基于51单片机的自动化视力保护系统的设计与实现

罗文涣 鄢艳红

摘要：为儿童青少年营造适宜的用眼环境，培养良好的用眼和卫生习惯，降低近视率，设计一视力保护系统。采用STC89C52单片机作为主控核心处理器，以及使用传感器，实现智能开关灯，并从人体坐姿距离、光照强度和用眼时长三个方面来实现保护使用者健康用眼的功能，达到了便利、全面、有效的保护视力的目标。

关键词：单片机;视力保护;光照度检测;超声波测距;人体红外检测

中图分类号：TP39     文献标识码： A

文章编号：1009-3044（2021）14-0213-02

Abstract： To create a suitable eye environment for children and adolescents， cultivate good eye use and hygiene habits， reduce myopia rate， and design a vision protection system. The STC89C52 single chip microcomputer is used as the main control core processor and sensors are used to realize the intelligent switching of lights， and the function of protecting users' healthy eyes is realized from three aspects of sitting distance， illumination intensity and eye duration， thus achieving the goal of convenient， comprehensive and effective eyesight protection.

Key words： single chip microcomputer; vision protection; illuminance detection; ultrasonic ranging; infrared detection of human body

1 引言

我國儿童青少年近视低龄化、重度化的日益严重，在2018年由教育部、国家卫生健康委员会、国家体育总局等八部委印发的《综合防控儿童青少年近视实施方案》中明确提出近视防控目标要到2023年力争实现全国儿童青少年总体近视率在2018年的基础上每年降低0.5个百分点，至2030年实现全国儿童青少年新发近视率明显下降[1]。因此，考虑运用科学技术手段，为儿童青少年营造适宜的用眼环境，培养他们良好的用眼及卫生习惯，降低其近视率，具有一定的研究意义和应用价值。

2系统总体方案设计

系统以单片机STC89C52为核心，使用HC-SR501人体红外传感器设计了人体红外检测模块进行智能开关灯，采用GL5539光敏电阻进行环境光照度检测，并利用 PWM 脉宽调制技术对 LED 台灯进行光照度的自动调节，采用HC-SR04超声波测距传感器检测人体坐姿与书桌的距离以及使用台灯的用眼时长监测，并及时报警和语音提示，从而达到了保护视力的目的。相关流程如图1所示。

2.1 硬件系统设计

硬件系统主要由8大模块组成，分别是主控电路模块、人体红外检测模块、光照度检测模块、A/D数模转换模块、超声波测距模块、LCD液晶显示模块、语音/声光报警模块以及按键模块，硬件系统结构图及硬件电路设计原理图分别如图2、图3所示[2-7]。

本系统设计主控电路模块选择STC89C52单片机作为核心处理器，主要起到输出时钟信号，控制系统程序的存储与执行作用。人体红外检测模块在整个系统起到智能控制电源启动或关闭的作用，当检测到有人则视力保护系统开始工作，无人时则处于待机状态。光照度检测模块设计分成自动调节模式和手动调节模式。自动调节模式主要通过光敏电阻来实现。手动调节模式主要通过按键来实现，可实现自动/手动模式的转换、LED灯的开关和光照亮度的调节。超声波测距模块的主要作用是检测人体坐在书桌前学习时，头部距离书桌的距离。如果距离小于30cm，则进行声光报警。LCD液晶显示模块的主要工作是显示重要信息数值：用眼环境光照强度、LED台灯光照强度、超声波测距距离和倒计时剩余时间等，以方便使用者观察，适当做出调整，如时间超过定时的时间，则进行语音提示。按键模块可分为两大部分，一部分负责设置超声波测距上限和定时上限，由按键S2～S5来完成;另一部分负责自动/手动调节模式的转换功能实现，并可在手动调节模式下进行人为调节LED台灯的照明亮度，由按键S6～S9来完成。

2.2 软件设计

人体红外检测模块检测有人即启动，接通电源工作，程序进行初始化，超声波测距检测、光照度检测、定时倒计时开始执行，启动自动调节模式，LCD液晶显示器显示数据，包括环境光强度，LED台灯光强度、测距距离和倒计时时间;扫描按键模块，检测是否有按键按下，当设置按键按下，执行测距范围或定时范围的设置;当手动调节按键按下，扫描检测光亮度变亮/暗按键是否按下，按下变亮按键灯光变亮，按下变暗按键灯光变暗，无按键按下则不变;判断测距范围和倒计时阈值是否达到，若达到执行语音/声光报警。总体软件主程序流程图如图4所示。

主程序代码实现如表1所示。

2.3 系统实现

系统上电后，电源指示灯点亮，LCD液晶显示屏有显示，第一行分别显示环境光亮度L和人与桌面之间距离DIS，在第二行显示分别LED台灯的光照亮度LAMP和倒计时时间。当周围环境光照度偏昏暗时，LED台灯照射出一定亮度的灯光。用手稍微遮挡住光敏电阻周围的光线，营造出光线变暗的状态，可观察到LED台灯的亮度在适当变亮;用人脸往超声波测距传感器靠近，距离在小于30cm左右时，声光报警模块的LED灯和蜂鸣器同时启动提醒，倒计时工作停止。当倒计时变为00：00：00时，语音模块发出提示音提醒。当人体离开人体红外传感器的感受范围后，系统在10S后停止所有工作，处于待机状态。图5为系统工作测试状态。

3总结

本文设计了基于单片机的视力保护系统，运用人体红外感应技术实现智能化启动与关闭系统，更好地做到节能的效果。运用光照度检测技术检测用眼环境的光照度状态，并结合PWM脉宽调节技术实现智能补光，避免工作学习时因光线过暗而使眼睛过度疲劳，影响用眼健康。运用超声波测距技术检测人在书桌前的坐姿规范，避免因用眼距离太近而导致视力的受损，实现了从人体坐姿距离、光照强度和用眼时长三个方面进行视力保护，能够达到保护儿童、青少年视力的目的。

参考文献：

[1] 张国梅.儿童青少年近视的管理技术[J].实用防盲技术，2019，14（4）：174-176，136.

[2] 霍海波.基于单片机的超声波测距系统设计[J].电子技术与软件工程，2019（14）：246-247.

[3] 李书婷.多功能超声波视力保护系统设计[J].自动化与仪表，2019，34（1）：104-108.

[4] 王迎雨，王哲.基于坐姿感应的智能视力保护台灯设计[J].电子制作，2018（19）：41-42.

[5] 温美逊，张辉，张晋滔.基于Arduino的视力保护仪设计[J].工业控制计算机，2018，31（12）：151-153.

[6] 张文玥，王晓飞，孙沛诗，等.基于单片机的视力保护系统设计[J].实验室研究与探索，2018，37（9）：116-119.

[7] 汪雪君.立体视觉测试装置的软硬件设计与实现[D].南京：南京理工大学，2013.

【通联编辑：梁书】