系統采用STC89C52單片機作為多功能視力保護器的核心控制單元,本系統通過光敏電阻采集光線信號，通過AD采集光線信號的強弱，把光線強度等級化，通過設定報警等級來確定光照不足時報警。利用超聲波測距傳感器測出人臉部與桌面的距離，當小于30CM時發出報警聲提醒。通過單片機內部定時器計時，當使用達到45分鐘時電路自動發出聲音提示,提醒使用者注意休息。系統采用的提示電路由三極管驅動蜂鳴器組成。系統總體的設計方框圖如圖1所示。

從控制系統的大小和復雜度出發，必須考慮單片機的基本參數和增強功能。前者往往需要考慮芯片的速度，ROM容量，I/O引腳數量和工作電壓(1.8V/3V/5V)等，后者則包括是否擁有看門狗，雙指針，雙串口，實時時鐘，CAN接口，SPI接口，USB接口等附加模塊。本設計中受控對象只有超聲波、聲光報警，復雜度低，采用低端的通用的單片機芯片就能夠滿足要求。從容易學習掌握的角度出發，要求所選單片機支持簡單易學的編程語言，并且擁有軟件支持的良好編程環境。同時還應當有豐富的資料支持，包括詳盡的芯片說明書，應用指南，設計方案，范例程序等。

從工作可靠性的角度出發，要求所選芯片有較寬工作溫度范圍，較低的功耗和一定的抗干擾能力。按適用的工作溫度分，常用單片機芯片可分為商用級、工業級、軍品級，這里選擇一般的商用機即可。在功耗和抗干擾方面，本控制系統的要求都不高，一般的單片機芯片都能滿足要求。綜上所述，本系統選擇STC89C51單片機作為主控芯片。足夠本設計運行，且價格便宜，下載程序方便。

在測距模塊中，常用超聲波測距，它的原理是利用超聲波的發射與接收，根據超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距的兩端，一端發射，另一端接受的直接波方式，適用于身高計；一種是發射波被物體發射回來后接收的反射波方式，適用與測距儀。本設計主要是測距要選用得體，要準確無誤，通過查閱資料感覺利用超聲波測距的設計較多，但是穩定性不是很好，所以決定采用光電式測距傳感器，主要應用在生產加工等精密場合，穩定性極高。所以本設計選用光電式紅外測距傳感器。在感光模塊中，采用光敏電阻與LM393構成的電壓比較器來構成感光模塊的主要部分。通過對電壓的采集，來實現智能化。

對于指令系統兼容MCS51系列的單片機，其較為常用的編程語言有C和匯編語言。C語言是一種結構化編程語言，可產生壓縮代碼。C語言在硬件結構上僅要求對單片機存儲器等硬件結構有初步了解，寄存器分配，不同存儲器尋址及數據類型等細節可由編譯器管理。C語言程序本身并不依賴于機器硬件系統，基本上不做修改就可以在不同種類的單片機之間相互移植。程序可劃分為不同函數，結構規范，可讀性強。C語言提供的庫包含許多標準子程序，具有很強的數據處理能力。C語言作為一種方便、容易掌握的語言得到了廣泛的應用，是目前單片機編程中應用最多的語言之一。匯編語言同樣在單片機編程中得到了廣泛的應用，其具有簡單實用，控制靈活，實時性強，程序效率高等特點。匯編語言有著極強的硬件控制能力，用其它的高級語言所無法控制的軟硬件細節，在匯編語言中都可以實現，但是編程復雜。綜合考慮，軟件的設計語言選擇C語言。

主控制最小系統電路如圖2所示。

圖2 單片主控電路

   供電電源采用7805穩壓芯片穩壓成5V給傳感器，單片機供電。電路如圖3

圖3 電源電路

蜂鳴器采用三極管驅動，驅動原理圖如圖4。

蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產品中作發聲器件。 ；蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。蜂鳴器在電路中用字母“H”或“HA”（舊標準用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。1．壓電式蜂鳴器 壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發光二極管。

多諧振蕩器由晶體管或集成電路構成。當接通電源后（1.5~15V直流工作電壓）,多諧振蕩器起振,輸出1.5~2.5kHZ的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發聲。

壓電蜂鳴片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成。在陶瓷片的兩面鍍上銀電極，經極化和老化處理后，再與黃銅片或不銹鋼片粘在一起。

電磁式蜂鳴器 電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。

接通電源后，振蕩器產生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互纏繞

蜂鳴器驅動電路一般都包含以下幾個部分：一個三極管、一個蜂鳴器、一個限流電阻。

蜂鳴器為發聲元件，在其兩端施加直流電壓（有源蜂鳴器）或者方波（無源蜂鳴器）就可以發聲，其主要參數是外形尺寸、發聲方向、工作電壓、工作頻率、工作電流、驅動方式（直流/方波）等。這些都可以根據需要來選擇。本設計采用有源蜂鳴器。

三極管Q1起開關作用，其基極的低電平使三極管飽和導通，使蜂鳴器發聲；而基極高電平則使三極管關閉，蜂鳴器停止發聲。

圖4 L298N引腳圖

系統采用4個按鍵來設定參數，和設定光照強度報警值。電路如圖5

在用單片機對鍵盤處理的時候涉及到了一個重要的過程，那就是鍵盤的去抖動。這里說的抖動是機械的抖動，是當鍵盤在未按到按下的臨界區產生的電平不穩定正常現象，并不是我們在按鍵時通過注意可以避免的。這種抖動一般10~200毫秒之間，這種不穩定電平的抖動時間對于人來說太快了，而對于時鐘是微秒的單片機而言則是慢長的。硬件去抖動就是用部分電路對抖動部分加之處理，軟件去抖動不是去掉抖動，而是避抖動部分的時間，等鍵盤穩定了再對其處理。所以這里選擇了軟件去抖動，實現法是先查尋按鍵當有低電平出現時立即延時10~200毫秒以避開抖動（經典值為20毫秒），延時結束后再讀一次I/O 口的值，這一次的值如果為1 表示低電平的時間不到10~200 毫秒，視為干擾信號。當讀出的值是0時則表示有按鍵按下，調用相應的處理程序

圖5 按鍵電路

光照強度檢測采用光敏電阻，當光線發生變化時，光敏電阻的阻值也就不同，然后分得的電壓也不同。經過AD采集后就可以得到各種光照強度下的電壓值。從而設定出理想的光線強度報警值。電路如圖6所示

圖6 光照采集電路

　光敏電阻的工作原理是基于內光電效應。在半導體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導體。通常采用涂敷、噴涂、燒結等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內，以免受潮影響其靈敏度。入射光消失后，由光子激發產生的電子—空穴對將復合，光敏電阻的阻值也就恢復原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到一定波長的光線照射時，電流就會隨光強的增大而變大，從而實現光電轉換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也加交流電壓。半導體的導電能力取決于半導體導帶內載流子數目的多少。

光敏電阻是用硫化隔或硒化隔等半導體材料制成的特殊電阻器，表面還涂有防潮樹脂，具有光電導效應。光敏電阻的工作原理是基于內光電效應，即在半導體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構成光敏電阻。為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。

半導體的導電能力取決于半導體導帶內載流子數目的多少。當光敏電阻受到光照時，價帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導帶，成為自由電子，同時產生空穴，電子—空穴對的出現使電阻率變小。光照愈強，光生電子—空穴對就越多，阻值就愈低。當光敏電阻兩端加上電壓后，流過光敏電阻的電流隨光照增大而增大。入射光消失，電子—空穴對逐漸復合，電阻也逐漸恢復原值，電流也逐漸減小。 [1]

光敏電阻對光線十分敏感，其在無光照時，呈高阻狀態，暗電阻一般可達1.5MΩ。當有光照時，材料中激發出自由電子和空穴，其電阻值減小，隨著光照強度的升高，電阻值迅速降低，亮電阻值可小至1KΩ以下。

光敏電阻器的光照特性在大多數情況下是非線性的，只有在微小的范圍內呈線性，光敏電阻器的電阻值有較大的離散性（電阻變化、范圍大無規律）。 [1]

光敏電阻器的靈敏度是指光敏電阻器不受到光照是的電阻值（暗阻）和受到光照時電阻值（亮阻）的相對變化值。光敏電阻的暗阻和亮阻間阻值之比約為1500：1，暗阻值越大越好，使用時給其施加直流或交流偏壓，MG型光敏電阻器適用于可見光。其主要用于各種自動控制電路、光電計數、光電跟蹤、光控電燈、照相機的自動暴光及彩色電視機的亮度自動控制電路等場合。

概述：光敏電阻屬半導體光敏器件，除具靈敏度高，反應速度快，光譜特性及r值一致性好等特點外，在高溫，多濕的惡劣環境下，還能保持高度的穩定性和可靠性，可廣泛應用于照相機，太陽能庭院燈，草坪燈，驗鈔機，石英鐘，音樂杯，禮品盒，迷你小夜燈，光聲控開關，路燈自動開關以及各種光控玩具，光控燈飾，燈具等光自動開關控制領域。下面給出幾個典型應用電路。

調光電路

圖(1)是一種典型的光控調光電路，其工作原理是：當周圍光線變弱時引起光敏電阻的阻值增加，使加在電容C上的分壓上升，進而使可控硅的導通角增大，達到增大照明燈兩端電壓的目的。反之，若周圍的光線

圖(1)

變亮，則RG的阻值下降，導致可控硅的導通角變小，照明燈兩端電壓也同時下降，使燈光變暗，從而實現對燈光照度的控制。

上述電路中整流橋給出的是必須是直流脈動電壓，不能將其用電容濾波變成平滑直流電壓，又可使電容C的充電在每個半周從零開始，準確完成對可控硅的同步移相觸發。

光控開關

圖(2)

以光敏電阻為核心元件的帶繼電器控制輸出的光控開關電路有許多形式，如自鎖亮激發、暗激發及精密亮激發、暗激發等等，下面給出幾種典型電路。圖(2)是一種簡單的暗激發繼電器開關電路。其工作原理是：當照度下降到設置值時由于光敏電阻阻值上升激發VT1導通，VT2的激勵電流使繼電器工作，常開觸點閉合，常閉觸點斷開，實現對外電路的控制。

圖(3)

圖(3)是一種精密的暗激發時滯繼電器開關電路。其工作原理是：當照度下降到設置值時由于光敏電阻阻值上升使運放IC的反相端電位升高，其輸出激發VT導通，VT的激勵電流使繼電器工作，常開觸點閉合，常閉觸點斷開，實現對外電路的控制。

優點

①在強光照射下光電轉換線性較差;②光電馳豫過程較長,何為光電導的馳豫現象?即光照后,半導體的光電導隨光照時間逐漸上升,經一段時間到達定態值。光照停止后,光電導逐漸下降;③頻率響應(器件檢測變化很快的光信號的能力)很低。

內部的光電效應和電極無關（光電二極管才有關），即可以使用直流電源

靈敏度和半導體材料、以及入射光的波長有關。

環氧樹脂膠封裝 (Coated with epoxy) 可靠性好 (Good reliability) 體積小 (Small volume) 靈敏度高 (High sensitivity) 反應速度快 (Quick response) 光譜特性好 (Good spectrum characteristic)

缺點

①在強光照射下光電轉換線性較差;②光電馳豫過程較長,何為光電導的馳豫現象?即光照后,半導體的光電導隨光照時間逐漸上升,經一段時間到達定態值。光照停止后,光電導逐漸下降;③頻率響應(器件檢測變化很快的光信號的能力)很低。

受溫度影響較大，響應速度不快，在ms到s之間，延遲時間受入射光的光照度影響（光電二極管無此缺點，光電二極管靈敏度比光敏電阻高），是耗材。

一、按半導體材料分：本征型光敏電阻、摻雜型光敏電阻。后者性能穩定，特性較好，故大都采用它。
　　二、根據光敏電阻的光譜特性，可分為三種光敏電阻器：
　　1、紫外光敏電阻器：對紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測紫外線。
　　2、紅外光敏電阻器：主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導彈制導、天文探測、非接觸測量、人體病變探測、紅外光譜，紅外通信等國防、科學研究和工農業生產中。
　　3、可見光光敏電阻器：包括硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等。主要用于各種光電控制系統，如光電自動開關門戶，航標燈、路燈和其他照明系統的自動亮滅，自動給水和自動停水裝置，機械上的自動保護裝置和“位置檢測器”，極薄零件的厚度檢測器，照相機自動曝光裝置，光電計數器，煙霧報警器，光電跟蹤系統等方面。

（1）用一黑紙片將光敏電阻的透光窗口遮住，此 時萬用表的指針基本保持不變，阻值接近無窮選擇 大。此值越大說明光敏電阻性能越好；若此值很小或 接近為零，說明光敏電阻損壞，不能使用。 （2）將一光源對準光敏電阻的透光窗口，此時萬 用表的指針應有較大幅度的向右擺動，阻值明顯減 小，此值越小說明光敏電阻性能越好。若此值很大甚 至無窮大，說明光敏電阻內部開路損壞，不能使用。 （3）將光敏電阻透光窗口對準入射光線，用小黑 紙片在光敏電阻的遮光窗上部晃動，使其間斷受光， 此時，萬用表指針應隨黑紙片的晃動而左右擺動，如 果萬用表指針始終停在某一位置，不隨紙片晃動而 擺動，說明光敏電阻損壞。

硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內均有較高 的靈敏度，峰值在紅外區域；硫化鎘、硒化鎘的峰值 在可見光區域。因此，在選用光敏電阻時，應把光敏 電阻的材料和光源的種類結合起來考慮，才能獲得 滿意的效果。

顯示采用LCD1602液晶顯示，顯示電路如圖7

圖7 數碼管顯示

    超聲波模塊采用現成的HC-RS04超聲波模塊，該模塊可提供 2cm-400cm 的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到 3mm。模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路。

基本工作原理：采用 IO 口 TRIG 觸發測距，給至少 10us 的高電平信號;模塊自動發送 8 個 40khz 的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過 IO 口 ECHO 輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S))/2。實物如下圖10。其中VCC 供5V 電源，GND 為地線，TRIG 觸發控制信號輸入，ECHO 回響信號輸出等四支線。

圖8 超聲波模塊實物

超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩，其頻率超過20KHz，分橫向振蕩和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。它有折射和反射現象，且在傳播過程中有衰減。

超聲波的基本特性如下所述：

波的傳播速度是用頻率乘以波長來表示。電磁波的傳播速度是3×108m/s，而聲波在空氣中的傳播速度很慢，約為344m/s (20℃時)。在這種比較低的傳播速度下，波長很短，這就意味著可以獲得較高的距離和方向分辨率。正是由于這種較高的分辨率特性，才使我們有可能在進行測量時獲得很高的精確度。

要探測某個物體是否存在，超聲波就能夠在該物體上得到反射。由于金屬、木材、混凝土、玻璃、橡膠和紙等可以反射近乎100％的超聲波，因此我們可以很容易地發現這些物體。由于布、棉花、絨毛等可以吸收超聲波，因此很難利用超聲波探測到它們。同時，由于不規則反射，通常可能很難探測到凹凸表面以及斜坡表面的物體，這些因素決定了超聲波的理想測試環境是在空曠的場所，并且測試物體必須反射超聲波。

聲波傳播的速度“c”可以用下列公式表示。c=331.5+0.607t (m/s)　式中，t=溫度 (℃)也就是說，聲音傳播速度隨周圍溫度的變化而有所不同。因此，要精確的測量與某個物體之間的距離時，始終檢查周圍溫度是十分必要的，尤其冬季室內外溫差較大，對超聲波測距的精度影響很大，此時可用18B20作溫度補償來減小溫度變化所帶來的測量誤差，考慮到本設計的測試環境是在室內，而且超聲波主要是用于實現避障功能，對測量精度要求不高，所以關于溫度效應對系統的影響問題在這里不做深入的探討。

4.  衰減

傳播到空氣中的超聲波強度隨距離的變化成比例地減弱，這是因為衍射現象所導致的在球形表面上的擴散損失，也是因為介質吸收能量產生的吸收損失。如圖9所示，超聲波的頻率越高，衰減率就越高，超聲波的傳播距離也就越短，由此可見超聲波的衰減特性直接影響了超聲波傳感器有效距離。HC-RS04型超聲波傳感器的震蕩頻率為40KHz，傳播10米超聲波信號強度便衰減到40個聲壓級，此時超聲波接收探頭就很難接收到回波信號。

圖9 聲壓在不同距離下的衰減特性

1．聲壓特性

聲壓級 (S.P.L.) 是表示音量的單位，利用下列公式予以表示。

S.P.L.= 20logP/Pre (dB)式中,“P”為有效聲壓 (μbar)，“Pre”為參考聲壓 (2×10-4μbar)如圖10所示為幾種常用超聲波傳感器的聲壓圖。

圖10 超聲波傳感器的聲壓圖

2．靈敏度特性

靈敏度是表示聲音接收級的單位，使用下列公式予以表示。

靈敏度= 20log E/P (dB)式中,“E”為所產生的電壓 (Vrms)，“P”為輸入聲壓(μbar)。超聲波傳感器的靈敏度直接影響著系統測距范圍，如圖12所示為幾種中常見超聲波傳感器的靈敏度圖，從圖中可以發現40KHz時傳感器的聲壓級最高，也就是說40KHz時所對應的靈敏度最高。

圖12  超聲波傳感器靈敏度示意圖

3．輻射特性

把超聲波傳感器安裝在臺面上。然后，測量角度與聲壓 (靈敏度) 之間的關系。為了準確地表達輻射，與前部相對比，聲壓 (靈敏度) 級衰減6dB的角度被稱為半衰減角度，用θ1/2表示。超聲波設備的外表面尺寸較小易于獲得精確的輻射角度。如圖13所示為幾種常見超聲波傳感器的輻射特性示意圖。

圖13 超聲波傳感器輻射特性示意圖

分析以上研究結果不難看出超聲波傳感器工作在40KHz范圍內具有最大的聲壓級和最高的靈敏度，這為設計中選擇合適的超聲波傳感器指明了方向。

市面上常見的超聲波傳感器多為開放型，其內部結構如圖14所示，一個復合式振動器被靈活地固定在底座上。該復合式振動器是由諧振器以及一個金屬片和一個壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動器。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動而產生的超聲波，并且可以有效地使超聲波聚集在振動器的中央部位。

當電壓作用于壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產生機械變形。另一方面，當振動壓電陶瓷時，則會產生一個電荷。利用這一原理，當給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金屬片構成的振動器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個電信號時，就會因彎曲振動發射出超聲波。相反，當向雙壓電晶片元件施加超聲振動時，就會產生一個電信號。

圖14 超聲波傳感器內部結構圖

圖15 避障原理

    如圖15所示，超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離(s)，即：

s=340t/2

就是所謂的時間差測距法

    報警電路分為單片機控制電路和報警發聲電路。它主要通過單片機的定時計數功能完成定時45分鐘并使報警電路發出報警聲，用以提醒學生休息！

89c52單片機內有兩個可編程的定時器/計數器，滿足諸如對外部脈沖進行記數，產生精確的定時時間，作串行口的波特發生器等功能的需要。它們具有兩種工作模式(計數器模式和定時器模式)及4種工作方式(方式0，方式1，方式2，方式3)。其控制字均在相應的特殊功能寄存器中，通過對它的特殊功能寄存器的編制，可以方便的選擇適當的工作模式和工作方式。

    當定時器/計數器為定時工作方式時，計數器的加1信號由振蕩器的12分頻信號產生，即每過一個機器周期，計數器加1，直至計數滿溢出為止。顯然，定時器的定時時間與系統的振蕩頻率有關。因一個機器周期等于12個振蕩周期，所以計數頻率fcount=1/12osc。如果晶振為12MHz，則計數周期為：

T=1/（12×106）Hz×1/12=1μs

這是最短的定時周期。若要延長定時時間，則需要改變定時器的初值，并要適當選擇定時器的長度(如8位、13位、16位等)。

當定時器/計數器為計數工作方式時，通過引腳T0和T1對外部信號計數，外部脈沖的下降沿將觸發計數。計數器在每個機器周期的S5P2期間采樣引腳輸入電平。若一個機器周期采樣值為1，下一個機器周期采樣值為0，則計數器加1。此后的機器周期S3P1期間，新的計數值裝入計數器。所以檢測一個由1至0的跳變需要兩個機器周期，故外部事年的最高計數頻率為振蕩頻率的1/24。例如，如果選用12MHz晶振，則最高計數頻率為0.5MHz。雖然對外部輸入信號的占空比無特殊要求，但為了確保某給定電平在變化前至少被采樣一次，外部計數脈沖的高電平與低電平保持時間均需在一個機器周期以上。工作方式控制寄存器TMOD用于控制定時器/計數器的工作模式及工作方式，它的字節地址為89H。定時器/計數器的兩個作用是用來精確的模擬一段時間間隔(作定時器用)或累計外部輸入的脈沖個數(作計數器用)。當作定時器用時，在其輸入端輸入周期固定的脈沖個數，即可計算出所定時間的長度。當89c52內部的定時器/計數器被選定為定時器工作模式時，記數輸入信號是內部時鐘脈沖，每個機器周期產生一個脈沖使計數器增1，因此，定時器/計數器的輸入脈沖和機器周期一樣，為時鐘頻率的1/12。本設計采用的時鐘周期為6MHz，記數速度為500KHz，輸入脈沖的時間間隔為0.5秒。

該方案的編程思路是先確定主程序，之后根據各硬件電路功能來設計子程序模塊，最后再將各模塊嵌入主程序中。這樣編程結構簡單，由于子程序模塊與硬件電路一一對應，所以調試起來十分方便。本設計軟件方框圖如圖18所示。

圖18 系統軟件設計方框圖

模塊化程序設計是一種常用的程序設計技術，它將一個功能完整的較長的程序分解為若干個功能相對獨立的較小的程序模塊，各個程序模塊分別進行設計、編制和調試。利用程序的模塊化設計方法，有利于程序代碼優化，提高程序的可讀性，便于功能擴充和版本升級；單個模塊結構的程序功能單一，易于編寫、調試、維護和系統功能擴展；對于使用頻繁的子程序可以建立子程序庫，便于多個模塊的調用。

本章的軟件設計根據所要實現的功能，以系統的硬件設計為基礎，采用模塊化的程序設計思想，確保完成系統功能的同時，實現系統的可靠運行。軟件設計的目的就是讓單片機加載程序并運行，對距離、時間、光照強度進行測量，根據測量結果發出相應的報警信號。

如圖19所示為系統坐姿檢測超聲波測量主程序流程圖。

圖19 超聲波測距子程序流程圖

對于一個完整的電子設計來講，首要問題就是為整個系統提供電源供電模塊，電源模塊的穩定可靠是系統平穩運行的前提和基礎。51單片機雖然使用時間最早、應用范圍最廣，但是在實際使用過程中，一個和典型的問題就是相比其他系列的單片機，51單片機更容易受到干擾而出現程序跑飛的現象，克服這種現象出現的一個重要手段就是為單片機系統配置一個穩定可靠的電源供電模塊。

1. 時鐘電路

XTAL1（19 腳） ：芯片內部振蕩電路輸入端。

XTAL2（18 腳） ：芯片內部振蕩電路輸出端。

XTAL1 和XTAL2 是獨立的輸入和輸出反相放大器，它們可以被配置為使用石英晶振的片內振蕩器，或者是器件直接由外部時鐘驅動。圖2 中采用的是內時鐘模式，即采用利用芯片內部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2 的引腳上外接定時元件（一個石英晶體和兩個電容），內部振蕩器便能產生自激振蕩。一般來說晶振可以在1.2 ～ 12MHz 之間任選，甚至可以達到24MHz 或者更高，但是頻率越高功耗也就越大。在本實驗套件中采用的11.0592M 的石英晶振。和晶振并聯的兩個電容的大小對振蕩頻率有微小影響，可以起到頻率微調作用。當采用石英晶振時，電容可以在20 ～ 40pF 之間選擇；當采用陶瓷諧振器件時，電容要適當地增大一些，在30 ～ 50pF 之間。通常選取33pF 的陶瓷電容就可以了。

2. 復位電路
單片機復位電路就好比電腦的重啟部分，當電腦在使用中出現死機，按下重啟按鈕電腦內部的程序從頭開始執行。單片機也一樣，當單片機系統在運行中，受到環境干擾出現程序跑飛的時候，按下復位按鈕內部的程序自動從頭開始執行。
單片機復位電路如下圖：

3. EA/VPP（31 腳） 的功能和接法

51 單片機的EA/VPP（31 腳） 是內部和外部程序存儲器的選擇管腳。當EA 保持高電平時，單片機訪問內部程序存儲器；當EA 保持低電平時，則不管是否有內部程序存儲器，只訪問外部存儲器。對于現今的絕大部分單片機來說，其內部的程序存儲器（一般為flash）容量都很大，因此基本上不需要外接程序存儲器，而是直接使用內部的存儲器。

       元器件在電路板上的插裝應分布均勻,排列整齊美觀,對于焊點要飽滿光滑,成內弧狀，焊錫要將整個上錫位置以及零部件位置包圍。要想實現電路所要實現的功能，就要正確的焊接電路板，在確保正確無誤的同時，實現焊接的美觀。在焊接前，首先要對焊接的元器件做一下清點，以及檢查一下購買的元器件有沒有損壞，包括發光:極管、晶振、電阻等。

      首先要對電路中的主要線路進行了測量，包括電源線，排線，芯片之間的連線，再就接上5V電源對電路中的功能進行檢測。接通電源后，首先觀察LED燈是否都亮，如果不亮，要分別每個LED燈是否虛焊了，如果燈亮，但是不按照所編的程序亮，這是要檢查程序是否已經成功錄入芯片，或者是否是程序出現錯誤，再或者是有些元器件管腳多了焊接時出現短路。檢查電路是否虛焊，可以通過萬用表來檢查，因為一.旦有出現電路斷路或者短路現象，就會導致整個電路的設計錯誤，使用萬用表，其中包括紅黑表筆的解法，以及萬用表的正確讀數，都要做到準確無誤，這樣才可以確保整個焊接過程的更加順利。