單片機超聲波視力保護系統(tǒng)設計

羅發(fā)貴，李大洪，甘慶華

（興義民族師范學院，貴州 興義 562400）

本次設計的意義首先能迎合孩子學業(yè)壓力大的背景，給孩子創(chuàng)造比較好的學習環(huán)境，能保證高效學習的同時，保證身心健康；且其智能調(diào)光功能可創(chuàng)造比較合適的學習光線，保護眼視力；且系統(tǒng)使用的是穩(wěn)定性極高的嵌入式微處理控制器（單片機），后期量產(chǎn)成本低，維護成本也低，很容易在市面推廣開來。系統(tǒng)也帶有GSM 短信通訊功能能夠讓家長在遠處就能得知孩子當前的學習坐姿情況，實現(xiàn)更加省力的監(jiān)督。

1 系統(tǒng)設計方案

在開始設計前，需要整理各個功能部分，并明確所需傳感器和電路。此次設計用到了5 個輸入電路和4個輸出電路。通過多電路組合實現(xiàn)整體功能，系統(tǒng)總方案如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

本次設計通過對單片機最小系統(tǒng)的搭建，能夠利用單片機最小系統(tǒng)驅(qū)動LCD 液晶顯示器工作；能夠利用時鐘芯片來定時，并能通過單片機讀取到年、月、日、時、分和秒等時間信息；能夠搭建語音播報電路，進行語音提示；能夠利用按鍵觸發(fā)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)；能通過光敏電阻檢測當前室內(nèi)亮度情況，并實現(xiàn)LED 燈的自動開斷；利用GSM 芯片實現(xiàn)短信警報功能。

2 硬件設計LED

2.1 主控硬件設計

此次使用型號為STC12C5A16AD 單片機，此款單片機具有短小精悍、價格合宜及功能齊全等優(yōu)勢，非常適合本次開發(fā)使用。且51 系列的單片機能在多種開發(fā)環(huán)境中使用。

通過KEIL 平臺就可以實現(xiàn)對單片機硬件的調(diào)試。且此款芯片共40 個引腳，其中能用于雙向通訊的I/O 口有32 個，剩余的有復位、晶振、電源正負極和外部地址引腳，其具體的引腳電氣原理如圖2 所示。

圖2 單片機引腳圖

2.2 顯示電路設計

本次設計的顯示器方案是LCD1602，因為其具有開發(fā)簡單，使用成本低等優(yōu)點，此款顯示器在工業(yè)界得到了比較廣泛的使用，該顯示器有16 個引腳，分別是2 個背光燈引腳、8 個數(shù)據(jù)傳輸引腳、3 個控制引腳、1個對比度調(diào)節(jié)引腳和2 個工作電壓輸入引腳，其顯示電器如圖3 所示。

圖3 LCD 液晶顯示電路

2.3 電源電路設計

此次電源電路的設計已經(jīng)考慮了市面現(xiàn)有電源的兼容性，且確定下來使用的是5 V-USB 接口電源，因為市面上的電器包括電腦、充電寶和手機充電器等都是外部輸出5 V 電源。此次設計只需要預留1 個USB接口，便可實現(xiàn)供電。電源接口電路如圖4 所示。

圖4 電源接口電路連接圖

2.4 按鍵電路設計

按鍵作為一種最簡單和直接的數(shù)據(jù)輸入方式，被廣泛應用到了社會的各行各業(yè)。單片機只需要通過判斷對應I/O 口的輸入電平狀態(tài)即可判別出外界要輸入的動作指令。且市面上的四腳按鈕，具有單邊流通的特點，在焊接多個按鈕電路的時候，非常方便。此次設計采用了4 個按鍵來設置時間信息。此次設計的按鍵電路原理如圖5 所示。

圖5 按鍵電路原理圖

2.5 語音電路設計

此款芯片外部自帶數(shù)據(jù)存儲器，能存入預先準備的語音內(nèi)容。當要播報時，只需要單片機輸入具體的地址信號即可。語音芯片電路連接如圖6 所示。

圖6 語音芯片電路連接圖

2.6 光敏電路設計

此設計需要按照實時的環(huán)境光強度來調(diào)整臺燈的開關，所以需要設計光照強度采集電路。利用光敏電阻內(nèi)光電效應在不同光照亮度下顯現(xiàn)的阻值不同的原理來實現(xiàn)檢測，通過搭建分壓電路實現(xiàn)電壓的測量和阻值的轉(zhuǎn)變。電氣原理如圖7 所示。

圖7 光敏檢測電路圖

2.7 GSM 通訊電路設計

本次設計最大的亮點就是要實現(xiàn)GSM 短信通訊，所以需要用到GSM 通訊芯片，通過在芯片板上插入手機卡，手機就會自動搜索對應的5G 服務信號，且此次設計選擇使用的GSM 通訊芯片型號是 SIM900A，其電氣連接如圖8 所示。

圖8 模塊與單片機接口圖

從連接圖上可以看到，此款芯片與單片機之間的通訊是使用串口通訊形式通訊，將其通訊口連接到單片機的P3.0 和P3.1 接口即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

2.8 超聲波測距電路設計

本次設計需要測量人頭部與桌面的距離，且在方案選擇中確定下來的測距方案是超聲波測距。超聲波測距具有不易受外界干擾的優(yōu)點，且響應速度快。利用超聲波在空氣介質(zhì)中的傳播速度為340 m/s，再加上開始發(fā)射超聲波到接收到反射信號的時間差，就可以計算出所測距離。

3 主程序設計

本次設計的程序是在KEIL 平臺上完成的，通過逐個設計的方式，實現(xiàn)單片機驅(qū)動本次設計的所有外設。例如先實現(xiàn)LCD 液晶顯示器的驅(qū)動，然后再驅(qū)動光敏傳感器，將光強度采集后結合LCD 顯示。依次類推逐步實現(xiàn)所有程序的設計。

單片機程序的運行是在主函數(shù)中進行的，如圖9 所示：進入主函數(shù)后，先要初始化顯示器、AD 采集口和定時器，然后時鐘芯片開始計時，超聲波開始測距；接著LCD顯示器顯示距離值和時間信息；然后判斷有無按鈕按下，如果按下則進入按鍵設置子程序；否則繼續(xù)后面程序，讀取光照強度值并根據(jù)值來控制照明燈的開關，然后判斷距離是否過近，如果成立則語音播報提示距離過近，并開始計時，否則語音播報停止，并停止計時；然后判斷計時時間是否超20 s，如果成立則驅(qū)動GSM 發(fā)送短信到監(jiān)護人，這樣就完成了本次主函數(shù)的1 次循環(huán)內(nèi)容。

圖9 主函數(shù)流程圖

4 實物調(diào)試

4.1 KEIL 調(diào)試

KEIL 平臺界面大致分為4 個部分，任務欄一欄從左到右，涵蓋所有的開發(fā)使用功能；其次中間部分分為工程文件部分和主編輯頁面部分；最下面的是編譯鏈接結果顯示部位。在實現(xiàn)程序的編寫前，需要新建1 個程序工程文件，之后建立目標文件夾，在此文件夾下可以添加很多的程序子文件，通過雙擊“源組”即可實現(xiàn)程序子文件的新建，新建完成后才能真正意義上完成一個工程的新建。

程序編輯區(qū)已經(jīng)可以輸入代碼，表示當前的狀態(tài)是正常的，此時可根據(jù)程序設計內(nèi)容實現(xiàn)程序的編寫，并在平臺上實現(xiàn)編譯、鏈接和生成燒錄文件。

4.2 實物調(diào)試

通過使用USB 線就可以對實物進行供電，此次設計中只有語音芯片需要使用1 個3.3 V 的穩(wěn)壓管，其他芯片都是使用5 V 供電方式進行供電的，所以在測試時只需注意語音芯片供電正確，其他芯片上電都能正確運行。

5 結論

本次設計已經(jīng)實現(xiàn)了預期的所有功能，包括能夠?qū)崿F(xiàn)單片機最小系統(tǒng)的搭建并能成功運行；能夠利用單片機最小系統(tǒng)驅(qū)動LCD 液晶顯示器工作；能夠利用時鐘芯片來定時，并能通過單片機讀取到年、月、日、時、分和秒等時間信息；能夠搭建語音播報電路，進行語音提示；能夠利用按鍵觸發(fā)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)；能通過光敏電阻檢測當前室內(nèi)亮度情況，并實現(xiàn)LED 燈的自動開斷；利用GSM 芯片實現(xiàn)短信警報功能。但是本次設計還有很大的優(yōu)化空間，后期會不斷去更新版本，并根據(jù)實際的社會使用效果實現(xiàn)更新和完善。不光是對本次設計進行優(yōu)化，對自我發(fā)展也將不斷樹立更高的目標，不斷地去追逐和實現(xiàn)目標。