基于單片機的多功能語音視力保護儀的設計與實現

賈巖巖，龐月枚

（桂林師范高等專科學校，廣西桂林， 541001）

0 引言

近年來，青少年視力的下降趨勢已引起廣泛關注。無論是國內還是國外，學生近視已成為當今世界范圍內發病率較高的眼病之一。隨著互聯網的普及和學習壓力的增加，過度用眼已逐漸成為現代人常見的不良習慣，這也是導致青少年近視加重的主要原因之一。然而，許多的產品功能單一、提醒效果不好，無法滿足人們對于視力保護的需求，這也讓人們的眼健康問題日益突出。

為此，我們迫切需要設計一款視力保護設備。其中，最根本的解決方法是改變使用不正確的讀寫姿勢，才能有效地預防近視等問題的發生。因此，設計一種全新的視力保護品即尤為重要。基于此需求，本文采用單片機多功能語音技術，設計了一款多功能視力保護儀，以解決當前市場上視力保護產品功能單一、提醒效果不佳等問題，同時能夠針對性地進行視力保護及身姿矯正，有效避免了使用不正確的讀寫姿勢所帶來的種種問題。

該款視力保護儀可以通過語音提示、振動提醒等多種方式，讓人們時刻牢記用眼保護的重要性，同時還可以記錄當前的使用時間和姿態情況，并據此提供個性化的使用建議。此外，它還能夠配合相應的軟件系統進行綜合分析，進一步提高視力保護的效果。總之，這款產品旨在為人們打造一個科技化、智能化且高效的視力保護方案，良好地服務于每一位有需要的用戶，幫助人們有效地保護自己的視力健康。

1 系統總體設計

這款多功能視力保護儀采用STC89C52 單片機作為核心控制單元，使用多種功能模塊，包括主控制模塊，電源模塊，按鍵控制模塊，測距模塊，顯示模塊，光線強度檢測模塊，以及報警提示模塊。整體設計框圖如圖1 所示，涵蓋了全部的功能模塊，為人們提供了全方位的視力保護服務。

圖1 設計總方框圖

2 系統硬件設計

該設備硬件部分包括主控制器、超聲波測距模塊、光線檢測模塊、LCD 顯示模塊和蜂鳴器告警模塊、語音提示模塊構成，可以有效地檢測光線的亮度、人體與書本之間的距離，并具備時間計時功能。

■2.1 主控制模塊

主控制器是多功能視力保護儀的核心模塊之一，它主要與顯示模塊、語音模塊、晶振電路、AD 模塊及按鍵模塊相連。控制器的P0 口用于接收和輸出指令字節，同時也連接了顯示模塊，實現了屏幕數據的顯示。P1 口則作為主控制模塊的輸入端口，在其中，P1.0 和P1.2 分別作為定時器/計數器的輸入端口，與顯示屏相連以實現學習時間的顯示。另外，P13/14/15 主要與AD 模塊相連，實現光線強度的檢測。

在主控制模塊中，P2 口能夠輸出P2 鎖存器的內容，它通過編程并接收控制信號，連接了語音芯片，實現了語音提示的功能。而P3 口，則被用于接收控制信號，并作為一個特殊功能模塊，連接了獨立控制器，對相應的應用進行閾值設置，確保系統正常運行。主控模塊電路如圖2 所示。

圖3 蜂鳴器報警電路圖

■2.2 報警電路

多功能視力保護儀中的報警電路是一項非常重要的功能模塊，它能夠通過蜂鳴器和語音播報模塊來提醒用戶注意眼睛健康和正確使用姿勢。在該設備中，使用三極管驅動蜂鳴器，且將蜂鳴器與發光二極管進行并聯使用，實現聲音和燈光的同時報警作用。

具體地說，蜂鳴器和發光二極管的正極連接到三極管的集電極，負極則接地。而三極管的基極通過限流電阻連接到問題出現時，蜂鳴燈會亮起并發出報警聲，同時語音播報也會提醒使用者注意保護眼睛。語音電路如圖4 所示。

圖4 語音電路圖

■2.3 液晶顯示電路

單片機的引腳上，并可通過程序控制引腳的電平高低來控制報警電路是否工作。

當控制器的P2.7 管腳輸出高電平時，三極管截止，無法形成回路，發光二極管不會導通，蜂鳴器也不會發出告警聲音。而當控制器輸出低電平時，三極管將導通形成告警回路，這時，蜂鳴器和發光二極管將發生聲光告警。因此，報警電路可以實現通過程序控制來控制蜂鳴器是否發出聲音或者發光二極管是否發亮等功能。蜂鳴器報警電路如圖3 所示。

另外，該系統還采用了語音播報模塊來提醒用戶。該模塊是通過連接喇叭與語音芯片構成的，主要完成單片機程序中固定的提示內容文本內容的播報，直接將信息傳達給使用者。該模塊連接到主控模塊P2 口，并通過采樣轉換為數字信號進行存儲和處理。當使用者與書桌之間的距離過近、光線過弱等液晶顯示電路采用LCD1602液晶顯示器作為顯示數據的器件，由LCD 控制器、驅動電路、隨機存取存儲器、只讀存儲器以及液晶顯示面板共同組成。該電路通過與單片機相連，實現對各模塊電路發送給單片機的數據進行讀取，并將這些數據實時顯示在顯示器上。具體來說，D0-D7分別接到單片機的P0.0-P0.7 管腳，E 接到單片機的P1.2管腳，RW 接到單片機的P1.1 管腳，RS 接到單片機的P1.0管腳，R1 連接顯示LCD 顯示模塊的VO 管腳，用來調節液晶顯示器明暗亮度。此外，在顯示屏上還能夠實時顯示數字，包括當前學習時間、光線強度以及頭部與桌面的距離。該液晶顯示電路中，LCD1602 管腳圖如圖5 所示。總的來說，該電路設計合理，能夠穩定地實現數據的讀取和顯示，具有較高的實用性和可靠性。

圖5 LCD1602 管腳圖

■2.4 按鍵控制電路

按鍵控制模塊用6 個獨立按鍵來進行設定參數，和設定光照強度報警值。按鍵電路如圖7 所示，S0 為學習時間的加鍵，引腳連接單片機P3.0 口；S1 為學習時間的減鍵，引腳連接單片機P3.1 口；S2 為學習的開始鍵，也是時間的復位鍵，引腳連接單片機P3.4 口；S3 為學習時間的暫停鍵，當暫停鍵按下之后即使光線強度和頭部到桌面的距離超過設定值也不會發生報警，同時也是設置S5 的減鍵。引腳連接單片機P3.5 口；S4 為學習時間的繼續鍵，也是設置S5 的加鍵，引腳連接單片機P3.6 口；S5 為設置值鍵，通過S3、S4 鍵實現數值的加減，設置人與桌面的距離，設置光強度的閾值，完成后按S5 退出，引腳連接單片機P3.7 口。按鍵控制電路如圖6 所示。

圖6 按鍵控制電路圖

圖7 光照強度檢測電路圖

■2.5 光照強度檢測電路

光照強度檢測電路由光敏電阻和模數轉換芯片ADC0832 組成。

當環境中的光照強度發生變化時，光敏電阻的阻值也會發生變化，所分得的電壓也會發生相應的改變，模數轉換單元將光敏電阻所分得的電壓值轉換成8 位的數字信號，并將數字信號輸入單片機管腳進行處理，得到環境的光照強度，再將光照強度顯示在LCD 顯示屏上。

此外，當光線小于設定范圍時，聲光報警與語音提醒將會提醒使用者，提示當前光度較弱不適宜用眼。綜上所述，光照強度檢測電路設計合理，可靠性高，能夠對環境中的光強度進行實時監測，并通過報警和提醒的方式來保障用戶的視力健康。該電路如圖7 所示。

■2.6 超聲波坐姿測距

超聲波坐姿測距采用HC-SR04 模塊。該模塊利用超聲波的原理，通過接收器接收回響信號的時間差來計算兩點之間的距離。四個管腳中VCC 接5V 電源，GND 接地，Trig口接單片機的P1.6 口觸發超聲波信號，Echo 口接主控模塊P1.7 口輸入回響信號。整個電路圖如圖8 所示。總之，超聲波坐姿測距電路簡單可靠，實現了對人體坐姿的距離檢測，并為后續的數據處理提供了基礎支持。

圖8 超聲波坐姿測距電路圖

3 軟件設計

該系統軟件設計包括系統主程序、超聲波測距子程序、液晶顯示子程序、報警子程序及按鍵模塊子程序。

■3.1 主程序設計

系統主程序設計是整個系統的核心，其流程包括初始化、超聲波測距、光照強度判定、學習時間判定等多個步驟。在初始化后，程序會進行超聲波測距，并對所得實際距離進行判定。

若所測距離小于系統所設置的閾值，則產生聲光告警，否則繼續下一步。程序采集當前的環境光照強度，若不符合設定值將發出告警，符合則進行學時判定，超過所設閾值同樣會觸發告警，未達到學時閾值則返回第一步重新測量距離。系統主程序流程圖如圖9 所示。

圖9 主程序流程圖

■3.2 部分子程序設計

3.2.1 超聲波測距子程序設計

在測距模塊開啟后，該程序首先需要一個位置標志位，并選擇定時計數到1s 的位置，在發射端向外發射聲波的同時內部開啟定時器和中斷模塊。當聲波一直向外發射的過程中，若中斷被觸發，則說明發出去的超聲波遇到了障礙物，此時計時器停止計時，由單片機計算實時距離。反之，若沒有障礙物，超聲波會繼續向外發射。在計算距離的過程中，若距離小于設定閾值，則蜂鳴器和語音報警器將會發出報警。這樣，通過超聲波測距子程序的設計，可以實現對人體坐姿的距離檢測，并能夠為后續的數據處理提供基礎支持。該子程序流程圖如圖10 所示。

圖10 超聲波子程序流程圖

3.2.2 測光子程序設計

系統初始化完成后檢測光敏電阻分得的模擬電壓，再將電壓通過AD 模數轉換單元轉換成數字量，單片機處理后判斷是否超過所設最低值，若是則進行蜂鳴器告警和語音播報提醒，否則返回重新檢測光敏電阻的電壓。這樣，通過測光子程序的設計，可以實現對周圍環境光線強度的檢測和報警提示，進一步保障人體健康。該子程序流程圖如圖11 所示。

圖11 測光子程序流程圖

3.2.3 報警子程序設計

報警子程序是包括蜂鳴器和語音兩者相結合。該系統可以設置和調節眼睛與書本之間的安全距離，在特定情況下，超出安全距離時會自動產生報警與語音播報。當光線小于設定范圍時，聲光報警與語音提醒使用者，當前光度較弱不適合用眼；同時，當學習時間達到設定值，蜂鳴器也會發出報警。該子程序流程圖如圖12 所示。

圖12 報警子程序流程圖

4 系統調試

■4.1 硬件調試

在焊接電路板的時候，從單片機開始，一步一步地焊接并且一定要隨時檢測電路是不是導通的。焊接完成后，用STCISP 下載軟件并進行功能檢測。程序下載完成后，對系統進行上電。

實測中，通過按鍵對系統進行設置使用距離、光線強度和學習時間。系統開始工作，開始使用計時，第一，控制液晶顯示，顯示超聲波距離、光檢測閾值、學習時間是正常的話，說明這部分正常。第二，加入超聲波測距程序，并調整超聲波的來達到預期的效果，超過閾值發出報警，提醒使用者保持距離，則為正常。第三，光照強度是否低于設置閾值，低于閾值則發出報警，即為正常。第四，當學習時間到，發出報警，則為正常。實物圖如圖13 所示。

圖13 實物圖

■4.2 軟件調試

軟件調試一般分為以下四個階段：

（1）編寫程序并初步檢查錯誤；

（2）在匯編語言的編譯系統中編譯源程序；

（3）編制程序的鏈接，并及時發現程序中存在的錯誤；

（4）改正錯誤。

軟件編程檢查完，將單片機放到程序下載器上，通過USB 口與電腦連接，用STC-ISP-V480 軟件將仿真調試過的程序下載到單片機中。最終修改為0 錯誤與0 警告，軟件調試圖如圖14 所示。

圖14 軟件調試圖

■4.3 綜合調試

在完成系統軟件和硬件的設計后，我們將設計好的軟件刻錄至單片機中，以檢測軟硬件的兼容情況，并確定是否能夠依據預期目標運行。同時，我們還會具體檢測系統的穩定性和效率，排查出所有的bug 并進行程序結構的優化。在這一過程中，我們進行了多次測試運行，以確保超聲波測距、光線感知、定時時間和提示報警等功能能夠正常工作。通過測試，我們發現系統具有較高的穩定性和效率，并能夠準確地監測人體坐姿狀態，提醒用戶調整姿勢。

具體來說，我們在調試過程中發現，當距離過近、亮度過暗或者學習時間過長時，系統能夠準確地感知這些情況，并及時發出報警提示。這種智能化的設計讓使用者可以更加方便的控制自己的坐姿，避免長時間不正確的坐姿導致身體不適。總之，經過多次測試和調試，我們成功地設計出了一個高效、穩定、智能的電路系統，為人們的生活和健康帶來了極大的便利和保障。

5 結語

本設計系統采用STC89C52 單片機作為多功能視力保護儀的核心控制單元，具有高效、穩定和可靠的特點。

通過綜合測試，該設備能夠進行環境光過低、實現學時過長提醒，并且可以通過按鍵掃描對系統功能進行手動切換。此外，系統還配備了USB 接口，可以接光板，根據使用者需要自行選擇是否使用，提高了系統的使用靈活性。通過安裝調試，該系統穩定性高，操作簡單，方便實用。各個模塊能夠順暢運行，基本能達到預設的各項功能。啟動計時器后，可以開始計時，計時時間能夠顯示在屏幕上，使用者可以根據需要自行設置使用時間。同時，顯示屏還可以顯示人所處的環境亮度及使用者與桌面的距離范圍，這些信息對于保護眼部健康非常重要。

本設計還有某些不太完善的地方：

（1）設計應用單一。目前視力保護儀理論上能使人們端正坐姿，但是當學生側身以手托腮、側身趴在桌上或者靠在椅背時不能對坐姿進行監測矯正。

（2）未加入監視功能，不可以通過Wi-Fi 將與手機APP 相連接，不方便于家長更好地監督學生情況。