多功能學生智能學習伴侶設計

徐國霞　余浩

【摘 要】設計制作一款多功能智能學習伴侶，主要運用了高亮LED燈、人體紅外、電容觸摸、超聲波、DS18B20等傳感器和單片機構成的多功能控制電路。該智能學習伴侶擁有超大的LED液晶顯示屏與人進行人機交互，具有顯示時間、鬧鐘提醒、計時提醒、無人關燈、溫度顯示高溫報警、課程提醒、學習計劃提醒等功能，且能糾正坐姿，防止近視。

【關鍵詞】人機交互;多功能;規(guī)范坐姿

中圖分類號： TP368 文獻標識碼： A 文章編號： 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

在社會不斷發(fā)展的背景下，智能高科技決定著電子產業(yè)發(fā)展的新趨勢和光明的未來，智能化科技在電子產品領域的應用有著極其重要的意義。伴隨著家用電器的科學技術迅速發(fā)展，智能化已經應用于生活中的有抽油機，電熱水器，洗碗機等[1]。與平時常用的家用電器相比，發(fā)現單片機制造的家用電器功能種類更多，使用起來更簡單、更安全，最重要的是能夠節(jié)省能源，提高了家用電器的品質。希望能借用這次畢業(yè)設計的機會，對學生在學習中常用的伴侶臺燈產品進行一些新的改動。

因此，本文旨在研究智能化學習伴侶，可以陪伴學生一起學習。即使目前燈具市場的主體還是按鍵式，但由于現代科技的進步和大家對生活水平的不斷提高，已使傳統的臺燈感受到了產品更新換代所帶來的危機感。本次設計的最大創(chuàng)新點在于一方面可以更節(jié)省電能源達到環(huán)保的效果，另一方面可以監(jiān)督使用者的坐姿，預防成為近視眼和腰背彎曲。并且，在光線不足的時候，系統可以啟動語音控制指令開關燈的功能，避免了夜間摸黑的麻煩，達到最佳的效果。

1 系統方案設計

整個系統是在單片機STC89C51RC控制下工作的。其工作過程為：由熱釋電傳感器檢測一定范圍內是否有人在，當沒有人時熱釋電傳感器將輸出低電平，單片機將停止工作。當有人靠近時，模塊將輸出高電平，單片機檢測該電平后進入待機工作狀態(tài)，在此過程中如果有人打開學習伴侶時則打開燈光。電容觸摸分四種模式，第一次長按增加亮度，再次長按將降低亮度，單觸摸關閉和開啟學習伴侶，觸摸開關四周隱藏4個微動開關，可以對學習伴侶進行一些設置等。學習伴侶在工作的時候，其內部計時器開始計時，當計時達到預計設定的時間時，將通過揚聲器發(fā)出鳴響并閃速燈光提醒使用者起身活動。在使用者看書的過程中，學習伴侶的超聲波模塊時刻檢測使用者眼睛距離書本的距離，如果距離過小，學習伴侶將關閉燈光提醒使用者，直到調整好坐姿才開啟燈光。學習伴侶采用LCD12864液晶顯示屏，上面有時間顯示，日歷顯示，可設置鬧鐘提醒，計時提醒。溫度傳感器DS18B20采集環(huán)境溫度，并通過一定的通信協議將數據傳輸給單片機，單片機將溫度顯示在顯示屏上，并具有高溫報警等功能。程序中還加入課程表的設計，可以通過按鍵將課程表添加進去，具有課程提醒功能。同理，還具有學習計劃提醒功能。整個設計方案分五個大模塊：溫度傳感器模塊、超聲波檢測坐姿模塊、電容觸摸模塊、液晶顯示器模塊、人體感應模塊和橋驅動模塊。系統設計方案如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 單片機STC89C52RC簡介

STC89C52RC是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統可編程Flash存儲器。STC89C52RC使用經典的MCS-51內核，但是做了很多的改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。

2.2 三極管驅動電路

本次設計采用3個S8550三極管作為驅動電路。系統共有21個發(fā)光二極管，經過測試，每個三極管足夠驅動7個二極管，從而使輸出電流達到最佳狀態(tài)。

2.3 溫度傳感器電路

DS18B20的數字溫度計提供9至12位的攝氏溫度測量，并具有與非易失性用戶可編程上限和下限報警功能。適應電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0～5.5V，在寄生電源方式下可由數據線供電;溫范圍-55℃～+125℃，在-10～+85℃時精度為±0.5℃;獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊;DS18B20支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯在唯一的三線上，實現組網多點測溫;DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內;可編程的分辨率為9～12位，對應的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實現高精度測溫;在9位分辨率時最多在93.75ms內把溫度轉換為數字，12位分辨率時最多在750ms內把溫度值轉換為數字，速度更快;測量結果直接輸出數字溫度信號，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。

2.4 LCD12864液晶顯示器

該系統的菜單功能顯示用LCD12864液晶顯示器，其顯示分辨率為128×64，內置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點陣的漢字。也可完成圖形顯示，低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多。

2.5 HC-SR04超聲波模塊

單片機給TRIG至少10us的高電平信號;模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回;當有信號返回，模塊ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。則測試距離=（高電平時間*聲速（340M/S））/2;單片機在得到ECHO高電平后將開啟定時器開始計時，當此口變?yōu)榈碗娖綍r關閉計時并讀定時器的值，此時就為此次測距的時間，方可算出距離.如此不斷的周期測，即可以達到你移動測量的值。即當我們離書本太近時，HC-SR04超聲波會檢測到眼睛距離課本太近，進而學習伴侶自動熄滅，當坐姿端正時，又會自動亮起。

2.6 HC-SR505人體感應模塊

HR-SR501是基于紅外線技術的自動控制模塊，采用德國原裝進口LHI778探頭設計，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式，廣泛應用于各類自動感應電器設備，尤其是干電池供電的自動控制產品。當人靠近或離開時會有感應，輸出高電平，反之輸出低電平，單片機根據高低電平自動開關學習伴侶。

2.7 系統硬件電路

本次設計主要控制中心大腦是STC89C52RC單片機，根據上述傳感器以及顯示屏的接法，各個傳感器和模塊分工工作相互協調，總設計原理圖如圖2所示。設計使用的電源為標準5vUSB供電，5V電壓在身邊到處都是，尋找方便，更人性化。

3 結論

本文以STC89C52RC單片機為核心芯片，設計并實現了智能學習伴侶。該智能學習伴侶當人在有效感應范圍內活動，開關將持續(xù)接通，待人離開后，延時自動關閉負載，實現了“人來燈亮、人走燈熄”的智能控制功能。紅外線感應開關的另一特點是應用光敏控制，開關自動測光，光線強時不感應。觸控設備通常內置觸摸感應芯片，通過手指觸摸帶來電容變化，從而控制開關或燈具。而且現在許多大學生眼睛都有著不同程度近視，我想著結合學習伴侶幫助學生糾正正確坐姿，預防近視當無人在時，系統也會使學習伴侶自動熄滅，以達到節(jié)省能源的目的。該學習伴侶穩(wěn)定性高，易于操作，程序可讀性高，可升級。

【參考文獻】

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[3]孫家啟，萬家華.新編C語言程序設計與教程[M].中國水利水電出版社，2013.