智能视力保护器的研究与设计
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摘 要 本论文研究设计了一种能够预防近视的智能视力保护器，该智能视力保护器能够在整个学习过程中提醒使用者在光线强度合适的环境中采用正确的学习姿势进行时间长度适宜的学习，防止其在学习过程中无意识的对眼睛造成不利影响从而有效的帮助使用者预防近视。实验测试了超声波测距、电子定时器和温度检测的精度，并建立了光线强度与数据显示的大概对应关系，总体设计达到了设计要求。
关键词 51单片机 超声波测距 电子定时器 光线温度检测
中图分类号：TP273 文献标识码：A
该视力保护器以89C51单片机为核心，主要由超声波测距电路、光线检测电路、温度检测补偿电路、电子定时器电路和显示报警电路组成，应用了计算机技术、传感器技术和电子技术等。
1系统的硬件设计
智能视力保护器的功能是基于对近视预防措施第一条养成良好的用眼习惯进行设计的。其硬件设计主要包括三大模块：（1）电子定时器倒计时报警模块;（2）超声波测距报警模块;（3）光线强度检测报警模块。在硬件设计的过程中对超声波测距理论和光线检测原理进行了分析，对电路的设计进行了详细研究并对电路图进行了分析。
1.1电子定时器倒计时报警模块
电子定时器主要有三部分组成，单片机为其提供时间源后由LCD1602液晶显示屏显示时间控制报警电路的工作。89C51单片机因其优良的性能而被大范围的应用于各类智能仪器仪表中，本文采用的为89C51。89C51单片机的功耗低，其微处理高达8位，能够进行非在线编程和擦除。单片机有俩种产生时钟信号的方式，即内部时钟方式 和外部时钟方式，内部方式是利用单片机芯片内部的振荡电路实现的，此时需通过单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接定时元件，定时元件一般用晶体振荡器和电容组成并联谐振电路。电容C1和C2一般采用30pF，主要作用是帮助振荡器起振，晶体的振荡频率为1.2～13MHZ。晶振的频率越高，单片机提供的时间误差就越小。
1.2超声波测距报警模块
本文超声波测距利用了HC—SR04模块，该模块中最主要的俩个电路为超声波发射电路和接收处理电路。温度检测电路测得温度后提供给单片机计算出超声波传播速度。单片机中的定时器控制发射电路和接收电路同时刻工作并记录发射时间，当接收电路检测到超声波反射回来的回波时单片机记录时间，单片机再进行计算、传输和现实。为消除发射电路计时和接收电路计时启动反应时间带来的误差，由定时器同时驱动俩个电路的启动。
当单片机发送一个10uS以上脉冲信号到HC—SR04模块时，该模块会自动的产生8个频率为40kHz的脉冲信号并且能够自动检测是否有回波信号。当检测到有回波的时候该模块便会向单片机发出一个回响信号。此时探测到的物体距离与回响信号的脉冲宽度是正比的关系，即物体距离=高电平时间*声速/2。
1.3光线强度检测报警模块
光线强度检测电路利用光敏电阻GL5528将光线强度和电压对应起来，而后将电压这一模拟信号通过A/D转换器ADC0832转化成数字信号输入到单片机中。
ADC0832是一种高分辨的具有双通道的A/D转换芯片，其分辨率达到8位且芯片的兼容性较强，同时由于其价格便宜、体积小而在A/D转换广泛应用。CS端的电平控制芯片的工作状当处于低电平时芯片处于工作状态，当其电平转变为低电平时便停止工作，经过A/D转换的数据通过DODI口输出。它的分辨率达到8位，所以可以输出0-255共256个数据，因此当电压变化5/256时其输出值变化发生改变，这样便能准确的反应光线的变化。
2系统的软件设计
超声波测距的软件设计思路是当超声波测距模块在1S后发射超声波并记录此时的时刻，而后启动超声波检测电路，当检测到超声波时便记录此时的时刻，没有检测到时返回，循环上述过程。当有检测到回波时便可计算出测量距离，再将距离与设定值比较，当小于设定值是发出警报，满足条件时循环上述过程。
温度检测软件设计由于DS18B20本身测得温度后能够将其转化成二进制数据输出，因此温度检测软件主要负责对这一数据的显示和读取。DS18B20本身设计时为每1S测量一次，因此其显示和读取时至少每秒需读取显示一次以确保数据的实时性。
光线照射到光敏电阻GL5528，光敏电阻阻值发生改变，在电路中分得的电压通过8位分辨率的A/D转换器ADC0832转化成数字信号，数字信号传输到单片机中与设定值比较，当小于下限或大于上限时报警。
3实验与测试
本次检测超声波测距所测得距离的精度实验选用的米尺精度为0.01m，挡板采用铁皮板。测试方法为首先将超声波挡板分别放置在超声波测距仪测得距离为15cm、25cm、35cm、45cm、55cm、65cm、75cm和85cm位置下，然后对每个位置再用米尺测距五次，记录数据并算出在每个位置人工测量的平均值，其次算出每个位置超声波测距测得的距离和人工测量的平均值之间的误差，最后在将不同距离下的误差再做评价作为系统的误差。根据测试得出实验结果如表 5.1，表中人工测量取平均数后保留一位小数。通过实验测试读出系统超声波测距的误差为0.175cm，系统的精确性较高，能够满足设计的要求，达到了预先的目的。
对温度檢测精度的测试选用的仪器为科舰MC501电子温度计，其精度为0.1℃。本次实验测试方法为选取一天中不同时间对室温进行测量，记录数据后进行对比得出温度检测的误差。本次实验选取了双流县武警警官学院东区2015年3月25号7时、10时、12时、15时、18时和21时为测量地点和测量时间，通过测量得出表5.2，表中时间单位为时，温度单位为℃。通过测量显示温度检测的误差为0.45℃，符合设计要求，达到了预先目标。
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