【正文】 .......................................................................... 30 畢業(yè)設(shè)計用紙 共 頁 第 頁 第一章 緒論 課題的選題背景 當(dāng)前由于環(huán)境變化、電視、網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展等諸多因素，使得青少年長時間不衛(wèi)生、超負(fù)荷用眼，造成了青少年近視疾病的大量發(fā)生。據(jù)國家統(tǒng)計局最近的一項調(diào)查顯示，目前我國學(xué)生視力低下的狀況令人擔(dān)憂。小學(xué)近視比例為 34%61%，初中為 68%， 重點高中為 90%左右，在校大學(xué)生視力合格者更少。而在高考體檢中由于自身缺陷原因被限考的學(xué)生當(dāng)中有 74%為近視。據(jù)衛(wèi)生部、教育部聯(lián)合調(diào)查，目前我國學(xué)生近視發(fā)病率居世界第二，人數(shù)居世界之首。全國近視及眼疾患者近 3 億人，已經(jīng)成為全社會關(guān)注的公共衛(wèi)生和社會問題。 視力下降不僅影響青少年的日常生活和學(xué)習(xí)，對青少年的身心健康造成極大的影響，同時給青少年的成長與發(fā)育造成極大的障礙。為了下一代的身心健康，拯救近視已刻不容緩。 近視作為一種現(xiàn)代通病，幾乎沒有辦法根治它。目前的激光切除手術(shù)其實是傷害了人體的自然完整，戕害著身心 的健全。于是，百年來人們沿用著“玻璃凹凸”的笨辦法維系著人們對外界求索的目光。 在這種情況下，亟須開發(fā)一種多功能視力保護器。通過創(chuàng)造健康的讀寫環(huán)境和科學(xué)方式，避免因長期讀寫而導(dǎo)致的近視、駝背、脊柱側(cè)彎、斜視、頸椎病等疾病的發(fā)生和發(fā)展，用非醫(yī)藥的手段，防范和解除因不良讀寫習(xí)慣，避免給人們身體帶來傷害。 讀寫姿勢不正確，視距過近是造成近視的主要原因，并且大部分發(fā)生在中小學(xué)階段，由于學(xué)生缺乏自覺意識，家長和老師又不能時時守在身邊加以提醒，不良的閱讀寫字習(xí)慣一旦養(yǎng)成就很難改掉，日復(fù)一日的惡性循環(huán)使許多學(xué)生過早的架 上眼鏡，同時中小學(xué)生時代是孩子身體成長的旺盛時期，坐姿和讀寫姿勢不正確，會影響到孩子骨骼的健康成長，很容易引起脊椎彎曲或側(cè)彎變，造成含胸駝背，本產(chǎn)品的智能調(diào)控功能將會隨時提醒讀寫者，端正坐姿，挺直腰背，養(yǎng)成良好的讀寫習(xí)慣，提高學(xué)習(xí)效率，有效防止駝背、脊椎彎曲，保護學(xué)生身心健康。 最新的問卷調(diào)查顯示：小學(xué)生、初中生近視率分別為 %和 %，分別比十年前提高 %和 %(1999 年的一項統(tǒng)計顯示，全國小學(xué)生近視率為 %，初中生近視 畢業(yè)設(shè)計用紙 共 頁 第 頁 率為 %)。 書面問卷數(shù)據(jù)顯示，小學(xué)生、初 中生近視率分別為 %和 %。在回收的網(wǎng)絡(luò)問卷“你覺得造成你眼睛近視的原因是什么”選項中，選擇“寫字看書姿勢不正確的”占 %，選擇“因看電視引起近視的”占 %，選擇“因上網(wǎng)引起近視的”占 %，而選擇“作業(yè)太多導(dǎo)致近視的”占 %。 最新的一項統(tǒng)計顯示，我國青少年近視率居世界之首，在青少年近視群體中，高中生的近視檢出率最高，達 %。 2020 年國家統(tǒng)計局的一項調(diào)查顯示，小學(xué)近視的比例為34%~61%，初中為 68%，重點高中為 90%左右，在校大學(xué)生視力合格者更少。 由此可以 看出，中國學(xué)生視力低下的狀況令人擔(dān)憂，而寫字看書姿勢不正確、看書寫作業(yè)的時間太長和光線的過強和過弱是導(dǎo)致中小學(xué)生近視的主要原因。 通過調(diào)研現(xiàn)今的已有的坐姿提醒器具有很大的局限性和單一性，而新型坐姿提醒器是以人機交互和以人為本的理念，智能的祛除影響視力的不良因素，為中小學(xué)生健康成長發(fā)揮重要作用的產(chǎn)品。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 自 1992 年全國防近視專家指導(dǎo)小組成立以來，防近視產(chǎn)品經(jīng)歷了一個由簡單到復(fù)雜、由單一到多元、由科技含量低到科技含量高的歷程。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家們進行了大量艱苦的研制開發(fā)工作，推向市場的產(chǎn) 品多達幾百種，給防近視工作帶來了無限的生機。 國內(nèi)這方面的研究現(xiàn)狀為：在國內(nèi)新疆烏魯木齊市旭之龍科技有限公司生產(chǎn)的“學(xué)生 視力保護器” 又名稱坐視寶，它能對使用者的坐姿不當(dāng)進行提示。還有深圳市華恒電子有限公司生產(chǎn)的型號為 MS3023 的坐姿矯正器。可以糾正看書，寫字的不良坐姿?？傮w看來，國內(nèi)生產(chǎn)的視力保護器功能特點比較單一，與人們的個性化需求尚有很大的差距，故不能很好的滿足廣大使用者的需求。 國外也致力于對保護視力的研究，但是他們更側(cè)重于對近視原因的研究。美國德克薩斯 大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心何于光博士表示，吃魚 和新鮮蔬菜能夠保護視力，降低發(fā)生近視的概率。他們認(rèn)為通過合理的飲食營養(yǎng)搭配，以及正確的學(xué)習(xí)習(xí)慣，對視力的保護能起到事半功倍的作用。 研究證明，市場上真正的智能視力保護儀幾乎沒有。現(xiàn)有的產(chǎn)品只是側(cè)重視力保護的單一方面，功能尚不全面，不能從多個角度保護使用者的視力。 隨著世界的不斷進步，產(chǎn)品的技術(shù)含量不斷增加，產(chǎn)品功能越來越多樣化，設(shè)計越來越人性化。在坐姿提醒器這塊產(chǎn)品研發(fā)之中，將越來越多的運用以人為本和人機交互的設(shè) 畢業(yè)設(shè)計用紙 共 頁 第 頁 計理念，坐姿提醒器將越來越優(yōu)秀，不斷克服使用的局限性，附加功能不斷增添，最終將研發(fā)出一機多用的新 型坐姿提醒器。 由于現(xiàn)在國內(nèi)外大量的市場需求，視力保護器的起步才剛剛開始，存在 很大的發(fā)展空間，相信未來視力保護儀 一定會得到巨大的發(fā)展，為廣大的中小學(xué)生的視力保護做出根本的保障 。 本論文主要研究內(nèi)容 主要內(nèi)容 以 51 單片機為核心處理器 、 LM393 電壓比較器、光敏電阻、數(shù)碼管等構(gòu)成一款智能視力保護儀設(shè)計。 鑒于單片機芯片的智能處理功能 本設(shè)計采用理論計算和實驗驗證的方法相結(jié)合 的以單片機芯片為核心的主體電路 。首先是對各單元電路進行設(shè)計，并選擇合適的元器件。在選擇元器件時，要注意所選芯片的性價比，對于電 阻、電容等常用元件要先進行參數(shù)計算后再選擇。其次是設(shè)計整個電路， 其中單片機芯片選用較為普遍的 stc89c51型，紅外測距選用利用光電反射累的， 紅外測距尾部有個電位器可以調(diào)節(jié)感應(yīng)距離（ 0~80cm），當(dāng)距離小于調(diào)節(jié) 設(shè)定的 距離 時 小燈快速閃爍同時蜂鳴器響提示，當(dāng)光線過強或過弱時，也會提示；數(shù)碼管顯示時間，當(dāng)時間到 45分鐘時，數(shù)碼管和小燈閃爍，蜂鳴器滴滴提示，此時按下按鍵即可休息，防止過度傷身；當(dāng)休息回來時，再按下按鍵此 時系統(tǒng)又重新開始工作 。 設(shè)計利用紅外測距傳感器實在對距離的測量，比超聲波測距更加可靠準(zhǔn)確、健康安全 。 基本要求 1． 當(dāng)使用者 臉 部與 桌面 或電腦等 之間的距離小于 25CM（距離可以適當(dāng)調(diào)整） 時 ,電路將發(fā)出 聲光 提 示； 2． 當(dāng)使用時間達到 45分鐘時 ,電路自動發(fā)出聲 音 提示 ,數(shù)碼管閃爍， 提醒使用者注意休息； 3． 當(dāng)讀寫環(huán)境光線照度不足 或過強 時 ,電路將發(fā)出 聲光 提示； 4． 感應(yīng)環(huán)境光線的范圍是可以調(diào)節(jié)的，實現(xiàn)智能化； 5． 電路可靠 ,設(shè)計小巧省電， 并且能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能。 畢業(yè)設(shè)計用紙 共 頁 第 頁 真正幫助學(xué)生做到 國家教委規(guī)定：學(xué)生在讀寫時，應(yīng)在一定亮度下，眼離讀物一尺，身離書桌一拳 ，時間不超過 45分鐘 。 第二章 智 能視力保護器總 系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)總框圖 硬件主要以 STC89C51型單片機為核心，功能電路主要包括傳感器輔助坐直報警電路、光線報警電路、定時報警電路以及蜂鳴器報警電路等核心電路。利用 C 語言進行編程。本設(shè)計的系統(tǒng)總框圖如圖 21 所示。 圖 21 系統(tǒng)總體框圖 單片機的選擇 從控制系統(tǒng)的大小和復(fù)雜度出發(fā)，必須考慮單片機的基本參數(shù)和增強功能。前者往往需要考慮芯片的速度， ROM 容量， I/O 引腳數(shù)量和工作電壓 ()等，后者則包括是否擁有看門狗，雙指針，雙串口，實時時鐘， CAN 接口， SPI 接口， USB 接口等附加模塊。本設(shè)計中受控對象只有超聲波、聲光報警，復(fù)雜度低，采用低端的通用的單片機芯片就能夠滿足要求。 單 片 機 電源供電 按鍵模塊 晶振電路 顯示模塊 蜂鳴器報警 模塊 復(fù)位電路 測距模塊 LED 提示模塊 光敏模塊 畢業(yè)設(shè)計用紙 共 頁 第 頁 從容易學(xué)習(xí)掌握的角度出發(fā)，要求所選單片機支持簡單易學(xué)的編程語言，并且擁有軟件支持的良好編程環(huán)境。同時還應(yīng)當(dāng)有豐富的資料支持，包括詳盡的芯片說明書，應(yīng)用指南，設(shè)計方案，范例程序等。 從工作可靠性的角度出發(fā)，要求所選芯片有較寬工作溫度范圍，較低的功耗和一定的抗干擾能力。按適用的工作溫度分，常用單片機芯片可分為商用級、工業(yè) 級、軍品級，這里選擇一般的商用機即可。在功耗和抗干擾方面，本控制系統(tǒng)的要求都不高，一般的單片機芯片都能滿足要求。 綜上所述，本系統(tǒng)選擇 STC89C51 單片機作為主控芯片。 足夠本設(shè)計運行，且價格便宜，下載程序方便。 傳感器的選擇 在測距模塊中， 常用 超聲波測距 ，它 的原理是利用超聲波的發(fā)射與接收，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距的兩端，一端發(fā)射，另一端接受的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體發(fā)射回來后接收的反射波方式，適用與測距儀 。 本設(shè)計 主要是測距要選用 得體，要準(zhǔn)確無誤，通過查閱資料感覺利用超聲波測距的設(shè)計較多，但是穩(wěn)定性不是很好，所以決定采用 光電 式測距傳感器，主要應(yīng)用在生產(chǎn)加工等精密場合，穩(wěn)定性極高。所以本設(shè)計選用光電式紅外測距傳感器。 在感光模塊中，采用光敏電阻與 LM393 構(gòu)成的電壓比較器來構(gòu)成感光模塊的主要部分。 通過對電壓的采集，來實現(xiàn)智能化。 編程語言的選擇 對于指令系統(tǒng)兼容 MCS51 系列的單片機，其較為常用的編程語言有 C 和匯編語言。 C 語言是一種結(jié)構(gòu)化編程語言，可產(chǎn)生壓縮代碼。 C 語言在硬件結(jié)構(gòu)上僅要求對單片機存儲器等硬件結(jié)構(gòu)有初步了解，寄 存器分配，不同存儲器尋址及數(shù)據(jù)類型等細(xì)節(jié)可由編譯器管理。 C 語言程序本身并不依賴于機器硬件系統(tǒng)，基本上不做修改就可以在不同種類的單片機之間相互移植。程序可劃分為不同函數(shù)，結(jié)構(gòu)規(guī)范，可讀性強。 C 語言提供的庫包含許多標(biāo)準(zhǔn)子程序，具有很強的數(shù)據(jù)處理能力。 C 語言作為一種方便、容易掌握的語言得到了廣泛的應(yīng)用，是目前單片機編程中應(yīng)用最多的語言之 一。 畢業(yè)設(shè)計用紙 共 頁 第 頁 匯編語言同樣在單片機編程中得到了廣泛的應(yīng)用，其具有簡單實用，控制靈活，實時性強，程序效率高等特點。匯編語言有著極強的硬件控制能力，用其它的高級語言所無法控制的軟硬件細(xì)節(jié)，在匯 編語言中都可以實現(xiàn)，但是編程復(fù)雜。 綜合考慮，軟件的設(shè)計語言選擇 C 語言。 第三章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 系統(tǒng)硬件總電路構(gòu)成 以 51 單片機為核心處理器 、 LM393 電壓比較器、光敏電阻、數(shù)碼管等構(gòu)成一款智能視力保護儀設(shè)計。 其中單片機芯片選用較為普遍的 stc89c51型， 紅外測距選用利用光電反射的， 紅外測距尾部有個電位器可以調(diào)節(jié)感應(yīng)距離（ 0~80cm），當(dāng)距離小于調(diào)節(jié) 設(shè)定的 距離 時小燈快速閃爍同時蜂鳴器響提示，當(dāng)光線過強或過弱時，也會提示；數(shù)碼管顯示時間，當(dāng)時間到 45 分鐘時，數(shù)碼管和小燈閃爍，蜂鳴器滴滴提示，此 時按下按鍵即可休息，防止過度傷身；當(dāng)休息回來時，再按下按鍵此 時系統(tǒng)又重新開始工作 。 設(shè)計利用紅外測距傳感器實在對距離的測量，比超聲波測距更加可靠準(zhǔn)確、健康安全。 單片機系統(tǒng) 單片微型計算機是隨著微型計算機的發(fā)展而產(chǎn)生和發(fā)展的。自從 1975 年美國德克薩斯儀器公司的第一臺單片微型計算機（ 簡稱單片機） TMS1000 問世以來，迄今為止，單片機技術(shù)已成為計算機技術(shù)的一個獨特分支，單片機的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，特別是在工業(yè)控制中經(jīng)常遇到對某些物理量進行定時采樣與控制的問題，在儀器儀表智能化中也扮演著極其重要 的角色。 如果將 8 位單片機的推出作為起點，那么單片機的發(fā)展歷史大致可以分為以下幾個階段： 第一階段（ 1976—1978）：單片機的探索階段。以 Intel公司的 MCS48 為代表。 MCS48的推出是在工控領(lǐng)域的探索，參與這一探索的公司還有 Motorola、 Zilog 等。都取得了滿意的效果。這就是 SCM 的誕生年代， ―單片機 ‖一詞即由此而來。 第二階段（ 1978—1982）：單片機的完善階段。 Intel公司在 MCS48基礎(chǔ)上推出了完善 畢業(yè)設(shè)計用紙 共 頁 第 頁 的、典型的單片機系列 MCS51。它在以下幾個方面奠定了典型的通用總線型單片 機體系結(jié)構(gòu)。 （ 1） 完善的外部總線。 MCS51 設(shè)置了經(jīng)典的 8 位單片機的總線結(jié)構(gòu)，包括 8 位數(shù)據(jù)總線、 16 位地址總線、控制總線及具有多機通信功能的串行通信接口。 （ 2） CPU 外圍功能單元的集中管理模式。 （ 3） 體現(xiàn)工控特性的地