系統(tǒng)概述

設(shè)計要求

綜合運用所學(xué)的模擬電子技術(shù)、單片機原理及應(yīng)用等專業(yè)知識，以STC89C52為主控芯片來設(shè)計并制作一個視力保護儀，且可實現(xiàn)光強的測量，距離的測量，使用時間監(jiān)測及報警等功能，用LCD來顯示時間，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，電路發(fā)出聲光或語音提示，糾正坐姿；

（2）當(dāng)讀寫環(huán)境光線強度不夠或過大時，電路發(fā)出聲光或語音提示；

（3）當(dāng)使用的時間達到30分鐘時，電路會自動發(fā)出語音提示，提醒使用者注意休息；

（4）使用LCD顯示距離、時間等各種參數(shù)信息。

總體設(shè)計

總體設(shè)計的框圖如圖1-1所示，其由STC89C52單片機、測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：用來當(dāng)視力保護儀的核心控制器。

測距模塊：通過超聲波測距測量桌子與使用者之間的距離，若距離過近則會產(chǎn)生聲光警報來提醒使用者。

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

LCD模塊：顯示光強、距離等相關(guān)參數(shù)信息。

其中STC89C52模塊里面包括了單片機最小系統(tǒng)電路，可通過按鍵模塊設(shè)置鬧鐘定時的時間，經(jīng)過單片機后在LCD上顯示出來。同時按鍵也可設(shè)置被測距離的警報下限值，以此來對應(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)計框圖

系統(tǒng)設(shè)計的整體方案

測距模塊的方案論證

方案一：紅外線測距

如若采用紅外線測距，根據(jù)其原理是運用了紅外線傳播時不擴散的原理，可知紅外線穿越物質(zhì)的折射率小，比較適合長距離的測距。但是紅外線傳播需要時間，當(dāng)紅外線發(fā)出，到碰到反射物，再到反射回來被接收到，再從紅外線發(fā)出到被接受的時間和紅外線的傳播速度才可以計算出距離。另外及易受到太陽光或者其他光源的干擾。

方案二：超聲波測距

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

綜上所述，兩者相對比較，都有自己的優(yōu)缺點，但考慮到課題所制作的視力保護儀的功能，優(yōu)先使用超聲波測距，對使用環(huán)境比較匹配，電路更簡潔，軟件設(shè)計更方便。

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內(nèi)容人機交互的界面不夠好。

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)，并且能夠同時顯示16×02即32個字符，所以能快速的，同時的顯示出相應(yīng)參數(shù)，其本身也控制簡單，成本較低。

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

光強檢測模塊的方案論證

方案一：光敏二極管

其擁有一個光敏特征的PN結(jié)，也是有著單向?qū)щ娦?，因此?dāng)光線強度不一時，電路中的電流也會有相應(yīng)的改變。無光照時，光敏二極管截止，當(dāng)有光照入射時，其飽和反向漏電流相應(yīng)增大，形成了光電流，此電流會隨入射光亮度的變化而變化。其光電流小，響應(yīng)時間較快。有光導(dǎo)電，無光不導(dǎo)。但是工作時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，又稱光導(dǎo)管，其電阻隨光的變化而相應(yīng)變化?？梢姽饣旧隙寄芨袘?yīng)到。當(dāng)光照強度變大時，其阻值開始變小，電流增大。其反應(yīng)速度比較快，體積小，可靠性好，價格實惠，經(jīng)濟成本低，適用在DC電路使用。但是時延較大，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儀的要求，且體積小便宜實惠，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檢測模塊的應(yīng)用。

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

硬件電路的總體設(shè)計

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

圖3-1 總體電路設(shè)計圖

晶振電路的設(shè)計

單片機最小系統(tǒng)的電路設(shè)計

晶振稱為石英晶體振蕩器，在單片機中是給單片機提供一個脈沖讓單片機開始工作的，脈沖就是單片機的工作的速度，一般都不大于24M。如果沒有晶振電路來起振驅(qū)動單片機，那么單片機就無法執(zhí)行程序，或者運行不夠規(guī)律，整個系統(tǒng)在執(zhí)行程序的時候也會在某些方面出現(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，接入的兩個電容的值也是一樣的，通過引腳兩端接入單片機的XTAL1和XTAL2兩個引腳，再接兩個微調(diào)電容，兩個電容互相連接的那一端一定得接地，這樣就成了一個穩(wěn)定的自激振蕩器。如圖3-2所示。

圖3-2 晶振電路設(shè)計圖