摘要：
目前，年轻人课业繁重导致的普遍视力低下的现状已经成为国内外共同关注的问题。基于以上原因，本文设计了一款以单片机为主的用来保护视力的仪器。这个仪器用89C51作系统内核，通过添加相应功能的传感器电路使其能够具备对使用者距离的监测、周围光强的监测与报警功能。定时模块由单片机本身运行程序实现对工作时长的监测。通过LCD来对其进行实时显示各项参数，同时能够通过实时快捷的更改各个模块的参数值来满足不同使用者，不同学习环境的视力保护需求。本软件使用的是模块化的设计方式以及采用的是C语言进行编程。通过对该产品的开发能够从纠正坐姿上保护年轻人的眼睛，是一种实用有效的方法。
关键词：视力保护；STC89C51；传感器
1 引言
1.1 课题背景
由于社会的进步，现在家庭中大都有电视，或者电脑。手机更是人手一个，发展越来越先进，也越来越走进千家万户，这些先进的移动设备里丰富的内容以及网上多彩的知识吸引着大众的注意力。青少年年龄小，在自我管理这方面做得不够好的话，就会更容易被电子产品吸引。中年人也不例外，随着手机、电脑等通讯设备的发展越来越先进，甚至中年人在工作时都离不开这些产品，社会中的低头族也越来越多，这些都是导致人们视力下降的因素。此外，随着我国人口的增加，学生成绩竞争激烈，家长对学生的要求越来越严格，对学生的期望也变得更高了，青少年的课业压力变得越来越大，持续不间断的高强度学习已成为常态，因此青少年的视力问题越来越严重。很多小学生都出现了近视的情况，大学生近视就更是常见的了。大学生的近视率更是普遍偏高。由于自身的视力缺陷而被学校拒绝考试的全体学生中，74%的青少年是近 视眼病的患者。由卫生部和教育部的一项联合研究统计，我国目前是世界上近视流行率第二高的国家，是世界上发病人数最多的国家，已经有超过4亿的人患有近视和眼疾[1]。在如此高比例的近视疾病环境下，不仅只有学生对用眼程度加大的因素，家长对保护视力最基本的科普知识的缺乏也成为了当前状况的主要因素之一。因此学生自己不懂得保护视力，家长又缺乏保护视力的意识，学生便难以得到专业科学的知识普及从而视力急剧下滑。近视问题对青少年的影响不容小觑，在升学方面，高度近似是不允许报考公安类、军事类院校，并且飞行技术、消防科学、刑侦技术、测绘技术等众多专业，因此近视问题已经成为全社会公认的问题，解决视力低下的现状便变得刻不容缓。近视问题不仅为年轻人的升学问题带来影响，而且还会损害他们的身心健康，对他们以后的前途发展造成严重障碍。
在当前问题形式下，解决年轻人的视力问题就成为了全社会共同的愿望。因此本产品的诞生也变得众望所归。构建一个良好适宜的读写环境，能够从根本上解决年轻人的用眼程度大的问题，对改善年轻人的视力问题起到有效的作用，减少近视疾病的发生，甚至通过校正坐姿避免了脊椎病，驼背等骨骼问题的年轻化趋势。通过物理改善方式，能够健康方便有效的校正年轻人的不良姿势，不良环境，不良学习习惯。
1.2 视力保护器的现状
上世纪末，许多专业人士开始着力研究怎样才能保护我们的眼睛不让其近视，防近视相关产品便开始诞生，刚开始所研发的产品功能比较简单，后来随着时间和成本的大量投入，功能变得多起来，也不那么单调。从起初的技术内容匮乏到丰富，防近视相关产品的发展经历了飞速的创新发展，其伴随而来的产品也变得层出不穷。在之前的先进基础上，研究学者又对防近视相关技术进行不断科学研究，最终向市场上推出投放了大量的保护眼睛产品，这些产品被推广到眼科医院，以及各种保护视力机构，为这一新兴市场带来前所未有的经济与生产力[1]。
在我们国家，最早生产的一款名为坐视宝的学生视力保护仪，它的特点是能够发现用户坐的方式不对，帮助用户改正这个坐法。近几年又推出了一款产品代号命名为MS-3023的视力保护器，能够帮助用户更正自己坐的方式，也能够适当地保护人眼。从这些方面来看，现在在市场上有的那些仪器功能还是不够全的，也没有特别的点，使用环境和使用的人群都比较受限制，因此对个性化需求上的匮乏导致使用人群的普及率偏低。
国外也有专家致力于对高近视率相关问题的深入研究，但是他们更偏向着重于对其发病原因的深入研究例如，iPosture,维仕美等，他们发明的仪器虽然能够帮助人们把姿势放正，可是这类仪器不是所有人都可以用的，也不是什么情况下都可以用的。国外的医学专家通过调查研究，大数据分析表示经常运动和吃鱼类、新鲜的瓜果以及蔬菜等食物能够对人的视力发育有一定的促进作用，或者能够稍微预防人眼不近视，能够让更多的人有一双好的眼睛。一些专业人士通过不断地深究发现，如果人们在食物的选择上恰当，按照合适的比例进食，以及在读书或者写字的时候坐法正确，在平常的生活中有意无意的都去注意保护我们的眼睛，那么近视这个问题就很难发生在我们身上。
通过上面的研究现状分析，目前流通在市场上的改善视力产品功能比较简单单一，没有从各种能够直接影响用户视力的主要因素出发，不能够满足各类用户在各种环境下的不同需求，影响视力因素的众多决定了此产品要从多方面分析多方向多要素改良才能设计出一款符合大众需求的产品。
1.3 设计要求
本设计用单片机作为主导组成部分，设计出来的仪器，能够进行学习时间设定，还可以发出声响告诉人们该调坐姿了，或者注意一下周围的亮度。第一步，对于电路的设计是很重要的，通过对各单元电路参数的计算进行精准分析和对元器件进行了虚拟设计，最终我们选择各种因素都合适的元器件。在最终选择合适的元器件时，我们一定要在设计上综合的考虑到我们所选的芯片各种因素，包括元器件的成本效益，参数的匹配，焊接的难度等各种方面的因素，对于电阻和电容等常用的元件，我们要想好他们的电路参数，必要的时候要严格的计算出来，保证这些参数的准确无误；其次，在各单元电路的实施之前，我们先要提前测试一下我们所设计的电路有没有出现错误的地方，我们使用的器件能不能正常的使用。在单片机的挑选上，选择常用的51就行。位置检测模块选择采用超声波定位传感器，灯光检测模块一般选择光敏电阻。再加一个定时器设置一个可以定时间的功能，加上蜂鸣器让仪器能够发出声音警示人们[2]。
本文的目的是做出一款能够保护人眼的仪器。它包含这些特殊的地方：
（1）如果身体离所看东西太近的话，那么这个时候就会有声音发出，来提醒人该更正距离了；
（2）用户周围太过明亮的话系统会发出声音，同样，如果环境太过于昏暗，系统也会发出声音；
（3）可以自行设定时间，当用户使用仪器的时间超过了这个特定的时间，这时候系统就会智能报警，提示人们使用的时间过长了；
（4）整个电路的设计不复杂，而且很可靠，也十分的稳定。整个仪器是根据人们的需求来设计完成的。帮助用户更正他们的坐姿，保护他们的眼睛是设计这个仪器的最初想法。实惠的价格也会吸引更多的人去用。
2 总体方案设计
该系统的单片机是视力健康保护器的核心控制单元，我们经过深思熟虑后所选用的是STC89C51单片机，该系统首先利用光敏电阻器来检测单片机发出的光照信号然后直接利用AD检测出光学信号强度，并对光强信号进行相应的等级信号划分。本设计的设计理念是从多方面多角度起到对视力保护的作用。因此该智能视力保护器总体上具备测距，测光，计时三大功能，当任意一项不满足要求时，系统就会启动报警。
2.1 硬件设计
2.1.1 电源稳压电路设计
系统的电源电路通过7805稳压芯片为本设计的各模块提供+5V电压。当系统开始工作时，各模块在工作电压上的稳定性都能得到满足，就是将稳压电路内的各种元件集中于一个基板上而使之成为具备稳定电压作用的固态电路。
该产品设计需要+5V的电压供电，所以我们选择了市面上较流行的三段式稳压器7805为本设计的各模块供电。它的内部构造决定了他不需要很多外接端口，输出可调且稳定，对内部电路有限流和过热保护作用，因此它的耐用性更强。
2.1.2 主控制器模块
从整个系统的大小、简易程度情况来看，首先我们要顾忌到单片机的基本性能。不光要在单片机芯片运行速度，内存大小，I/O口的引脚匹配等基本参数上进行筛选，还要看该单片机是否能具有看门狗功能，以及指针串口的数量是否符合产品需求，是否拥有CAN、USB等多功能接口[3]。鉴于我们本次的设计产品只需要超声波、光线传感器，以及声光报警的配置，难易程度偏简单，因此我们选择便宜低端的单片机足以。
从编程难易程度来分析，我们本着简单明了的原则，尽可能的使用C语言进行编程，并且能够方便地使用良好的编程环境进行对功能代码的编写，各模块功能之间做到一一对应。
从设备的稳定性来说，我们对所选的单片机一定要能够适应较广泛的工作环境，例如适应比较宽泛的温度，具备节能的低功率等。鉴于本次系统对单片机要求不高，我们平常使用的类型就可以了。
综合以上三点，文本采用STC89C51芯片成本低，是一种性价比高的方案。
2.1.3 光照强度检测模块
本设计能够对环境内的光照也做出检测，对于光照检测模块而言，我们在选择光线传感器时也变得至关重要。因此我们对比了两款市面上比较流行的感光器件：光照度传感器M124749与光敏电阻。根据两种元器件的参数属性，我们得出结论，前者的优点是光照测量精准，体小型微方便安装，传输远，元件线性度好，但是其缺点是价格偏贵，市面稀少，且就我们日常使用环境来说，性价比低，在市场中购买起来 也不易。而后者的优点除了灵敏度高，体小型微方便安装外，且自身属性决定了它还具备更好测量广度，并且在市面中流行性广，价格便宜。但是其缺点也存在，那就是工作环境相对来说较苛刻，受温度影响。
综上，前者虽然能够让我们的产品具备更精确的线性度，但是考虑到用户的学习环境不会太极端太苛刻，因此在环境普遍的情况下，我们最终决定采取价格便宜，方便购买且能满足大众使用环境需求的光敏电阻。
2.1.4 报警提示模块
本设计能够对设备设置的光照、距离、时间的初始参数进行实时监控，如任意一项超限，则启动报警提示电路。因此我们对比了以下两种市面上常见的报警方式：语音报警、蜂鸣器报警。根据两种报警机制，我们进行模拟配置分析，得出以下结论。前者虽然可以用清晰了当的语言的方式提醒用户，但是鉴于语音报警的形式则必须要用到语音芯片，但是其需要很多的代码，麻烦还不便宜。而后者的优点是小型便携，安装方便，且容易使用，用作本次产品设计的话，性价比较高，且它的价格便宜，更容易被人们接受。
2.1.5 位置检测模块
在传感器的选择上，在市场普遍率较高的红外热释电传感器与超声波传感器之间进行选择。最初选择的是红外热释电传感器。热释电传感器的优点在于其的本身的灵敏度是比较高的。但是它有很多缺点，其缺点是红外穿透性差，它十分轻易的就能被别的光照影响，而且不合适的温度会使它变得不灵敏，甚至可能会不工作。为了让这个设计更稳定，后来选择了超声波。这个传感器很小，也很轻，使用起来也不复杂。选用超声波来检测人的坐姿是否正确，如果身体离所看东西太近的话，那么这个时候就会有声音发出，来提醒人该更正距离了[5]。频率高，方向性好，在2cm-400cm的距离范围内具有很强的准确度，适合产品的使用环境，且价格便宜方便购买。能够较好的满足用户的需求。性价比高，是个不错的方案。
2.1.6 显示模块
本文选择了LCD1602来展示数字和文字，它的显示效果很好，看起来清楚，能够展示的东西也很多，用起来也简单，这也是大多数人会选择用这个器件的理由。
2.2 最终方案
不停地思考之后，总结出以下方案：
（1）用电池来给系统供电。
（2）把8051当作主导组成部分。
（3）光照强度的判断上我们选用光敏电阻。
（4）用超声波来测量距离。
（5）用LCD1602显示数字或者文字信息。
（6）利用蜂鸣器发出声音提醒人们。
3 单元电路的硬件实现和设计
3.1 主控制单元
图3.1 单片机主控电路
整个系统的主控制单元包括了①中央处理器(CPU)。它是89c51芯片的核心，大部分由一个中央处理控制器和运算处理单元共同构成。②数据存储器。③定时器/计数器。④并行I/O口。⑤串行I/O口。对单片机和计算机进行连接，让他们进行数据的互换。⑥程序存储器。⑦中断控制系统[6]。
3.2 电源电路设计
供电电路如图3.2所示。
图3.2 电源电路
给电路一个5伏的电压，使电路可以被正常使用。
3.3 蜂鸣器报警驱动电路
图3.3 报警电路
在报警电路中，蜂鸣器或者是LED能够正常的工作是因为8550三极管把电信号扩大的原因，如果真实的距离小于最初设定的数值或实时光线亮度在初始参数范围之外时，P13脚便会发生改变，从而触发报警[7]。
3.4 按键电路
这个器件对于数值的设置是通过四个键来操作的，它可以设置光的强度范围，也可以设置距离大小。如图3.4所示。
图3.4 按键电路
最左边的键用来选择设置距离大小还是光照强度。第二个键用来加数值，下一个是用来减少数值，最后一个键是启动按键。
3.5 光照监测电路
图3.5 光照监测电路
本模块如图3.5，是由光敏电阻，色环电阻以及一个AD芯片构成。光的强弱判断是由光敏电阻实现的，不同的光照强度电阻的电压值是不一样的，将检测到的光线信息量通过CH0脚输入AD。此时AD将输入来的信息量转化为数字量，然后输出到89C51的P15、P16脚。[8]。R8的作用是为了其调整感应光强的精准度。
3.6 液晶屏展示模块
图3.6 LCD展示电路
3.7 超声波位置测距模块
本文设计时，我们考虑对比了市场上常见的几种传感器HC-SR04、US-100、US-015以及HY-SRF05，最终在实际测试中，通过测试以上几款超声波模块对于精准度的比较中，我们发现2厘米至250厘米的非接触式距离检测中，以上几款模块的精度相差无几，其中US-100的精准度最高，仅有1毫米之差，但是相对而言价格也是最贵，因此我们综合考虑本设备的使用环境普遍在250厘米内，最终我们选择了性价比最高普遍率最广的HC-SR04，测量精度可达3毫米[9]。
基础运作方法：通过IO口TRIG引发超声波的距离自动检测，供给大于10us的高电平信号；该模块会主动发射8个40khz平方波，并在信号回来时进行自动检测；返回的信号为了实现高电平输出，需经IO口ECHO即可，此时的超声波发出至返回后耗时为高电平维持时长。
具体实物结构如下图3.7所示。其中，它们的作用分别是：，VCC与电源对接，输入触发控制，回应输出信号， GND与地线连接。
图3.7 超声波模块具体实物
下图为超声波传感器的内部结构相关的原理图，通常为开放式的，在压电元件基板上可以随意的将振动器安置在上面，能够固定住。该振动器由压电陶瓷片、金属片以及谐振器组成，属于双压电晶片元件。能够有效的辐射吸收振动带来的超声波，这就是谐振器存在的目的，而且还能在振动器的中心将其汇集起来。
如果给压电陶瓷加上一个电压，机械就会发生变形，这是因为机械的变形主要是由互相变化的频率和电压所导致的。振动的压电陶瓷伴随有电荷的出现[10]。我们常说的双压电晶片元件，则会使其弯曲振动而产生超声波。
图3.8 超声波传感器内部结构图
向某固定的方向该发射机能够连续的将超声波朝着这个方向发射，使然后以空气作为传播介质来实现传播，若是在传播时被障碍物阻碍之后就会返回，若是该接收机接收到这些返回的波就会作出终止发射的处理，并计时停止。返回波的速度为340m/s，起始点到屏障的距离=340t/2，因此通过计时器中的T时间就可以进行计算[11]。
3.8 定时报警电路
报警声学和单片机控制电路组成了定时报警模块。模块的报警电路是根据时长目标由单片机带有的定时计数功能来实现，进而触发了警报，所以学生就可以接收到信号进行休息，放松眼睛。STC89C51芯片内部集成了2个16位定时器/计数器。在其之中T0定时器可充当两个8位定时器使用。可精准的监测到经由外路脉冲过程的计时以及计数[12]。工作方式大致分为两类，分别为计数和定时两种机器模式。
若设备的工作形式被选定为定时器，时钟的脉冲就是来源于这个振荡器，分频器会将每个周期记录+1，以达到峰值而不再自加。定时周期受震荡频率影响，形成某种关系系数。将其结合了单片机的电路，此时单片机工作所需的频率均为它所提供的，系统对程序处理时，若是振荡器停止运作则时间就有误差。时钟电路供出的频率将决定数据被主控芯片所处理的快慢程度[13]。如要延长定时器周期，就得重新设置定时器的初始值以及定时的时长位数。如果模式选择定时器/计数器，外部信号的计数主要是由外部引脚T1和T0来实现。机器周期会随着所处周期长度来进行调节自加，数值处理了三个阶段后存入计数器中。所以需要两个机器周期才能够对1-0跳变进行检测，若要调用12MHz晶振，那么其计数频率的峰峰值则为0.5MHz[14]。在电平给定时，进行采样之后才能够变化占空比，以此实现了外部计数脉冲的维持高低电平时间为一个周期。定时器/计数器的作用一是作为精准测量段时间的间隔。二是计量外部输入的有限脉冲总数，得到一个具体的值。内部作定时器用则就会改变数据通道，更换工作模式。比如在输入端键入一定数量的周期脉冲个数，便能快速精确的计量出周期与既定时间之间的波长。当主控制器设为定时器时，此时的内部时钟脉冲主要由输入计数信号而得，计数器会随着机器周期产生的脉冲信号而逐渐累加。由此机器的周期完全与计数器/定时器的输入脉冲一致，大概频率值为0.83。本次设计用得到的参数有脉冲输入时间间隔0.5s/次，500KHz以及6MHz的频率[15]。
4 系统软件设计方案
考虑好所需调用的主函数，然后分别将各模块功能进行编程调试，调试完成后进行模块整合处理，以完成整个系统的功能。根据这种结构设计，这个过程编程是特别的简单的，每一个模块都有自己的电路，这样操作的目的在于为后续的调试提高了效率[16]。
4.1 系统主程序流程
当开机这个系统后，其系统转为工作状态。然后系统就是开启计时功能，且检测间距以及光的亮度，若没有超限的话，就会就行第二次判断，超限的话这个时候系统就会有警报声传出来。
4.2 系统子程序流程
在监测用户与读物之间的间距时，我们会设定系统的初始值，如果实际距离比我们设定的理想距离小时，设备就会发出声光报警提醒用户当前姿势不当。如果实际距离测得比我们设定的理想距离大时，就会跳转到原始位置，继续进行判断。超声波模块每满1秒会进行标志位1，继而完成超声波的发射[17]。同时会将单片机内部定时器T1中断以及外部中断0进行反馈。若计时未满1秒，其回至初值，然后等待下次继续检测计时
5 仿真与成品
5.1 仿真
图5.1整机
5.2 成品展示
本设计实物如图5.2
图5.2实物图
6 优缺点和结论
6.1本设计的优缺点:
此设计中富有特色的地方：
（1）此设计可以让使用者清楚地看见参数值，展现的数值文字简洁易懂；
（2）此设计可对不同用户的不同应用需求在不同环境下进行个性化设置；
（3）此设计各模块电路功能分明，结构简单，性价比高，稳定性强，在进行故障维修时也增加了便利性；
（4）此设计的编程比较容易，是通过C语言来写代码，灵活性强，在实际的使用中也是十分方便的，操作简单，使用者轻易地就能看明白。
此设计也有做的不好的地方：
（1）此设计无法做到精确地检测周围的环境亮度，而且在估量距离上也会存在一些误差，应当努力地去完善这个系统，让这些缺点不存在。
（2）此设计在对于影响学生视力的重要因素上还是缺少对更多重要因素的考虑和分析，如果学生用很长的时间来玩一些电子产品的话，比如说用手机打游戏，长时间的追剧，都会伤害到学生的眼睛。本设计在其他方面的考虑较少，还需要对现有功能进行扩展，达到更广泛的用途。
6.2结 论
本文制作的这款保护器，其中8051作为整个设计的主导组成部分，在这个基础上，对这个系统进行多方面的扩展。并在keil C51，Protel99SE软件上通过使用单片机C语言进行软件设计，软件代码编写，通过在试验阶段进行测试，本设计能够达到产品的设计理念，对用户使用产品的基本需求能够达到满足。本设计系统开发潜力大，各模块之间有很强的开发空间，灵活性高，能够方便的修改以及挪用，为日后市场对产品的创新升级提供了便利。本设计的创新点是根据单片机基本功能进行拓展进而设计为一款智能视力保护器的理念，增强了以单片机为核心的各模块相互配合应用于现实生活，为人民的生活提供了便利性，为社会降低视力疾病起到了促进积极的作用。通过选择光敏元件对光强度进行检测，选择超声波测距仪对用户眼睛离书本的距离进行检测，改善纠正了学生以及大众在读写时的不正确坐姿，各模块电路与功能做到了逐一对应，各司其职，电路简单清晰，不管从稳定性还是后期维修性来看，都可称得上是一款实用理想的产品设计；在最大程度上对系统进行拓展，便可实现功能的广泛完善，达到满足用户在各种影响视力环境下的需求。
然而，因为时间太过于紧张，这个设计肯定有很多方面没有想到。有许多做的不好的地方。这个设计中那些不好的地方我们也不能完全忽视，科技发展了，越来越多先进的东西都出现在我们的生活中。比如最普遍的手机，不光成年人使用，很多学生也有手机，青少年对用眼的方式也越来越多样化，大众在用眼程度上也会增大，对保护视力的要求也会再次增加，但是本设计对这些方面的考虑较少。随着时间的增长，以及对这个设计的熟练度增加，这些问题也将会被考虑在内。此设计为以后的进步提供可靠的理论支持以及有效的实验依据。
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