系統概述

設計要求

綜合運用所學的模擬電子技術、單片機原理及應用等專業知識，以STC89C52為主控芯片來設計并制作一個視力保護儀，且可實現光強的測量，距離的測量，使用時間監測及報警等功能，用LCD來顯示時間，距離等參數信息。

（1）當使用者的臉部與桌面或電腦等之間的距離小于30cm時，電路發出聲光或語音提示，糾正坐姿；

（2）當讀寫環境光線強度不夠或過大時，電路發出聲光或語音提示；

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

（4）使用LCD顯示距離、時間等各種參數信息。

總體設計

總體設計的框圖如圖1-1所示，其由STC89C52單片機、測距模塊和感光模塊以及LCD顯示模塊構成，它們的作用分別為：

STC89C52模塊：用來當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的報警限度的聲光警報。

LCD模塊：顯示光強、距離等相關參數信息。

其中STC89C52模塊里面包括了單片機最小系統電路，可通過按鍵模塊設置鬧鐘定時的時間，經過單片機后在LCD上顯示出來。同時按鍵也可設置被測距離的警報下限值，以此來對應不同使用者所需要的與桌子之間的距離。

圖1-1總體設計框圖

系統設計的整體方案

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，當紅外線發出，到碰到反射物，再到反射回來被接收到，再從紅外線發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，在測量聲波在發射到碰到障礙物再到反射回來的整個過程的時間，根據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，都有自己的優缺點，但考慮到課題所制作的視力保護儀的功能，優先使用超聲波測距，對使用環境比較匹配，電路更簡潔，軟件設計更方便。

顯示模塊的方案論證

方案一：LED數碼管

數碼管可分為共陽極數碼管和共陰極數碼管，采用數碼管顯示，其能夠較快的顯示出相關參數，且顯示得非常簡潔明了，但是單次內容太少，不夠詳細，不能夠快速的查看多項內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，顯示的內容將更加清晰，背光亮度可用滑阻調節，并且能夠同時顯示16×02即32個字符，所以能快速的，同時的顯示出相應參數，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信息，人機交互界面較前者有優勢，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，也是有著單向導電性，因此當光線強度不一時，電路中的電流也會有相應的改變。無光照時，光敏二極管截止，當有光照入射時，其飽和反向漏電流相應增大，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，響應時間較快。有光導電，無光不導。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境。

方案二：光敏電阻

一種光電元器件利用內光電效應工作，又稱光導管，其電阻隨光的變化而相應變化。可見光基本上都能感應到。當光照強度變大時，其阻值開始變小，電流增大。其反應速度比較快，體積小，可靠性好，價格實惠，經濟成本低，適用在DC電路使用。但是時延較大，快速響應的環境下不能使用。

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用。

系統硬件電路設計

硬件電路的總體設計

根據方案的選擇，STC89C52是所設計系統的主控芯片，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RAM，其中P0是開漏輸出。有3個16位定時器/計數器，定時器0可當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：給整個系統提供電源，使系統開始工作；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，系統的檢測警報和參數顯示的功能；加上單片機最小系統電路和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計，最為關鍵就在于實現系統的聲光報警與語音播報，處理超聲波測距測得的參數和處理光照強度檢測的參數信息，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計，能夠充分發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計圖。

圖3-1 總體電路設計圖

晶振電路的設計

單片機最小系統的電路設計

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動單片機，那么單片機就無法執行程序，或者運行不夠規律，整個系統在執行程序的時候也會在某些方面出現誤差。晶振的振蕩的頻率比較的穩定，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，這樣就成了一個穩定的自激振蕩器。如圖3-2所示。

圖3-2 晶振電路設計圖