基于51單片機(jī)的自動化視力保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

羅文渙 鄢艷紅

摘要：為兒童青少年營造適宜的用眼環(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，實現(xiàn)智能開關(guān)燈，并從人體坐姿距離、光照強(qiáng)度和用眼時長三個方面來實現(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：單片機(jī);視力保護(hù);光照度檢測;超聲波測距;人體紅外檢測

中圖分類號：TP39? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

文章編號：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、國家衛(wèi)生健康委員會、國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施方案》中明確提出近視防控目標(biāo)要到2023年力爭實現(xiàn)全國兒童青少年總體近視率在2018年的基礎(chǔ)上每年降低0.5個百分點，至2030年實現(xiàn)全國兒童青少年新發(fā)近視率明顯下降[1]。因此，考慮運用科學(xué)技術(shù)手段，為兒童青少年營造適宜的用眼環(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)用價值。

2系統(tǒng)總體方案設(shè)計

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)計了人體紅外檢測模塊進(jìn)行智能開關(guān)燈，采用GL5539光敏電阻進(jìn)行環(huán)境光照度檢測，并利用 PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)對 LED 臺燈進(jìn)行光照度的自動調(diào)節(jié)，采用HC-SR04超聲波測距傳感器檢測人體坐姿與書桌的距離以及使用臺燈的用眼時長監(jiān)測，并及時報警和語音提示，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

硬件系統(tǒng)主要由8大模塊組成，分別是主控電路模塊、人體紅外檢測模塊、光照度檢測模塊、A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、超聲波測距模塊、LCD液晶顯示模塊、語音/聲光報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)計原理圖分別如圖2、圖3所示[2-7]。

本系統(tǒng)設(shè)計主控電路模塊選擇STC89C52單片機(jī)作為核心處理器，主要起到輸出時鐘信號，控制系統(tǒng)程序的存儲與執(zhí)行作用。人體紅外檢測模塊在整個系統(tǒng)起到智能控制電源啟動或關(guān)閉的作用，當(dāng)檢測到有人則視力保護(hù)系統(tǒng)開始工作，無人時則處于待機(jī)狀態(tài)。光照度檢測模塊設(shè)計分成自動調(diào)節(jié)模式和手動調(diào)節(jié)模式。自動調(diào)節(jié)模式主要通過光敏電阻來實現(xiàn)。手動調(diào)節(jié)模式主要通過按鍵來實現(xiàn)，可實現(xiàn)自動/手動模式的轉(zhuǎn)換、LED燈的開關(guān)和光照亮度的調(diào)節(jié)。超聲波測距模塊的主要作用是檢測人體坐在書桌前學(xué)習(xí)時，頭部距離書桌的距離。如果距離小于30cm，則進(jìn)行聲光報警。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臺燈光照強(qiáng)度、超聲波測距距離和倒計時剩余時間等，以方便使用者觀察，適當(dāng)做出調(diào)整，如時間超過定時的時間，則進(jìn)行語音提示。按鍵模塊可分為兩大部分，一部分負(fù)責(zé)設(shè)置超聲波測距上限和定時上限，由按鍵S2～S5來完成;另一部分負(fù)責(zé)自動/手動調(diào)節(jié)模式的轉(zhuǎn)換功能實現(xiàn)，并可在手動調(diào)節(jié)模式下進(jìn)行人為調(diào)節(jié)LED臺燈的照明亮度，由按鍵S6～S9來完成。

2.2 軟件設(shè)計

人體紅外檢測模塊檢測有人即啟動，接通電源工作，程序進(jìn)行初始化，超聲波測距檢測、光照度檢測、定時倒計時開始執(zhí)行，啟動自動調(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臺燈光強(qiáng)度、測距距離和倒計時時間;掃描按鍵模塊，檢測是否有按鍵按下，當(dāng)設(shè)置按鍵按下，執(zhí)行測距范圍或定時范圍的設(shè)置;當(dāng)手動調(diào)節(jié)按鍵按下，掃描檢測光亮度變亮/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，無按鍵按下則不變;判斷測距范圍和倒計時閾值是否達(dá)到，若達(dá)到執(zhí)行語音/聲光報警。總體軟件主程序流程圖如圖4所示。

主程序代碼實現(xiàn)如表1所示。

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)上電后，電源指示燈點亮，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臺燈的光照亮度LAMP和倒計時時間。當(dāng)周圍環(huán)境光照度偏昏暗時，LED臺燈照射出一定亮度的燈光。用手稍微遮擋住光敏電阻周圍的光線，營造出光線變暗的狀態(tài)，可觀察到LED臺燈的亮度在適當(dāng)變亮;用人臉往超聲波測距傳感器靠近，距離在小于30cm左右時，聲光報警模塊的LED燈和蜂鳴器同時啟動提醒，倒計時工作停止。當(dāng)?shù)褂嫊r變?yōu)?0：00：00時，語音模塊發(fā)出提示音提醒。當(dāng)人體離開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)工作測試狀態(tài)。

3總結(jié)

本文設(shè)計了基于單片機(jī)的視力保護(hù)系統(tǒng)，運用人體紅外感應(yīng)技術(shù)實現(xiàn)智能化啟動與關(guān)閉系統(tǒng)，更好地做到節(jié)能的效果。運用光照度檢測技術(shù)檢測用眼環(huán)境的光照度狀態(tài)，并結(jié)合PWM脈寬調(diào)節(jié)技術(shù)實現(xiàn)智能補(bǔ)光，避免工作學(xué)習(xí)時因光線過暗而使眼睛過度疲勞，影響用眼健康。運用超聲波測距技術(shù)檢測人在書桌前的坐姿規(guī)范，避免因用眼距離太近而導(dǎo)致視力的受損，實現(xiàn)了從人體坐姿距離、光照強(qiáng)度和用眼時長三個方面進(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。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張國梅.兒童青少年近視的管理技術(shù)[J].實用防盲技術(shù)，2019，14（4）：174-176，136.

[2] 霍海波.基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（14）：246-247.

[3] 李書婷.多功能超聲波視力保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與儀表，2019，34（1）：104-108.

[4] 王迎雨，王哲.基于坐姿感應(yīng)的智能視力保護(hù)臺燈設(shè)計[J].電子制作，2018（19）：41-42.

[5] 溫美遜，張輝，張晉滔.基于Arduino的視力保護(hù)儀設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2018，31（12）：151-153.

[6] 張文玥，王曉飛，孫沛詩，等.基于單片機(jī)的視力保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2018，37（9）：116-119.

[7] 汪雪君.立體視覺測試裝置的軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，2013.

【通聯(lián)編輯：梁書】