徐國(guó)霞　余浩

【摘 要】設(shè)計(jì)制作一款多功能智能學(xué)習(xí)伴侶，主要運(yùn)用了高亮LED燈、人體紅外、電容觸摸、超聲波、DS18B20等傳感器和單片機(jī)構(gòu)成的多功能控制電路。該智能學(xué)習(xí)伴侶擁有超大的LED液晶顯示屏與人進(jìn)行人機(jī)交互，具有顯示時(shí)間、鬧鐘提醒、計(jì)時(shí)提醒、無人關(guān)燈、溫度顯示高溫報(bào)警、課程提醒、學(xué)習(xí)計(jì)劃提醒等功能，且能糾正坐姿，防止近視。

【關(guān)鍵詞】人機(jī)交互;多功能;規(guī)范坐姿

中圖分類號(hào)： TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）34-0024-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.34.007

Design of Multifunctional Student Intelligence Learning Companion

XU Guo-xia YU Hao

（Anhui Xinhua University， Hefei Anhui 230088， China）

【Abstract】Design and manufacture a multi-functional intelligent learning companion， mainly using multi-function control circuit composed of high-brightness LED light， human infrared， capacitive touch， ultrasonic， DS18B20 and other sensors. The intelligent learning companion has an oversized LED screen for human-computer interaction， with display time， alarm reminder， timing reminder， no-light off， temperature display high temperature alarm， course reminder， learning plan reminder， etc.， and can correct Sitting posture to prevent myopia.

【Key words】Human-computer interaction; Multifunction; Normative sitting posture

0 引言

在社會(huì)不斷發(fā)展的背景下，智能高科技決定著電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)和光明的未來，智能化科技在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用有著極其重要的意義。伴隨著家用電器的科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，智能化已經(jīng)應(yīng)用于生活中的有抽油機(jī)，電熱水器，洗碗機(jī)等[1]。與平時(shí)常用的家用電器相比，發(fā)現(xiàn)單片機(jī)制造的家用電器功能種類更多，使用起來更簡(jiǎn)單、更安全，最重要的是能夠節(jié)省能源，提高了家用電器的品質(zhì)。希望能借用這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)中常用的伴侶臺(tái)燈產(chǎn)品進(jìn)行一些新的改動(dòng)。

因此，本文旨在研究智能化學(xué)習(xí)伴侶，可以陪伴學(xué)生一起學(xué)習(xí)。即使目前燈具市場(chǎng)的主體還是按鍵式，但由于現(xiàn)代科技的進(jìn)步和大家對(duì)生活水平的不斷提高，已使傳統(tǒng)的臺(tái)燈感受到了產(chǎn)品更新?lián)Q代所帶來的危機(jī)感。本次設(shè)計(jì)的最大創(chuàng)新點(diǎn)在于一方面可以更節(jié)省電能源達(dá)到環(huán)保的效果，另一方面可以監(jiān)督使用者的坐姿，預(yù)防成為近視眼和腰背彎曲。并且，在光線不足的時(shí)候，系統(tǒng)可以啟動(dòng)語(yǔ)音控制指令開關(guān)燈的功能，避免了夜間摸黑的麻煩，達(dá)到最佳的效果。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)是在單片機(jī)STC89C51RC控制下工作的。其工作過程為：由熱釋電傳感器檢測(cè)一定范圍內(nèi)是否有人在，當(dāng)沒有人時(shí)熱釋電傳感器將輸出低電平，單片機(jī)將停止工作。當(dāng)有人靠近時(shí)，模塊將輸出高電平，單片機(jī)檢測(cè)該電平后進(jìn)入待機(jī)工作狀態(tài)，在此過程中如果有人打開學(xué)習(xí)伴侶時(shí)則打開燈光。電容觸摸分四種模式，第一次長(zhǎng)按增加亮度，再次長(zhǎng)按將降低亮度，單觸摸關(guān)閉和開啟學(xué)習(xí)伴侶，觸摸開關(guān)四周隱藏4個(gè)微動(dòng)開關(guān)，可以對(duì)學(xué)習(xí)伴侶進(jìn)行一些設(shè)置等。學(xué)習(xí)伴侶在工作的時(shí)候，其內(nèi)部計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)達(dá)到預(yù)計(jì)設(shè)定的時(shí)間時(shí)，將通過揚(yáng)聲器發(fā)出鳴響并閃速燈光提醒使用者起身活動(dòng)。在使用者看書的過程中，學(xué)習(xí)伴侶的超聲波模塊時(shí)刻檢測(cè)使用者眼睛距離書本的距離，如果距離過小，學(xué)習(xí)伴侶將關(guān)閉燈光提醒使用者，直到調(diào)整好坐姿才開啟燈光。學(xué)習(xí)伴侶采用LCD12864液晶顯示屏，上面有時(shí)間顯示，日歷顯示，可設(shè)置鬧鐘提醒，計(jì)時(shí)提醒。溫度傳感器DS18B20采集環(huán)境溫度，并通過一定的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)將溫度顯示在顯示屏上，并具有高溫報(bào)警等功能。程序中還加入課程表的設(shè)計(jì)，可以通過按鍵將課程表添加進(jìn)去，具有課程提醒功能。同理，還具有學(xué)習(xí)計(jì)劃提醒功能。整個(gè)設(shè)計(jì)方案分五個(gè)大模塊：溫度傳感器模塊、超聲波檢測(cè)坐姿模塊、電容觸摸模塊、液晶顯示器模塊、人體感應(yīng)模塊和橋驅(qū)動(dòng)模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)STC89C52RC簡(jiǎn)介

STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52RC使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但是做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。

2.2 三極管驅(qū)動(dòng)電路

本次設(shè)計(jì)采用3個(gè)S8550三極管作為驅(qū)動(dòng)電路。系統(tǒng)共有21個(gè)發(fā)光二極管，經(jīng)過測(cè)試，每個(gè)三極管足夠驅(qū)動(dòng)7個(gè)二極管，從而使輸出電流達(dá)到最佳狀態(tài)。

2.3 溫度傳感器電路

DS18B20的數(shù)字溫度計(jì)提供9至12位的攝氏溫度測(cè)量，并具有與非易失性用戶可編程上限和下限報(bào)警功能。適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電;溫范圍-55℃～+125℃，在-10～+85℃時(shí)精度為±0.5℃;獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊;DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫;DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi);可編程的分辨率為9～12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫;在9位分辨率時(shí)最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快;測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。

2.4 LCD12864液晶顯示器

該系統(tǒng)的菜單功能顯示用LCD12864液晶顯示器，其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字。也可完成圖形顯示，低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多。

2.5 HC-SR04超聲波模塊

單片機(jī)給TRIG至少10us的高電平信號(hào);模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回;當(dāng)有信號(hào)返回，模塊ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。則測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*聲速（340M/S））/2;單片機(jī)在得到ECHO高電平后將開啟定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)關(guān)閉計(jì)時(shí)并讀定時(shí)器的值，此時(shí)就為此次測(cè)距的時(shí)間，方可算出距離.如此不斷的周期測(cè)，即可以達(dá)到你移動(dòng)測(cè)量的值。即當(dāng)我們離書本太近時(shí)，HC-SR04超聲波會(huì)檢測(cè)到眼睛距離課本太近，進(jìn)而學(xué)習(xí)伴侶自動(dòng)熄滅，當(dāng)坐姿端正時(shí)，又會(huì)自動(dòng)亮起。

2.6 HC-SR505人體感應(yīng)模塊

HR-SR501是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，采用德國(guó)原裝進(jìn)口LHI778探頭設(shè)計(jì)，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，超低電壓工作模式，廣泛應(yīng)用于各類自動(dòng)感應(yīng)電器設(shè)備，尤其是干電池供電的自動(dòng)控制產(chǎn)品。當(dāng)人靠近或離開時(shí)會(huì)有感應(yīng)，輸出高電平，反之輸出低電平，單片機(jī)根據(jù)高低電平自動(dòng)開關(guān)學(xué)習(xí)伴侶。

2.7 系統(tǒng)硬件電路

本次設(shè)計(jì)主要控制中心大腦是STC89C52RC單片機(jī)，根據(jù)上述傳感器以及顯示屏的接法，各個(gè)傳感器和模塊分工工作相互協(xié)調(diào)，總設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。設(shè)計(jì)使用的電源為標(biāo)準(zhǔn)5vUSB供電，5V電壓在身邊到處都是，尋找方便，更人性化。

3 結(jié)論

本文以STC89C52RC單片機(jī)為核心芯片，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了智能學(xué)習(xí)伴侶。該智能學(xué)習(xí)伴侶當(dāng)人在有效感應(yīng)范圍內(nèi)活動(dòng)，開關(guān)將持續(xù)接通，待人離開后，延時(shí)自動(dòng)關(guān)閉負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了“人來燈亮、人走燈熄”的智能控制功能。紅外線感應(yīng)開關(guān)的另一特點(diǎn)是應(yīng)用光敏控制，開關(guān)自動(dòng)測(cè)光，光線強(qiáng)時(shí)不感應(yīng)。觸控設(shè)備通常內(nèi)置觸摸感應(yīng)芯片，通過手指觸摸帶來電容變化，從而控制開關(guān)或燈具。而且現(xiàn)在許多大學(xué)生眼睛都有著不同程度近視，我想著結(jié)合學(xué)習(xí)伴侶幫助學(xué)生糾正正確坐姿，預(yù)防近視當(dāng)無人在時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)使學(xué)習(xí)伴侶自動(dòng)熄滅，以達(dá)到節(jié)省能源的目的。該學(xué)習(xí)伴侶穩(wěn)定性高，易于操作，程序可讀性高，可升級(jí)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].高等教育出版社，2012（1）：1-394.

[2]王東峰.單片機(jī)C語(yǔ)言應(yīng)用100例[M].電子工業(yè)出版社，2009.

[3]孫家啟，萬家華.新編C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)與教程[M].中國(guó)水利水電出版社，2013.