系統(tǒng)概述

設(shè)計(jì)要求

綜合運(yùn)用所學(xué)的模擬電子技術(shù)、單片機(jī)原理及應(yīng)用等專(zhuān)業(yè)知識(shí)，以STC89C52為主控芯片來(lái)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)視力保護(hù)儀，且可實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的測(cè)量，距離的測(cè)量，使用時(shí)間監(jiān)測(cè)及報(bào)警等功能，用LCD來(lái)顯示時(shí)間，距離等參數(shù)信息。

（1）當(dāng)使用者的臉部與桌面或電腦等之間的距離小于30cm時(shí)，電路發(fā)出聲光或語(yǔ)音提示，糾正坐姿；

（2）當(dāng)讀寫(xiě)環(huán)境光線強(qiáng)度不夠或過(guò)大時(shí)，電路發(fā)出聲光或語(yǔ)音提示；

（3）當(dāng)使用的時(shí)間達(dá)到30分鐘時(shí)，電路會(huì)自動(dòng)發(fā)出語(yǔ)音提示，提醒使用者注意休息；

（4）使用LCD顯示距離、時(shí)間等各種參數(shù)信息。

總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)的框圖如圖1-1所示，其由STC89C52單片機(jī)、測(cè)距模塊和感光模塊以及LCD顯示模塊構(gòu)成，它們的作用分別為：

STC89C52模塊：用來(lái)當(dāng)視力保護(hù)儀的核心控制器。

測(cè)距模塊：通過(guò)超聲波測(cè)距測(cè)量桌子與使用者之間的距離，若距離過(guò)近則會(huì)產(chǎn)生聲光警報(bào)來(lái)提醒使用者。

感光模塊：先利用光敏電阻捕獲光線信號(hào)，再利用AD獲取光信強(qiáng)度做出對(duì)應(yīng)的報(bào)警限度的聲光警報(bào)。

LCD模塊：顯示光強(qiáng)、距離等相關(guān)參數(shù)信息。

其中STC89C52模塊里面包括了單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，可通過(guò)按鍵模塊設(shè)置鬧鐘定時(shí)的時(shí)間，經(jīng)過(guò)單片機(jī)后在LCD上顯示出來(lái)。同時(shí)按鍵也可設(shè)置被測(cè)距離的警報(bào)下限值，以此來(lái)對(duì)應(yīng)不同使用者所需要的與桌子之間的距離。

圖1-1總體設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體方案

測(cè)距模塊的方案論證

方案一：紅外線測(cè)距

如若采用紅外線測(cè)距，根據(jù)其原理是運(yùn)用了紅外線傳播時(shí)不擴(kuò)散的原理，可知紅外線穿越物質(zhì)的折射率小，比較適合長(zhǎng)距離的測(cè)距。但是紅外線傳播需要時(shí)間，當(dāng)紅外線發(fā)出，到碰到反射物，再到反射回來(lái)被接收到，再?gòu)募t外線發(fā)出到被接受的時(shí)間和紅外線的傳播速度才可以計(jì)算出距離。另外及易受到太陽(yáng)光或者其他光源的干擾。

方案二：超聲波測(cè)距

超聲波測(cè)距的原理就是運(yùn)用了超聲波在空氣中的傳播速度是固定的，在測(cè)量聲波在發(fā)射到碰到障礙物再到反射回來(lái)的整個(gè)過(guò)程的時(shí)間，根據(jù)計(jì)算時(shí)間差來(lái)計(jì)算距離。往往利用超聲波檢測(cè)更加快速、便利。但是在超聲波測(cè)距中，較容易受到溫度的影響，使得測(cè)距精度不高。

綜上所述，兩者相對(duì)比較，都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，但考慮到課題所制作的視力保護(hù)儀的功能，優(yōu)先使用超聲波測(cè)距，對(duì)使用環(huán)境比較匹配，電路更簡(jiǎn)潔，軟件設(shè)計(jì)更方便。

顯示模塊的方案論證

方案一：LED數(shù)碼管

數(shù)碼管可分為共陽(yáng)極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管，采用數(shù)碼管顯示，其能夠較快的顯示出相關(guān)參數(shù)，且顯示得非常簡(jiǎn)潔明了，但是單次內(nèi)容太少，不夠詳細(xì)，不能夠快速的查看多項(xiàng)內(nèi)容人機(jī)交互的界面不夠好。

方案二：LCD1602液晶顯示

如若采用LCD1602液晶顯示屏，顯示的內(nèi)容將更加清晰，背光亮度可用滑阻調(diào)節(jié)，并且能夠同時(shí)顯示16×02即32個(gè)字符，所以能快速的，同時(shí)的顯示出相應(yīng)參數(shù)，其本身也控制簡(jiǎn)單，成本較低。

綜上所述，就課題視力保護(hù)儀來(lái)說(shuō)，方案二能夠更好的顯示出所需要的相關(guān)信息，人機(jī)交互界面較前者有優(yōu)勢(shì)，所以顯示模塊這部分選用了LCD1602。

光強(qiáng)檢測(cè)模塊的方案論證

方案一：光敏二極管

其擁有一個(gè)光敏特征的PN結(jié)，也是有著單向?qū)щ娦裕虼水?dāng)光線強(qiáng)度不一時(shí)，電路中的電流也會(huì)有相應(yīng)的改變。無(wú)光照時(shí)，光敏二極管截止，當(dāng)有光照入射時(shí)，其飽和反向漏電流相應(yīng)增大，形成了光電流，此電流會(huì)隨入射光亮度的變化而變化。其光電流小，響應(yīng)時(shí)間較快。有光導(dǎo)電，無(wú)光不導(dǎo)。但是工作時(shí)需要加上反向電壓且本課題并不工作在高頻率的環(huán)境。

方案二：光敏電阻

一種光電元器件利用內(nèi)光電效應(yīng)工作，又稱(chēng)光導(dǎo)管，其電阻隨光的變化而相應(yīng)變化。可見(jiàn)光基本上都能感應(yīng)到。當(dāng)光照強(qiáng)度變大時(shí)，其阻值開(kāi)始變小，電流增大。其反應(yīng)速度比較快，體積小，可靠性好，價(jià)格實(shí)惠，經(jīng)濟(jì)成本低，適用在DC電路使用。但是時(shí)延較大，快速響應(yīng)的環(huán)境下不能使用。

綜上所述，由于光敏電阻即可勝任課題視力保護(hù)儀的要求，且體積小便宜實(shí)惠，在電路中可跟為方便的使用，所以選擇了光敏電阻作為光強(qiáng)檢測(cè)模塊的應(yīng)用。

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)方案的選擇，STC89C52是所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主控芯片，STC89C52 是STC公司出售的一款加密性強(qiáng)，抗干擾強(qiáng)，可在線編程，低功耗的高速CMOS 8位單片機(jī)。片上集成512字節(jié)RAM，其中P0是開(kāi)漏輸出。有3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，定時(shí)器0可當(dāng)2個(gè)8位定時(shí)器使用。在此除了單片機(jī)的電路外，還有電源電路：給整個(gè)系統(tǒng)提供電源，使系統(tǒng)開(kāi)始工作；下載口：連接著單片機(jī)的P3.0和P3.1腳，即串口通信RXD和TXD，用來(lái)與計(jì)算機(jī)相連，進(jìn)行程序燒錄；超聲波模塊、LCD顯示模塊和警報(bào)模塊也是相連到了單片機(jī)的P0口和P2口，用以對(duì)距離的測(cè)量，系統(tǒng)的檢測(cè)警報(bào)和參數(shù)顯示的功能；加上單片機(jī)最小系統(tǒng)電路和P1口和P3口所連接的按鍵電路和時(shí)鐘電路以及光強(qiáng)檢測(cè)電路，這些電路構(gòu)成了此課題的總體電路。課題以STC89C52單片機(jī)作為該課題的核心控制，整體觀察視力保護(hù)儀的設(shè)計(jì)，最為關(guān)鍵就在于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的聲光報(bào)警與語(yǔ)音播報(bào)，處理超聲波測(cè)距測(cè)得的參數(shù)和處理光照強(qiáng)度檢測(cè)的參數(shù)信息，而功能強(qiáng)大且價(jià)格實(shí)惠的STC89C52單片機(jī)絕對(duì)適用與課題視力保護(hù)儀的設(shè)計(jì)，能夠充分發(fā)揮其強(qiáng)大的功能和運(yùn)算能力。圖3-1為視力保護(hù)儀總體電路設(shè)計(jì)圖。

圖3-1 總體電路設(shè)計(jì)圖

晶振電路的設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

晶振稱(chēng)為石英晶體振蕩器，在單片機(jī)中是給單片機(jī)提供一個(gè)脈沖讓單片機(jī)開(kāi)始工作的，脈沖就是單片機(jī)的工作的速度，一般都不大于24M。如果沒(méi)有晶振電路來(lái)起振驅(qū)動(dòng)單片機(jī)，那么單片機(jī)就無(wú)法執(zhí)行程序，或者運(yùn)行不夠規(guī)律，整個(gè)系統(tǒng)在執(zhí)行程序的時(shí)候也會(huì)在某些方面出現(xiàn)誤差。晶振的振蕩的頻率比較的穩(wěn)定，在課題中使用的晶振頻率是11.0592MHz，接入的兩個(gè)電容的值也是一樣的，通過(guò)引腳兩端接入單片機(jī)的XTAL1和XTAL2兩個(gè)引腳，再接兩個(gè)微調(diào)電容，兩個(gè)電容互相連接的那一端一定得接地，這樣就成了一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。如圖3-2所示。

圖3-2 晶振電路設(shè)計(jì)圖