基于51单片机的超声波视力保护系统设计
1 系统功能介绍
本设计题目为《基于51单片机的超声波视力保护系统设计》。该系统的设计目标是通过超声波测距技术实时检测使用者眼睛与桌面之间的距离，从而提醒用户保持合理的用眼习惯，起到保护视力的作用。在长时间学习、办公或阅读时，青少年与成年人往往容易忽视眼睛与书本、显示器之间的合理距离，从而导致近视或其他视力问题。本系统的应用背景正是基于此类需求。
系统的主要功能如下：
- 实时距离采集功能：利用超声波传感器测量人眼与桌面的距离，并将采集到的数据传输给单片机进行处理。
- 数据显示功能：通过LCD1602液晶显示屏将当前检测到的距离以数字形式直观显示出来，用户能够及时获知自己是否处于健康用眼距离。
- 安全提示功能：当检测到用户距离小于设定的安全阈值时，蜂鸣器会发出声音报警，提示用户调整坐姿或增大用眼距离。
通过以上功能，本系统既具备了科学性和实用性，又充分体现了基于单片机系统在实际生活中对健康保护的应用价值。
2 系统电路设计
本系统主要由51单片机最小系统电路、超声波测距电路、LCD1602显示电路、蜂鸣器报警电路及电源电路等部分构成。每个模块在整个系统中承担着不可或缺的功能，下面将对这些模块进行详细介绍。
2.1 单片机最小系统电路
本系统的核心控制器采用STC89C52RC单片机，它属于传统的8051系列单片机，具有较高的性价比和较强的稳定性。最小系统主要包括电源电路、时钟电路和复位电路。
- 时钟电路：通过外部12MHz晶振提供单片机工作所需的基准时钟信号，保证程序指令按时序执行。
- 复位电路：通过上电复位或按键复位，使单片机回到初始状态，保证系统的可靠运行。
- 电源电路：通过5V直流供电模块为单片机提供稳定电压，同时为外围模块供电。
2.2 超声波测距电路
超声波模块采用HC-SR04，该模块通过超声波的发射和接收来测量物体与传感器之间的距离。其工作原理是发射端发出超声波脉冲，遇到障碍物后反射回来，由接收端接收。单片机通过计算发射与接收之间的时间差，结合声速即可得出被测物体与传感器的距离。
该模块需要单片机提供触发信号（Trig），并通过回传的回响信号（Echo）进行测量。测量结果经过换算后，得到以厘米为单位的距离值。
2.3 LCD1602液晶显示电路
LCD1602液晶屏是一种字符型液晶显示模块，具有显示直观、操作简单的优点。它可以显示两行字符，每行16个字符，非常适合显示当前距离值和提示信息。
在本设计中，LCD1602通过并行数据总线与单片机相连，单片机负责向其发送指令和数据，进而显示“当前距离：XXcm”以及提示信息。
2.4 蜂鸣器报警电路
蜂鸣器模块采用有源蜂鸣器，通过单片机IO口控制。当系统检测到距离小于安全阈值时，单片机输出高电平驱动蜂鸣器工作，发出报警声音提醒用户。报警机制简单高效，能迅速引起用户的注意。
2.5 电源电路
整个系统通过USB转接电源或稳压电源模块提供5V直流电压，保证单片机和外围模块的稳定运行。为了避免电源波动对测距结果和显示效果的影响，电源部分加入了去耦电容以滤除干扰。
3 系统程序设计
系统程序设计分为初始化部分、超声波测距程序、LCD1602显示程序和蜂鸣器报警控制程序几个模块。程序的编写基于C语言，开发环境常用Keil uVision。
3.1 主程序设计
主程序实现的逻辑是：系统上电初始化后，循环执行超声波测距函数，将测量结果显示在LCD1602上，并判断是否超过阈值，如果距离过小则启动蜂鸣器报警。
#include <reg52.h>
#include "lcd1602.h"
#include "ultrasonic.h"#define THRESHOLD 30 // 安全距离阈值，单位cm
sbit BEEP = P2^5; // 蜂鸣器接口void main() {unsigned int distance;LCD_Init(); // LCD初始化Ultrasonic_Init(); // 超声波初始化BEEP = 0;while(1) {distance = Get_Distance(); // 获取超声波距离LCD_ShowString(1,1,"Distance:");LCD_ShowNum(1,10,distance,3); LCD_ShowString(2,1,"cm");if(distance < THRESHOLD) {BEEP = 1; // 蜂鸣器报警} else {BEEP = 0; // 关闭蜂鸣器}}
}
3.2 超声波测距程序
超声波模块的触发和回响由单片机精确计时完成。通过发送10us的高电平信号触发测距，然后等待回波信号，利用定时器计算时间差并换算为距离。
#include <reg52.h>
#include "delay.h"sbit Trig = P1^0;
sbit Echo = P1^1;void Ultrasonic_Init() {Trig = 0;
}unsigned int Get_Distance() {unsigned int time = 0;unsigned int distance = 0;Trig = 1;delay_us(20); // 产生10us以上触发信号Trig = 0;while(!Echo); // 等待回波开始while(Echo) { // 计算高电平时间time++;delay_us(10);}distance = (time * 0.34) / 2; // 时间换算为距离，单位cmreturn distance;
}
3.3 LCD1602显示程序
LCD1602显示程序主要包括初始化、命令写入、数据写入和显示函数。通过这些函数，单片机能够将采集的距离数据动态显示在液晶屏上。
#include <reg52.h>
#include "lcd1602.h"sbit RS = P2^6;
sbit RW = P2^5;
sbit EN = P2^7;
#define LCD_PORT P0void LCD_WriteCmd(unsigned char cmd) {RS = 0;RW = 0;LCD_PORT = cmd;EN = 1;delay_ms(2);EN = 0;
}void LCD_WriteData(unsigned char dat) {RS = 1;RW = 0;LCD_PORT = dat;EN = 1;delay_ms(2);EN = 0;
}void LCD_Init() {LCD_WriteCmd(0x38); // 16*2显示，5*7点阵LCD_WriteCmd(0x0C); // 开显示，关光标LCD_WriteCmd(0x06); // 写入新数据光标右移LCD_WriteCmd(0x01); // 清屏
}void LCD_ShowString(unsigned char row, unsigned char col, unsigned char *str) {unsigned char addr;if(row == 1) addr = 0x80 + (col-1);else addr = 0xC0 + (col-1);LCD_WriteCmd(addr);while(*str) {LCD_WriteData(*str++);}
}
3.4 蜂鸣器控制程序
蜂鸣器的控制相对简单，只需通过单片机IO口输出高电平即可驱动有源蜂鸣器工作。
#include <reg52.h>
sbit BEEP = P2^5;void Beep_On() {BEEP = 1;
}void Beep_Off() {BEEP = 0;
}
4 总结
本设计基于51单片机，结合超声波测距模块、LCD1602液晶显示模块和蜂鸣器报警模块，实现了一个实用的视力保护系统。系统能够实时检测眼睛与桌面的距离，并通过液晶屏显示和蜂鸣器报警及时提醒用户保持合理的用眼距离，具有良好的教育意义和实际应用价值。
该系统的优势在于：
- 电路设计简洁，模块化程度高，容易扩展。
- 程序逻辑清晰，功能划分合理，代码易于维护。
- 功能实用，能有效帮助用户养成科学用眼习惯。
未来可以在此基础上进行功能扩展，例如增加数据存储模块记录用户用眼习惯，或者通过无线模块将数据上传至云端，实现远程健康监测。