单片机超声波视力保护系统设计

罗发贵，李大洪，甘庆华

（兴义民族师范学院，贵州 兴义 562400）

本次设计的意义首先能迎合孩子学业压力大的背景，给孩子创造比较好的学习环境，能保证高效学习的同时，保证身心健康；且其智能调光功能可创造比较合适的学习光线，保护眼视力；且系统使用的是稳定性极高的嵌入式微处理控制器（单片机），后期量产成本低，维护成本也低，很容易在市面推广开来。系统也带有GSM 短信通讯功能能够让家长在远处就能得知孩子当前的学习坐姿情况，实现更加省力的监督。

1 系统设计方案

在开始设计前，需要整理各个功能部分，并明确所需传感器和电路。此次设计用到了5 个输入电路和4个输出电路。通过多电路组合实现整体功能，系统总方案如图1 所示。

图1 系统框图

本次设计通过对单片机最小系统的搭建，能够利用单片机最小系统驱动LCD 液晶显示器工作；能够利用时钟芯片来定时，并能通过单片机读取到年、月、日、时、分和秒等时间信息；能够搭建语音播报电路，进行语音提示；能够利用按键触发，调节系统参数；能通过光敏电阻检测当前室内亮度情况，并实现LED 灯的自动开断；利用GSM 芯片实现短信警报功能。

2 硬件设计LED

2.1 主控硬件设计

此次使用型号为STC12C5A16AD 单片机，此款单片机具有短小精悍、价格合宜及功能齐全等优势，非常适合本次开发使用。且51 系列的单片机能在多种开发环境中使用。

通过KEIL 平台就可以实现对单片机硬件的调试。且此款芯片共40 个引脚，其中能用于双向通讯的I/O 口有32 个，剩余的有复位、晶振、电源正负极和外部地址引脚，其具体的引脚电气原理如图2 所示。

图2 单片机引脚图

2.2 显示电路设计

本次设计的显示器方案是LCD1602，因为其具有开发简单，使用成本低等优点，此款显示器在工业界得到了比较广泛的使用，该显示器有16 个引脚，分别是2 个背光灯引脚、8 个数据传输引脚、3 个控制引脚、1个对比度调节引脚和2 个工作电压输入引脚，其显示电器如图3 所示。

图3 LCD 液晶显示电路

2.3 电源电路设计

此次电源电路的设计已经考虑了市面现有电源的兼容性，且确定下来使用的是5 V-USB 接口电源，因为市面上的电器包括电脑、充电宝和手机充电器等都是外部输出5 V 电源。此次设计只需要预留1 个USB接口，便可实现供电。电源接口电路如图4 所示。

图4 电源接口电路连接图

2.4 按键电路设计

按键作为一种最简单和直接的数据输入方式，被广泛应用到了社会的各行各业。单片机只需要通过判断对应I/O 口的输入电平状态即可判别出外界要输入的动作指令。且市面上的四脚按钮，具有单边流通的特点，在焊接多个按钮电路的时候，非常方便。此次设计采用了4 个按键来设置时间信息。此次设计的按键电路原理如图5 所示。

图5 按键电路原理图

2.5 语音电路设计

此款芯片外部自带数据存储器，能存入预先准备的语音内容。当要播报时，只需要单片机输入具体的地址信号即可。语音芯片电路连接如图6 所示。

图6 语音芯片电路连接图

2.6 光敏电路设计

此设计需要按照实时的环境光强度来调整台灯的开关，所以需要设计光照强度采集电路。利用光敏电阻内光电效应在不同光照亮度下显现的阻值不同的原理来实现检测，通过搭建分压电路实现电压的测量和阻值的转变。电气原理如图7 所示。

图7 光敏检测电路图

2.7 GSM 通讯电路设计

本次设计最大的亮点就是要实现GSM 短信通讯，所以需要用到GSM 通讯芯片，通过在芯片板上插入手机卡，手机就会自动搜索对应的5G 服务信号，且此次设计选择使用的GSM 通讯芯片型号是 SIM900A，其电气连接如图8 所示。

图8 模块与单片机接口图

从连接图上可以看到，此款芯片与单片机之间的通讯是使用串口通讯形式通讯，将其通讯口连接到单片机的P3.0 和P3.1 接口即可实现数据交互。

2.8 超声波测距电路设计

本次设计需要测量人头部与桌面的距离，且在方案选择中确定下来的测距方案是超声波测距。超声波测距具有不易受外界干扰的优点，且响应速度快。利用超声波在空气介质中的传播速度为340 m/s，再加上开始发射超声波到接收到反射信号的时间差，就可以计算出所测距离。

3 主程序设计

本次设计的程序是在KEIL 平台上完成的，通过逐个设计的方式，实现单片机驱动本次设计的所有外设。例如先实现LCD 液晶显示器的驱动，然后再驱动光敏传感器，将光强度采集后结合LCD 显示。依次类推逐步实现所有程序的设计。

单片机程序的运行是在主函数中进行的，如图9 所示：进入主函数后，先要初始化显示器、AD 采集口和定时器，然后时钟芯片开始计时，超声波开始测距；接着LCD显示器显示距离值和时间信息；然后判断有无按钮按下，如果按下则进入按键设置子程序；否则继续后面程序，读取光照强度值并根据值来控制照明灯的开关，然后判断距离是否过近，如果成立则语音播报提示距离过近，并开始计时，否则语音播报停止，并停止计时；然后判断计时时间是否超20 s，如果成立则驱动GSM 发送短信到监护人，这样就完成了本次主函数的1 次循环内容。

图9 主函数流程图

4 实物调试

4.1 KEIL 调试

KEIL 平台界面大致分为4 个部分，任务栏一栏从左到右，涵盖所有的开发使用功能；其次中间部分分为工程文件部分和主编辑页面部分；最下面的是编译链接结果显示部位。在实现程序的编写前，需要新建1 个程序工程文件，之后建立目标文件夹，在此文件夹下可以添加很多的程序子文件，通过双击“源组”即可实现程序子文件的新建，新建完成后才能真正意义上完成一个工程的新建。

程序编辑区已经可以输入代码，表示当前的状态是正常的，此时可根据程序设计内容实现程序的编写，并在平台上实现编译、链接和生成烧录文件。

4.2 实物调试

通过使用USB 线就可以对实物进行供电，此次设计中只有语音芯片需要使用1 个3.3 V 的稳压管，其他芯片都是使用5 V 供电方式进行供电的，所以在测试时只需注意语音芯片供电正确，其他芯片上电都能正确运行。

5 结论

本次设计已经实现了预期的所有功能，包括能够实现单片机最小系统的搭建并能成功运行；能够利用单片机最小系统驱动LCD 液晶显示器工作；能够利用时钟芯片来定时，并能通过单片机读取到年、月、日、时、分和秒等时间信息；能够搭建语音播报电路，进行语音提示；能够利用按键触发，调节系统参数；能通过光敏电阻检测当前室内亮度情况，并实现LED 灯的自动开断；利用GSM 芯片实现短信警报功能。但是本次设计还有很大的优化空间，后期会不断去更新版本，并根据实际的社会使用效果实现更新和完善。不光是对本次设计进行优化，对自我发展也将不断树立更高的目标，不断地去追逐和实现目标。