基于51單片機(jī)的自動(dòng)化視力保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅文渙 鄢艷紅

摘要：為兒童青少年?duì)I造適宜的用眼環(huán)境，培養(yǎng)良好的用眼和衛(wèi)生習(xí)慣，降低近視率，設(shè)計(jì)一視力保護(hù)系統(tǒng)。采用STC89C52單片機(jī)作為主控核心處理器，以及使用傳感器，實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)關(guān)燈，并從人體坐姿距離、光照強(qiáng)度和用眼時(shí)長(zhǎng)三個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)使用者健康用眼的功能，達(dá)到了便利、全面、有效的保護(hù)視力的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);視力保護(hù);光照度檢測(cè);超聲波測(cè)距;人體紅外檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

文章編號(hào)：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(guó)兒童青少年近視低齡化、重度化的日益嚴(yán)重，在2018年由教育部、國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)、國(guó)家體育總局等八部委印發(fā)的《綜合防控兒童青少年近視實(shí)施方案》中明確提出近視防控目標(biāo)要到2023年力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)全國(guó)兒童青少年總體近視率在2018年的基礎(chǔ)上每年降低0.5個(gè)百分點(diǎn)，至2030年實(shí)現(xiàn)全國(guó)兒童青少年新發(fā)近視率明顯下降[1]。因此，考慮運(yùn)用科學(xué)技術(shù)手段，為兒童青少年?duì)I造適宜的用眼環(huán)境，培養(yǎng)他們良好的用眼及衛(wèi)生習(xí)慣，降低其近視率，具有一定的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C52為核心，使用HC-SR501人體紅外傳感器設(shè)計(jì)了人體紅外檢測(cè)模塊進(jìn)行智能開(kāi)關(guān)燈，采用GL5539光敏電阻進(jìn)行環(huán)境光照度檢測(cè)，并利用 PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)對(duì) LED 臺(tái)燈進(jìn)行光照度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，采用HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器檢測(cè)人體坐姿與書(shū)桌的距離以及使用臺(tái)燈的用眼時(shí)長(zhǎng)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)報(bào)警和語(yǔ)音提示，從而達(dá)到了保護(hù)視力的目的。相關(guān)流程如圖1所示。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要由8大模塊組成，分別是主控電路模塊、人體紅外檢測(cè)模塊、光照度檢測(cè)模塊、A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、超聲波測(cè)距模塊、LCD液晶顯示模塊、語(yǔ)音/聲光報(bào)警模塊以及按鍵模塊，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及硬件電路設(shè)計(jì)原理圖分別如圖2、圖3所示[2-7]。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主控電路模塊選擇STC89C52單片機(jī)作為核心處理器，主要起到輸出時(shí)鐘信號(hào)，控制系統(tǒng)程序的存儲(chǔ)與執(zhí)行作用。人體紅外檢測(cè)模塊在整個(gè)系統(tǒng)起到智能控制電源啟動(dòng)或關(guān)閉的作用，當(dāng)檢測(cè)到有人則視力保護(hù)系統(tǒng)開(kāi)始工作，無(wú)人時(shí)則處于待機(jī)狀態(tài)。光照度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)分成自動(dòng)調(diào)節(jié)模式和手動(dòng)調(diào)節(jié)模式。自動(dòng)調(diào)節(jié)模式主要通過(guò)光敏電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。手動(dòng)調(diào)節(jié)模式主要通過(guò)按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)/手動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換、LED燈的開(kāi)關(guān)和光照亮度的調(diào)節(jié)。超聲波測(cè)距模塊的主要作用是檢測(cè)人體坐在書(shū)桌前學(xué)習(xí)時(shí)，頭部距離書(shū)桌的距離。如果距離小于30cm，則進(jìn)行聲光報(bào)警。LCD液晶顯示模塊的主要工作是顯示重要信息數(shù)值：用眼環(huán)境光照強(qiáng)度、LED臺(tái)燈光照強(qiáng)度、超聲波測(cè)距距離和倒計(jì)時(shí)剩余時(shí)間等，以方便使用者觀(guān)察，適當(dāng)做出調(diào)整，如時(shí)間超過(guò)定時(shí)的時(shí)間，則進(jìn)行語(yǔ)音提示。按鍵模塊可分為兩大部分，一部分負(fù)責(zé)設(shè)置超聲波測(cè)距上限和定時(shí)上限，由按鍵S2～S5來(lái)完成;另一部分負(fù)責(zé)自動(dòng)/手動(dòng)調(diào)節(jié)模式的轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)，并可在手動(dòng)調(diào)節(jié)模式下進(jìn)行人為調(diào)節(jié)LED臺(tái)燈的照明亮度，由按鍵S6～S9來(lái)完成。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

人體紅外檢測(cè)模塊檢測(cè)有人即啟動(dòng)，接通電源工作，程序進(jìn)行初始化，超聲波測(cè)距檢測(cè)、光照度檢測(cè)、定時(shí)倒計(jì)時(shí)開(kāi)始執(zhí)行，啟動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)模式，LCD液晶顯示器顯示數(shù)據(jù)，包括環(huán)境光強(qiáng)度，LED臺(tái)燈光強(qiáng)度、測(cè)距距離和倒計(jì)時(shí)時(shí)間;掃描按鍵模塊，檢測(cè)是否有按鍵按下，當(dāng)設(shè)置按鍵按下，執(zhí)行測(cè)距范圍或定時(shí)范圍的設(shè)置;當(dāng)手動(dòng)調(diào)節(jié)按鍵按下，掃描檢測(cè)光亮度變亮/暗按鍵是否按下，按下變亮按鍵燈光變亮，按下變暗按鍵燈光變暗，無(wú)按鍵按下則不變;判斷測(cè)距范圍和倒計(jì)時(shí)閾值是否達(dá)到，若達(dá)到執(zhí)行語(yǔ)音/聲光報(bào)警。總體軟件主程序流程圖如圖4所示。

主程序代碼實(shí)現(xiàn)如表1所示。

2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)上電后，電源指示燈點(diǎn)亮，LCD液晶顯示屏有顯示，第一行分別顯示環(huán)境光亮度L和人與桌面之間距離DIS，在第二行顯示分別LED臺(tái)燈的光照亮度LAMP和倒計(jì)時(shí)時(shí)間。當(dāng)周?chē)h(huán)境光照度偏昏暗時(shí)，LED臺(tái)燈照射出一定亮度的燈光。用手稍微遮擋住光敏電阻周?chē)墓饩€(xiàn)，營(yíng)造出光線(xiàn)變暗的狀態(tài)，可觀(guān)察到LED臺(tái)燈的亮度在適當(dāng)變亮;用人臉往超聲波測(cè)距傳感器靠近，距離在小于30cm左右時(shí)，聲光報(bào)警模塊的LED燈和蜂鳴器同時(shí)啟動(dòng)提醒，倒計(jì)時(shí)工作停止。當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)變?yōu)?0：00：00時(shí)，語(yǔ)音模塊發(fā)出提示音提醒。當(dāng)人體離開(kāi)人體紅外傳感器的感受范圍后，系統(tǒng)在10S后停止所有工作，處于待機(jī)狀態(tài)。圖5為系統(tǒng)工作測(cè)試狀態(tài)。

3總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的視力保護(hù)系統(tǒng)，運(yùn)用人體紅外感應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化啟動(dòng)與關(guān)閉系統(tǒng)，更好地做到節(jié)能的效果。運(yùn)用光照度檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)用眼環(huán)境的光照度狀態(tài)，并結(jié)合PWM脈寬調(diào)節(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能補(bǔ)光，避免工作學(xué)習(xí)時(shí)因光線(xiàn)過(guò)暗而使眼睛過(guò)度疲勞，影響用眼健康。運(yùn)用超聲波測(cè)距技術(shù)檢測(cè)人在書(shū)桌前的坐姿規(guī)范，避免因用眼距離太近而導(dǎo)致視力的受損，實(shí)現(xiàn)了從人體坐姿距離、光照強(qiáng)度和用眼時(shí)長(zhǎng)三個(gè)方面進(jìn)行視力保護(hù)，能夠達(dá)到保護(hù)兒童、青少年視力的目的。

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