基于STC89C52单片机的视力保护监控仪设计

2018-02-13张飞云

许昌学院学报 2018年12期

张飞云，张杰

(1.许昌学院电气(机电)工程学院，河南许昌 461000；2.中国联通太康县分公司，河南太康 474650)

目前儿童青少年课业负担繁重，导致青少年的视力下降.调查发现我国在校生近视率逐渐上升[1].引起青少年近视的原因有遗传、营养、环境及不良习惯等[2，3].为有效保护青少年的视力，从用眼距离、用眼时间、光线强弱三个方面着手，以STC89C52单片机为控制核心，设计一个视力保护监控仪.

1 监控仪硬件设计

1.1 监控仪硬件结构框图

本系统主要有单片机最小系统、电源模块、定时模块、超声波测距模块、光纤强度检测模块、语音报警模块及液晶显示模块等几部分组成，其硬件结构框图如图1所示.

图1 监控仪硬件结构框图

1.2 单片机最小系统[4，5]

单片机的最小系统电路图如图2所示. 图中S1是系统的复位按键，通过单片机的RST引脚来实现复位功能.J1是单片机的程序下载接口，负责程序的下载.图中外接晶体引线端XTAL1和XTAL2和晶振相连并和电容C2、C3组成计时电路.

1.3 电源模块

监控仪的供电方式为直流供电，电路中通过外加电源供给单片机以及各个模块5 V的电压，经过各个模块电路的仿真与调试，能够满足单片机和各个模块的稳定运行，符合设计的供电要求.电源电路如图3所示.

1.4 蜂鸣器报警模块

蜂鸣器作用是当检测数据超出设置范围时发出提醒信号.蜂鸣器分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种.

(1)有源蜂鸣器：有源蜂鸣器是直接加直流电压来工作的，在通电情况下，振荡器会产生一种音频信号电流，这种电流在经过蜂鸣器内部的电磁圈时会产生电磁场，从而驱动内部的振荡器发出固有频率的声音.

图2 单片机最小系统电路

图3 电源电路

(2)无源蜂鸣器：无源蜂鸣器是通过外加方波触发信号来工作的.本监控仪采用源蜂鸣器，其报警电路原理图如图4所示.正常运行时P33端口输入的是高电平，蜂鸣器不产生报警，二极管也不点亮，当P33端口输入由高电平改变为低电平时，这时基极的低电平会使三极管饱和导通，蜂鸣器发生报警，同时二极管也会点亮.

1.5 按键模块

在单片机中键盘有独立式键盘和矩阵式键盘两种.本监控仪采用独立式按键设计.独立式按键的使用主要是改变单片机的电平运行状态，单片机以此来判断是否有按键按下.在接线时，把按键常开的一端接入大地，另一端接到单片机的一个I/O口.系统运行时此I/O口处于高电平，无按键按下时它一直处于高电平，但当此按键按下时，此时I/O与大地连接发生短路迫使当前I/O变为低电平.当松开按键以后，由于单片机内部存在的上拉电阻，可以重新让此I/O口恢复高电平.因此在运行时单片机可以通过寻址来查询此I/O的电平变化来得知是否有按键按下，当检测到有按键按下时单片机便会执行相应的功能指令.其原理图如图5所示.

1.6 光线强度检测模块

光线强度检测模块包括光线采集电路和模数转换电路.如图6所示为光线强度检测模块电路原理图.通过光敏电阻采集光线强度信号，并把光强度信号转换为电信号，再通过ADC0832将模拟信号转化为数字信号传给单片机处理.

图4 蜂鸣器报警电路

图5 按键电路

图6 光线强度检测电路

1.7 液晶显示模块

采用LCD1602液晶显示屏显示使用者与桌子之间的距离、光线强度及倒计时时间，实时监控使用环境，提醒使用者注意合理用眼，避免眼睛疲劳.其电路原理图如图7所示.LCD1602显示屏显示实时的监控状态，包括超声波测出的实时距离值，光敏传感器检测的实时光线亮度值以及设置的45 min倒计时的运行值等.

图7 液晶显示模块电路

1.8 超声波测距模块[6]

采用HC-SR04超声波测距模块该模块电路如图8所示.基本工作原理如下.

图8 超声波引脚接线图

(1)将超声波模块的Vcc端接5 V电源和GND端接地.

(2)给脉冲触发引脚 TRIG 10 us以上的高电平信号方波.

(3)当方波输入后，该模块会自动发射8个40 KHz的超声波，与此同时接收回波引脚的ECHO端的电平会由低电平变为高电平，此时单片机定时器开始计时.

(4)当超声波触碰到桌面返回后会被模块接收，接收回波的引脚ECHO端的电平会重新恢复到低电平，同时单片机计时结束，所记下的时间便是超声波从发射到回收的总时长.

2 系统软件设计

视力保护监控仪软件部分主要包括视力保护监控主程序、超声波测距子程序、光强度检测子程序、计时子程序和报警子程序.主要是通过超声波传感测距模块发出的超声波波速以及接收信号的时间差来计算身体与桌面的距离，完成距离监控，通过光敏传感器采集光线信号来检测当前光线亮度值，完成光线亮度监控及显示，通过单片机定时来计算学习时间，完成作息时间监控.图9、图10及图11分别为超声波测距子程序流程图、光强度检测子程序流程图和计时子程序流程图.