1.绪论
1.1背景、意义
当今社会由于电视机、电脑、PS4、NS等等的各种电子设备的大量流通,而成为街机，从而使得青少年的眼睛过于使用,导致过度疲劳。这样对青少年们的视力影响很大。通过上网大量查阅资料显示我国现有的盲人数量为500多万人,低视力的人群也接近千万人,儿童与青少年特别容易受到影响。根据全国学生体质健康调研的最新报告数据显示,我国现在小学生的近视眼发病率为22.78%,中学生的近视眼发病率已经达到55.22%,而高中生的近视眼发病率更是高达70.34%。而根据世界卫生组织2019年的最新研究报告,在目前中国社会近视患者人数就拥有接近6亿人,这些人口几乎是已经达到了总人口数量的一半。预计到2020年的时候，我国拥有的近视患病人口将超过7亿，而其中的青少年则更是"重灾区"。所以怎样去保护青少年，乃至成年人的视力问题已经成为了一个很重要的问题。
视力下降会产生很多的问题，例如眼疲劳、视网膜脱离等等的症状,所以视力下降不仅影响着青少年的日常生活和学习,与此同时对学生的健康也有着很大的危害。由此可见,视力问题已经不只是我们这一代的问题,对于下一代来说同样也有着很大的干系。
近视在当今社会来说可以说是一个很常见的问题,近视被分为两种近视一种假性近视，可以被治愈。另一种真性近视，无法被治愈。目前主流的观点认为真性近视可控,但是却不可治愈。所以眼睛一旦出现真性近视,在平时就一定要保持合理的用眼习惯,尽量减缓近视发展的速度,而对于近视的矫正,目前主要还是通过框架眼镜、角膜接触镜或者成年以后行屈光手术提高视力。
而在现在这种情形下,如果我们能够开发一种多功能视力保护仪,通过营造一种健康的阅读学习、使用眼睛的环境。从而帮助人们避免因为距离过近,又或者是使用眼睛的时间太长而导致视力的下降。科学的帮助人们防范和改正因为不良的阅读学习习惯。
在中小学阶段学生缺乏自觉意识，读写姿势不标准，从而导致学生近视。而家长和老师又无法随时陪在孩子身边，对孩子加以提醒。时常提醒也会起到反作用，激发孩子的逆反心理，起不到该有的作用。不良的读写习惯养成以后就很难矫正，而学生有大部分时间在学习，阅读。这样的读写习惯更容易对他们的身体健康产生不好的影响。而孩子在中小学时代，正式他们生长的关键期。这样不良的习惯，十分影响孩子的成长。例如会脊椎弯曲或者是含胸驼背。而我们的设计目的正是设计出一款产品，利用产品来提醒学生，要保持坐姿正确，维持学生和书籍之间的距离。养成一个良好的读写习惯。同时还能够帮助学
生提高自己的学习效率。
1.2发展现状
上网查阅大量数据，有研究显示现在近视的发展速度已经远远超越了人类对它的了解的程度。美国眼科学会宣称近视眼每年要花费3万亿美元的成本在健康和影响效率的方面。并且在2050年时,近视人口将达到全世界人口的一半这也是有可能发生的。
而经过调查显示现在国内的许多的坐姿矫正设备大多都具有局限性和单一性。而设计的新型的视力保护仪正是采用人机交互的理念，以及以人为本的理念。科学合理的的排除不良因素对视力的影响,对中小学生的健康成长发挥了重要的作用。
1.3设计目的及要求
本次设计的目的是为了设计一个能够帮助人们更好的合理的使用人们眼睛,并且在此过程当中能够有效达到保护视力的目的,同时也为了保护青少年的健康问题,以中小学生健康成长的目的。
设计的要求为本设计将采用STC89C52/51、AT89C52/51单片机作为主控芯片；利用LCD1602液晶来实时显示信息；利用DS1302产生时钟信号;利用LCD1602液晶上实时显示时间、日期、读书倒计时、人与视力保护仪的距离;预设人与视力保护仪距离低于多少时蜂鸣器报警,当人与视力保护仪的距离低于设置好的报警值时,蜂鸣器会鸣叫提示你保持距离,当你高于报警值时蜂鸣器会自动停止鸣叫。
2.总体方案
2.1整体构思
本次的设计是利用超声波测距传感器来实现使用者和书籍等物品之间的距离的测量,当超声波测距传感器测量出来的距离小于设备调节设定的距离,此时蜂鸣器就会发出声音响动,以此来提示使用者因当要保持自身与书籍等物品之间的间距;LCD1602显示屏则是用来显示现实实际的时间,使用者的学习时间、以及使用者与书籍等物品之间测量出来的距离。并且当学习时间的倒计时完成时,蜂鸣器同时也会滴滴提示以提示使用者因当要注意阅读或是学习、工作等事情的时间。同时提示使用者因当要注意自身的休息以免导致用眼过度,而造成眼部不适。由此来保障使用者的眼睛的保养,完成本设计的设计初衷,同时以此来达到设计最初的目的。
图2.1结构框图
2.2工作原理
超声波传感器的工作原理是指利用发生和接收超声波，来实现对距离的测量。超声波传感器法送超声波，由超声波传感器的发送器部分来完成。它的原理就是利用振子的振动向空气中发射超声波。接受超声波是由超声波传感器的接受部分完成。这部分的原理是接收由发送器部分发送的超声波经反弹后的超声波，然后将它转换为电能输出。另外不论是超声波传感器的发送器部分，还是接收器部分都受到控制部分的控制。比如控制发送器部分发送超声波的探测距离等。而整个系统的工作一
样也需要有能量的提供，这些能量都是由电源部分来提供。这样在电源、控制部分的共同作用下，超声波传感器就可以通过发送器部分发射超声波，接收器部分接受超声波，就能实现对距离的测量。
图2.2HC-SR04测距时序图
3.硬件设计
3.1原理图开发环境
Keil C51是美国的Keil Software公司开发出品的。Keil C51正是一款为51系列兼容单片机提供C语言软件开发的系统。C语言在结构性、功能等多方面上和汇编相比具有着十分优异的优点。而也正是这些优点，使得它方便被人们学习和使用。Keil通过一个集成开发环境使得包括库管理、C编译器等等在内的各部分能够组合在一起。而也正是它的这些优点使得他成为了使用C语言编程的利器。即便是你不需要使用C语言，仅仅只使用汇编语言编程，它的强大优势一样会使得你对它颇有好感，从而获得强大助力帮助你快速完成，事半功倍。
3.2硬件选型
3.2.1STC89C51单片机
STC89C51是一个系统可编程芯片。STC89C51RC具有8051核的ISP。STC89C51的最高工作时钟频率为80MHz。而它的Flash只读程序存储器可以被反复擦写1000次。STC89C51拥有8位中央处理器以及ISP Flash存储单元，而且还拥有系统可编程(ISP)特性。此外他还能够被电脑的控制程序所控制利用。而这就是意味着用户可以直接通过电脑将程序代码下载进单片机。而这样做就有着许多的优点，例如速度更加的快。STC89C51的特点是高速和低功耗，是新一代8051单片机。STC89C51单片机是单时钟、机器周期的兼容8051内核单片机。STC89C51拥有全新的流水线，指令集结构经过精简，并且还具有MAX810专用复位电路。
3.2.2LCD1602液晶显示
LCD1602液晶显示器是一种被广泛使用的工业字符型液晶显示模块。字符型液晶显示屏、控制驱动主电路HD44780以及扩展驱动电路HD44100再加上少数的电阻、电容元件，还有结构件等装配在PCB板上从组成了LCD1602液晶显示器。而不同厂家生产的LCD1602芯片即使有所不同，但是基于他们书写的控制程序基本相同，使得它们的使用方法却是无一例外的一样。很多的制造生产商直接将裸片做到板子上，就为了降低生产的成本。
图3.1LCD1602液晶显示实物图
3.2.3DS1302时钟
DS1302时钟具有许多的特点，例如高性能、低功耗等等。它是一种实时的时钟电路。美国的DALLAS公司是它的开发公司。它的计时功能十分优秀从年开始，一直可以计算到秒位，并且闰年时还能自动调整。而它的工作电压是2.0V~5.5V。CPU可以与它进行同步通信，只需利用三线接口就可以实现。当它使用突发方式时，每次都可以发送出多个字节的时钟信号，也可以利用突发方式发送RAM数据。DS1302可以存放临时性的数据，这是因为它
的内部拥有一个31×8的RAM寄存器。DS1202的升级版就是DS1302，这使得这两个时钟电路可以互相兼容。而DS1302在主电源以及后备电源方面增加了引脚。另外它还有着许多的优点，例如它拥有涓细电流充电的能力为后备电源提供。
图3.2DS1302时钟实物图
3.2.4超声波测距传感器（型号为HC-SR04）
HC-SR04超声波测距模块可以进行一段距离的非接触式距离感测功能，这段距离的范围在2cm-400cm之间。这一点也是HC-SR04超声波测距传感器产品的优秀特点。并且在这范围内的测距精度甚至能够带到3mm的距离。另外整个模块由三部分组成。这三部分分别为超声波发射器、超声波接收器以及它的控制电路。
图3.3超声波测距传感器实物图
图3.4超声波测距传感器
3.3.1STC89C51单片机最小系统
单片机最小系统的含义就是单片机工作的最小电路。它包括了三个电路，三个电路分别是电源电路复位电路以及时钟电路。而用简单的话来解释单片机的最小系统的意思就是用最少的元器件，但是仍然能让单片机去正常的工作。接下来就将分别介绍单片机含有的三个电路。
1:电源电路
对于一个电子产品来说，最是必不可少的部分就是它的电源，他需要电源来为他提供能源，使它能够运行使用。在这里单片机中的电源电路就是作为单片机的电源，为他提供能源。而每一个电路都有着它的工作电压，对于单片机最小系统的电源电路来说它的电压一般都是3.3V亦或是5V。但是至于实际要多大的电压，则需要具体问题具体分析，需要去参考使用单片机的工作电压。而单片机的工作电压在一般情况下大小都是5V。而在本次的设计当中使用的单片机的工作电压处于4.5~5.5V之间。为了使用方便，且利于操作，我们可以利用USB接口的电源线去连接手机的充电器插头甚至也可以利用连接符合电压的充电宝，来使得设计产品能够正常运行。
2:复位电路（上电复位和手动复位）
复位电路虽然是单片机最小电路的一部分，但是复位电路仍然可以再分为上电自动复位和开关复位两个类型。电路再接通的时候，电容上的电压会瞬间发送变化。而复位电路正是用来应对这种情况的。它可以使得发生变化的电压重新接近电源电压。当ret处于高电压状态下时，电容充电的时候，rst这一端口的电压就会慢慢下降。当电压下降到一个合适的大小之后，CPU就会自动摆脱复位的状态。同时由于C1的电容具有一定的大小，这样就可以保证高电平的有效时间能够足够的长，而CPU自然而然也能够顺利的复位。而为了避免出现自动复位失败的问题，特意增加手动的复位开关。
上电复位:在单片机打开时，上电复位就被自动打开。电容和电阻
串联在一起组成了复位电路。另外根据电容电压不能发生突变的原则。系统通电之后，rst这一端口的电压就会出现高电平的现象。而这一现象维持的时间长短是根据电路的RC值来确定的。想要拥有可靠的复位机制就需要选取合适的RC值。而这一点是因为一般的51单片机在它的RST的一端的高电平状态维持两个机器周期，就会复位。
手动复位:手动复位的含义十分的简单，就是通过按键使得它成功复位。举个例子手动复位和电脑当中的重启开关是一样的。电脑因为某种原因进入了死机的状态，无法再进行正常的操作，这个时候重启就可以解决。对于单片机来说手动复位就是它的重启开关。在程序运行的过程当中，程序因为某些不知名或是不知道缘由的原因出现了不可以控制的状态。这个时候只需要按下复位的开关就可以解决这个问题。
图3.5复位电路
3:时钟电路:就是晶振电路
晶体振荡器的简称就是晶振，在电气的方面里可以理解成是一对电容还有电阻并联在一起，接着在串联一个电容所形成的二端网络。负载电容值是一个很重要的参数对于晶振来说。想要得到和晶振相标称的谐振频率，就需要选择一个并联电路，这个并联电路需要和负载的电容值相等。在反相放大器的两边接进晶振是晶振振荡电路的一般做法。另外晶振的两边在各接上一个电容，电容不接晶振的一边接地。通常的晶振的负载电容大多都是15p或12.5p。
图3.6晶振电路
图3.7单片机最小系统
3.3.2测距模块
利用超声波来进行测距。超声波是一种特殊的声波。在本次设计当中利用超声波传感器来实现对超声波的利用。通过超声波传感器的发射器部分发射超声波进入到空气当中。超声波在空气中遇到物体时就会原路反弹回来。然后被超声波传感器的接收器部分接收。只需要对时间进行测量，再利用声音在空气中的传输速度为340m/s，就可以计算出超声波传感器和使用者之间的实际距离。这个方法实现方法简单,并且成本还低、抗干扰较强,但是精度一般。
3.3.3蜂鸣器电路的设计
在本次的设计中蜂鸣器为了适配单片机的电压，因此我们选用5V电磁式有源蜂鸣器。另外我们需要多加一个三极管开关电路来驱动这个蜂鸣器。原因就在于蜂鸣器的工作电流比较大，而单片机不足以直接驱动，因此需要加一个三极管开关电路。在这里对三极管的选用则是采纳PNP型的8550三极管。在PNP型的8550三极管的基极串联是一个电阻，电阻阻值为1千欧，在连接到单片机的I/O口。另外在I/O口的输出为低电平时，三极管就被接通，从而使得蜂鸣器发出鸣叫。相反当I/O口的输出电平为高电平时,三极管就被断开,从而使蜂鸣