預防近視提醒器的設計與實現

孫慧萍

（山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同 037009）

在當下社會，近視已經趨向低齡化。本文主要設計了基于STC89C52 單片機的預防近視提醒器。本設計重心主要在超聲波傳感器電路監控用眼距離、光線強度檢測電路檢測光強、定時電路設定用眼時間三個方面，通過報警電路示意用戶來起到預防近視的作用。

1 總體方案設計

預防近視提醒器的主控制器是STC89C52單片機。系統方案設定用戶臉部到書本間的距離為30 cm，采用超聲波測距模塊進行檢測。利用單片機內部定時功能設定時間為45 min。通過光敏電阻與AD 模塊相結合來接收信號，并把光線強度精確化、等級化，然后由系統對光線強度進行判斷，當光強不足時報警模塊發出警報。系統總體的設計方框圖如圖1所示。

圖1 系統總體方框圖

2 硬件設計

2.1 主控制模塊

在單片機XTAL1 和XTAL2 引腳上跨接一個晶振和兩個穩頻電容[1]，這樣能夠實現與單片機內部電路的連接組成一個性能良好的自激晶振電路，從而給單片機輸送信號；將按鍵與電容組成的電路與RST相連。單片機RST引腳上出現24個時鐘振蕩脈沖（2個機器周期）以上的高電平，單片機便可實現初始化狀態復位[2]。主控制最小系統電路如圖2所示。

圖2 單片機主控電路

2.2 電源電路模塊

系統電源電路模塊總電壓為4.5 V的三節南孚電池供電，由于本設計的系統標準工作電壓為5 V，因此在電路中加入LM7805 穩壓芯片來保證輸出的電壓為5 V。

2.3 報警電路模塊

報警模塊由PNP 型三極管S8550 和蜂鳴器組成[3]。由于超聲波測距電路、光檢測電路以及定時電路達到指定數據時，三極管基電極b從單片機得到一個微弱的信號，發射極e 與基電極b 的電壓相差0.7 V，這時發光二極管和蜂鳴器被驅動，電路發出報警，提示用戶規范其用眼行為。

2.4 光照強度檢測模塊

由光敏電阻接收光強，配合ADC0832雙通道A/D轉換芯片進行光電轉換構成光照強度檢測電路。電路如圖3所示。

圖3 光照強度檢測電路

2.5 超聲波測距模塊

用戶臉部到桌子的實際距離采用HC-RS04超聲波模塊來進行測量的，HC-RS04 模塊內部包括圓錐型共振板和兩個壓電晶片。波發送器電路、波接收器電路、控制電路、以及電源電路組成了超聲波傳感器電路。

3 軟件設計

本設計采用Keil4編程軟件，它包括編譯器、宏匯編、連接器、庫管理以及仿真調試器等[4]。首先根據設計要求確定該系統的主程序，然后根據每個電路的特點設計子程序，最后將子程序嵌入到主程序中。本設計軟件方框圖如圖4所示。

圖4 系統軟件設計方框圖

3.1 系統主程序設計

圖5為系統主程序流程圖。

圖5 系統主程序流程圖

3.2 系統子程序設計

本系統包含了三個檢測模塊：光線強度檢測模塊、定時器模塊、超聲波測距模塊。

（1）光照強度檢測子程序

當光強發生變化時光敏電阻會根據對應的的規則進行相應的阻值調節，通過ADC0832 雙通道A/D轉換芯片轉換為具體的數字信號。圖6 為光照強度檢測子程序流程圖。

圖6 光照強度檢測子程序流程圖

（2）超聲波測距子程序

利用單片機編程產生40 kHz 的方波，經發射驅動電路放大，使超聲波傳感器發射端產生振蕩，發射超聲波[5]。圖7為超聲波測距子程序流程圖。

圖7 超聲波測距子程序流程圖

（3）定時電路子程序

定時功能用于對使用時間的定時（設置為45 min）。圖8為定時電路子程序流程圖。

圖8 定時電路子程序流程圖

4 系統仿真、PCB設計及安裝調試

4.1 系統仿真

采用protues 軟件仿真模擬出電路的各項性能，進行分析并改進。系統仿真電路圖如圖9所示。

圖9 系統仿真電路圖

4.2 PCB設計

采用單面板設計，根據PCB 設計的步驟，最終設計的PCB如圖10所示。

圖10 系統PCB設計圖

4.3 安裝調試

確定元件無誤后，根據各元件在PCB 圖中的位置進行焊接。焊接完成后，燒入仿真調試過的程序，然后給系統上電。

（1）系統參數設定

按下電源開關，按下參數設定按鍵，LCD1602 顯示參數設定界面，通過參數的加、減按鍵進行用眼距離的設定（這里將其設定為30 cm）；再按下參數設定按鍵進行光照強度的設定，最后按下參數設定按鍵，退出參數設定頁面（在這里由于定時時間由軟件控制，不對定時時間進行手動調整）。

（2）系統工作調試

按下系統工作鍵，此時系統進入定時狀態。當超聲波測距模塊檢測到與使用者之間的距離小于30 cm、光檢測模塊檢測到光線不足或者定時達到45 min時報警器發出報警并且LED 燈閃爍。若按下暫停鍵，定時器會停止計時，并且系統不會發出報警；而后按下開始鍵，系統恢復正常工作；當復位鍵按下時，系統又恢復到初始的狀態。系統測距報警圖如圖11所示。

5 總結

圖11 系統測距報警圖

基于STC89C52單片機的預防近視提醒器設計合理，能夠有效的起到預防近視、防止駝背、提高學習效率的作用。