多功能学生智能学习伴侣设计

徐国霞　余浩

【摘 要】设计制作一款多功能智能学习伴侣，主要运用了高亮LED灯、人体红外、电容触摸、超声波、DS18B20等传感器和单片机构成的多功能控制电路。该智能学习伴侣拥有超大的LED液晶显示屏与人进行人机交互，具有显示时间、闹钟提醒、计时提醒、无人关灯、温度显示高温报警、课程提醒、学习计划提醒等功能，且能纠正坐姿，防止近视。

【关键词】人机交互;多功能;规范坐姿

中图分类号： TP368 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）34-0024-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.34.007

Design of Multifunctional Student Intelligence Learning Companion

XU Guo-xia YU Hao

（Anhui Xinhua University， Hefei Anhui 230088， China）

【Abstract】Design and manufacture a multi-functional intelligent learning companion， mainly using multi-function control circuit composed of high-brightness LED light， human infrared， capacitive touch， ultrasonic， DS18B20 and other sensors. The intelligent learning companion has an oversized LED screen for human-computer interaction， with display time， alarm reminder， timing reminder， no-light off， temperature display high temperature alarm， course reminder， learning plan reminder， etc.， and can correct Sitting posture to prevent myopia.

【Key words】Human-computer interaction; Multifunction; Normative sitting posture

0 引言

在社会不断发展的背景下，智能高科技决定着电子产业发展的新趋势和光明的未来，智能化科技在电子产品领域的应用有着极其重要的意义。伴随着家用电器的科学技术迅速发展，智能化已经应用于生活中的有抽油机，电热水器，洗碗机等[1]。与平时常用的家用电器相比，发现单片机制造的家用电器功能种类更多，使用起来更简单、更安全，最重要的是能够节省能源，提高了家用电器的品质。希望能借用这次毕业设计的机会，对学生在学习中常用的伴侣台灯产品进行一些新的改动。

因此，本文旨在研究智能化学习伴侣，可以陪伴学生一起学习。即使目前灯具市场的主体还是按键式，但由于现代科技的进步和大家对生活水平的不断提高，已使传统的台灯感受到了产品更新换代所带来的危机感。本次设计的最大创新点在于一方面可以更节省电能源达到环保的效果，另一方面可以监督使用者的坐姿，预防成为近视眼和腰背弯曲。并且，在光线不足的时候，系统可以启动语音控制指令开关灯的功能，避免了夜间摸黑的麻烦，达到最佳的效果。

1 系统方案设计

整个系统是在单片机STC89C51RC控制下工作的。其工作过程为：由热释电传感器检测一定范围内是否有人在，当没有人时热释电传感器将输出低电平，单片机将停止工作。当有人靠近时，模块将输出高电平，单片机检测该电平后进入待机工作状态，在此过程中如果有人打开学习伴侣时则打开灯光。电容触摸分四种模式，第一次长按增加亮度，再次长按将降低亮度，单触摸关闭和开启学习伴侣，触摸开关四周隐藏4个微动开关，可以对学习伴侣进行一些设置等。学习伴侣在工作的时候，其内部计时器开始计时，当计时达到预计设定的时间时，将通过扬声器发出鸣响并闪速灯光提醒使用者起身活动。在使用者看书的过程中，学习伴侣的超声波模块时刻检测使用者眼睛距离书本的距离，如果距离过小，学习伴侣将关闭灯光提醒使用者，直到调整好坐姿才开启灯光。学习伴侣采用LCD12864液晶显示屏，上面有时间显示，日历显示，可设置闹钟提醒，计时提醒。温度传感器DS18B20采集环境温度，并通过一定的通信协议将数据传输给单片机，单片机将温度显示在显示屏上，并具有高温报警等功能。程序中还加入课程表的設计，可以通过按键将课程表添加进去，具有课程提醒功能。同理，还具有学习计划提醒功能。整个设计方案分五个大模块：温度传感器模块、超声波检测坐姿模块、电容触摸模块、液晶显示器模块、人体感应模块和桥驱动模块。系统设计方案如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 单片机STC89C52RC简介

STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。STC89C52RC使用经典的MCS-51内核，但是做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

2.2 三极管驱动电路

本次设计采用3个S8550三极管作为驱动电路。系统共有21个发光二极管，经过测试，每个三极管足够驱动7个二极管，从而使输出电流达到最佳状态。

2.3 温度传感器电路

DS18B20的数字温度计提供9至12位的摄氏温度测量，并具有与非易失性用户可编程上限和下限报警功能。适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电;温范围-55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃;独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯;DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温;DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内;可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温;在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快;测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。

2.4 LCD12864液晶显示器

该系统的菜单功能显示用LCD12864液晶显示器，其显示分辨率为128×64，内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字。也可完成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多。

2.5 HC-SR04超声波模块

单片机给TRIG至少10us的高电平信号;模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回;当有信号返回，模块ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。则测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2;单片机在得到ECHO高电平后将开启定时器开始计时，当此口变为低电平时关闭计时并读定时器的值，此时就为此次測距的时间，方可算出距离.如此不断的周期测，即可以达到你移动测量的值。即当我们离书本太近时，HC-SR04超声波会检测到眼睛距离课本太近，进而学习伴侣自动熄灭，当坐姿端正时，又会自动亮起。

2.6 HC-SR505人体感应模块

HR-SR501是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口LHI778探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备，尤其是干电池供电的自动控制产品。当人靠近或离开时会有感应，输出高电平，反之输出低电平，单片机根据高低电平自动开关学习伴侣。

2.7 系统硬件电路

本次设计主要控制中心大脑是STC89C52RC单片机，根据上述传感器以及显示屏的接法，各个传感器和模块分工工作相互协调，总设计原理图如图2所示。设计使用的电源为标准5vUSB供电，5V电压在身边到处都是，寻找方便，更人性化。

3 结论

本文以STC89C52RC单片机为核心芯片，设计并实现了智能学习伴侣。该智能学习伴侣当人在有效感应范围内活动，开关将持续接通，待人离开后，延时自动关闭负载，实现了“人来灯亮、人走灯熄”的智能控制功能。红外线感应开关的另一特点是应用光敏控制，开关自动测光，光线强时不感应。触控设备通常内置触摸感应芯片，通过手指触摸带来电容变化，从而控制开关或灯具。而且现在许多大学生眼睛都有着不同程度近视，我想着结合学习伴侣帮助学生纠正正确坐姿，预防近视当无人在时，系统也会使学习伴侣自动熄灭，以达到节省能源的目的。该学习伴侣稳定性高，易于操作，程序可读性高，可升级。

【参考文献】

[1]张毅刚.单片机原理及应用[M].高等教育出版社，2012（1）：1-394.

[2]王东峰.单片机C语言应用100例[M].电子工业出版社，2009.

[3]孙家启，万家华.新编C语言程序设计与教程[M].中国水利水电出版社，2013.