可以实现系统能够自动报警和提醒，用来处理超声波感应的信号，还有处理光照强弱的信息，于是在这一个方面，单片机就体现出来了它的优势就是
10、能够简单的控制并且方便还有快捷。所以，单片机就能够充分展现其资源、拥有很强大的控制功能还有能够对位置进行感应操作的功能，且价格不高一些优点。STC89C52单片机拥有很厉害的操作位置的功能，I/0口都能按照定位寻找地点，它的程序内存已经达到8k，对这个设计完全够用，并且更值得一提的是STC89C52单片机的造价很便宜。所以综上，我们对这个方案还是比较满意的。所以我们选择了第二个方案2.1.3光照强度检测模块光照度传感器的选择方案1: 使用光照度感应器M124749,这个光照度感应器使用了比较先进的电路模块技术研发变送器，适合用用于测量环境光照度，显示出标准的电压和电流信号，并且它的体积不大，还
11、有方便安装，较好的线性度，传输的距离比较长，还有较强的抗干扰能力，能够调节量程。但是造价非常昂贵，而且实用性不高，还有不太容易采购方案2:使用光敏电阻。光敏电阻是根据当有光线照射的时候，激发电阻里面原本处于比较稳定状态的电子，让他变成自由电子，所以越强的光线，其产生的自由电子也变得越多，电阻就变得越小。光敏电阻的优点就是可以使用直流电。灵活敏感的程度和半导体材料还有入射光波的波长有关，并且价格很便宜，实用性高。所以对以上两个方案进行对比，方案1虽然对精度和线性度有更好的设计，但实用性没有光敏电阻的好。方案2拥有很强的实用性并且还能提供对系统的设计要求有一定的满足，所以使用第二个方案光敏电阻作为
12、光照度感应器。2.1.4报警提示模块这个系统是多功能视力保护器,相对报警器来看,他有很多种提醒方式。所以我们想出了下面两种方案。方案1:启用语音的报警功能，能够实现让用户休息的语音提示，还有其姿势是不是对的，简单明了。虽然使用语音提醒有很多的优点，但是编程语音芯片要有专业的编程器，并且价格非常贵和变成很是复杂，不适合去普及多功能视力保护器的使用。所以根据综合的设想，我们摒弃了这个方案。方案2:使用蜂鸣器来报警。蜂鸣器的体积小并且重量轻还有装配单一，并且用起来方便。价格不高，对普及视力保护器的有很大的优势。还能够更多的满足对系统的要求，所以我们打算使用这个方案。2.1.5坐姿检测模块这个系统还需
13、要检测是否有良好的坐姿，所以我们选择了一下两种方案方案1:使用红外线热释电感应器，红外线热释电感应器对红外线的感应非常敏锐，当人调整为良好的坐姿时，再开启这个视力保护器，但如果没有坐好，红外线热释电感应器就会输出一个由高到低的电信号。红外热释电感应器虽然有着较高的敏感度，但并不适合用在视力保护器上面，当人们如果只是有一点点的移动视力保护器就也会发出警报，很多情况下都是错误的警报，除非人们坐在那里一点都不动，所以红外线热释感应器不能用于多功能视力保护器对坐姿的检测，多以综上来看，我们没有使用这个方案。方案2:使用超声波感应器来检测。他是通过测量人脸与桌子的长度来确定坐着的姿势。当长度不大于30C
14、M的时候就发出提醒。并且超声波的体积不大，不重，用起来比较方便。还有价格低廉，对普及视力保护器的有很好的推势。可以很好的满足对系统的要求，所以我们选用了这个方案。2.1.6显示模块方案1:使用数码管来显示的时候。它的显示速度比较快，而且使用起来简单,显示的效果也是简单易懂，但是显示的比较单一，表达不出很好的人机的界面，所以我们没有使用用数码管显示。方案2:使用LCD1602液晶来显示。LCD1602因为其显示清楚，还有丰富的内容展示，内存又大，使用起来方便快捷而得到了非常广泛的应用。就针对这一个因素考虑我们选用了这个方案。2.2最终方案经过一次又一次的论据证明，我们终于确定了最终方案:1、电源
15、使用了3节5号电池2、使用用STC89C52单片机当做主控制器。3、使用光敏电阻来测试光照的强弱。4、利用超声波感应器来测试坐姿。5、还用LCD1602液晶来显示。6、用蜂鸣器作为提醒。三、 硬件实现及单元电路设计3.1主控制模块主控制最小的系统电路如图2所示。 图2 单片主控电路3.2电源电路设计供电源使用7805稳定电压芯片压缩成5v给感应器，单片机提供电量，电路如图3图3电源电路3.3蜂鸣器驱动电路图4 L298N引脚图3.4按键电路系统启用了4个按键设置了参数和设置了光照强度报警值。电路如图5图5按键电路3.5光照强度检测电路如图6图6光照采集电路3.6显示模块显示采用LCD1602液晶显示电路图7图7数码管显示3.7超声波坐姿测距模块超声波模块启用现有的HC-RS04超声波模块,这个模块能够提供2cm-400cm的不接触式的长度感测功能,测量距离的精准度可高达3mm。该模块包含了超声波发射器、接收器和电路的控制。它的基本的工作原理为:使用I0口TRIG来触发测量距离，提供至少10us的高电平的信号;模块自己发送发送有8个40khz的方波，并且自动检测是不是有信号来回往返;当有信号返回时，通过I0口ECHO来输出一个高电平，这个高电平持续的时
