基于51单片机的多功能视力保护器

中北大学朔州校区 许 超 孟 青 董 严 许晋飞 王 超

基于51单片机的多功能视力保护器

中北大学朔州校区 许 超 孟 青 董 严 许晋飞 王 超

文中设计了一种多功能视力保护器。目前市场上的多功能视力保护器以塑料支架为主，该视力保护器的功能比较单一，只有光强监测或只有距离监测。基于51单片机的多功能视力保护器集光强监测，距离监测，定时功能于一体，具有控制能力强，扩展灵活的特点。系统实用性强、成本低，适合于工业上大批量成产，目前已投入使用。

单片机；视力保护；红外；传感器

0　引言

随着电子设备的高速发展及广泛使用，给人们带来了巨大的方便，但同时这些设备对人们的视力产生了巨大的伤害，尤其对学生族更为严重。此外，不良的学习姿势也给人的眼睛带来了巨大的冲击，造成了青少年近视率急剧升高。根据世界卫生组织公布的数据，全世界目前约有4500万人目盲，2.85亿人视力低下，已经成为全社会关注的公共卫生和社会问题。如果不采取行动，到2020年，全球盲人总数将增至7500万。视力下降不仅影响青少年的日常生活和学习，对青少年的身心健康造成极大的影响，同时给青少年的成长与发育造成极大的障碍。眼睛是心灵的窗户，所以，视力保护变得尤其重要。

1　视力保护器的整体设计

视力保护器主要由STC89C52主控模块、光线强度检测与转换模块、时钟芯片模块、红外限距模块、LCD显示模块和声光提示模块六大模块组成。系统总体方案图如图1所示。

图1　系统总体方案图

主控模块负责系统的信息汇总、存储、分析和决策。光强检测与转换模块由光敏电阻和AD芯片组成，能够实现检测光线的强弱并转换成数字量显示在LCD显示屏上，从而实时监测环境的光线强度。时钟芯片模块用于提供时间信息并且具有定时功能。红外限距模块用于监测人的头部与书本的距离。LCD显示模块用于显示时间（年、月、日、周、时、分、秒）和光强值。声光提示模块用于报警作用。

2　光线强度检测与转换模块

光强检测与转换模块由光敏电阻和ADC0832芯片组成，原理图如图2所示。光线强度检测与转换模块通过光敏电阻和ADC0832来检测光线的强弱，并在LCD显示屏上显示。光敏电阻我们采用了GL5516型号，它具有体积小，反应灵敏，光谱特性好，廉价的优点[1]。光敏电阻进行光线强度检测，将光强转换为电压，然后传给AD芯片。AD芯片我们采用了ADC0832，它具有体积小，兼容性，性价比高的特点[2]。ADC0832 将电压模拟量转换为数字量，然后传送给单片机，最后通过单片机控制显示在 LCD1602液晶显示屏上。

图2　光线强度检测与转换模块原理图

当光线发生变化时，光敏电阻的阻值也会随之变换，电阻分得的电压也会不同。经过AD采集和处理后就可以得到不同光照强度下的电压值。从而我们在程序中设定出理想的光线强度报警值范围，当光线强度大于或小于这个范围时，声光提示模块就会报警。提示我们当前眼睛所处环境不适合用眼，从而保护眼睛。

3　时钟模块

时钟模块选用了DS12C887芯片。该芯片具有以下特点：

自带晶体振荡器和锂电池，在没有外部电源供电的情况下也可工作10年，同时该芯片可计算到2100年前的秒、分、小时、星期、日期、月、年七种日历信息并且带闰年补偿功能。

记录一天内的时间具有12小时制和24小时制两种模式可供选择。在12小时制模式中，用AM和PM区分上午和下午。

带有128字节RAM，其中11字节用来存储时间信息，4字节RAM用来存储DS12C887的控制信息，称为控制寄存器，113字节RAM供用户使用。

数据/地址总线复用，用户可编程以实现多种方波输出[3]。

我们可以随意设定一段时间，如45分钟，60分钟，当时间达到后，系统就会控制声光提示模块报警，提示我们该休息一下眼睛了，从而保护眼睛。

时钟模块原理图如图3所示。

图3　时钟模块原理图

4　红外限距模块

红外限距模块以LM358芯片为核心。LM358内部包括两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关[4]。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。当没有障碍物时，红外发光管发出红外光，红外接收管没有接收到红外光而处于截止状态，LM358的IN+ 口电位低于IN—口，1OUT口输出低电位；当有障碍物时，红外接收管接收到红外光而导通，LM358的IN+ 口电位高于IN—口，1OUT口输出高电位，STC89C52单片机检测到引脚高电平，控制声光提示模块报警，提示我们眼睛所处坏境不适合用眼，从而保护眼睛。

5　显示模块

显示模块采用LCD1602液晶屏显示，它具有体积小，控制简单，成本低等优点，能显示字母数字，符号[5]。这里通过单片机对LCD1602液晶屏控制，令LCD1602液晶屏显示了时间（年、月、日、周、时、分、秒）和光强值。按下闹钟键时，还能显示闹钟时间(时、分、秒）。

显示模块电路图如图4所示。

图4　显示模块电路图

6　声光提示模块

该模块由蜂鸣器，发光二极管，NPN型三极管9014[6]组成。当对应IO口给出高电平时，蜂鸣器和发光二极管所在电路导通，发出声光提示。对于三种功能的提示，我们也设计了三种不同的提示效果：（1）光强提示：滴滴、滴滴；（2）时间提示：滴滴滴、滴滴滴；（3）距离提示：滴滴滴滴、滴滴滴滴。 声光提示模块原理图如图5所示。

图5　声光提示模块原理图

图6　系统测试流程图

7　系统测试流程

焊接和调试结束后，对本系统进行了测试。系统测试流程图如图6所示。步骤如下：

步骤一：系统给电开始运行，程序控制各模块初始化，显示时间、光强，执行步骤二；否则执行步骤七；

步骤二：按下闹钟查看键K4，设置一个闹钟时间，当闹钟时间到时，如果执行闹钟提示，执行步骤三；否则执行步骤七；

步骤三：按下四个键中任意一个键，如果闹钟提示停止，执行步骤四；否则执行步骤七；

步骤四：重复步骤二、三，分别测试剩余三个键，若成功，执行步骤四；否则执行步骤七；

步骤五：用一块黑布遮在光敏传感器上方，上下移动，当光强值小于或者大于设定值范围时，如果执行闹钟提示，执行步骤六；否则执行步骤七；

步骤六：用手遮在限距传感器上方，上下移动，当距离值小于或者大于设定值范围时，如果执行闹钟提示，执行步骤八；否则执行步骤七；

步骤七：系统故障，调试、解决问题。执行步骤一；

步骤八：调试成功，测试结束。

图7　多功能视力保护器前期测试实物图

8　结束语

本次设计以STC89C52单片机为控制核心，由光敏电阻信号处理电路，红外限距电路，声光提醒电路，LCD显示电路，时钟电路组成并用单片机C语言进行软件设计。该多功能视力保护器实现了时间显示、光强监测，距离限制三个功能。解决了市面上视力保护器功能单一，可控制差的问题，已经投产得到了广泛的应用。多功能视力保护器前期测试实物图如图7所示。

[1]舍茨.实用电子元器件与电路基础[M].北京:电子工业出版社,2009.

[2]刘波.51单片机应用开发典型范例[M].北京:电子工业出版社,2014.

[3]杨欣.电子设计从零开始[M].北京:清华大学出版社,2015.

[4]郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京:电子工业出版社,2009.

[5]毕满清.电子工艺实习教程[M].北京:国防工业出版社,2009.

[6]阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,1998.

许超，男，大学本科在读，专业为电气工程及其自动化。

孟青，专业为电路与系统，主要研究方向为嵌入式电路与系统。

董严，专业为电气工程及其自动化。

许晋飞，专业为电气工程及其自动化。

王超，专业为物联网工程。

Multifunction-vision protector based on 51 Microcontroller Unit

XU Chao，MENG Qing，DONG Yan，XU Jin-fei，WANG Chao
（North University of China，Shuozhou，Shanxi 036000）

The article introduces a design of a multifunctional eyesight protector.The multifunction eyesight protectors in the present market are mostly supported by plastic framework. their functions are usually very simple，only including light intensity monitoring or distance monitoring.in contrast，our design based on 51 single-chip microcomputer is not only able to monitor both light intensity and distance but also have timing function.with strong control ability and high extension flexibility，this multifunctional eyesight protector is highly practical because of it is low cost，it is also suitable for industrial mass production，and now it has been put into application.

SCM；eyesight protection；infrared；sensor