基于單片機(jī)的光照強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)

肖朋 劉旭東 趙俊杰

摘 要：為了更加科學(xué)地保護(hù)青少年學(xué)生的視力健康，實(shí)現(xiàn)燈光明暗程度的科學(xué)測(cè)量，避免靠肉眼來粗略估量，光照強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生?；趩纹瑱C(jī)的光照強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)、光強(qiáng)度傳感器BH1750FVI、液晶顯示器LCD1602等器件組成。首先光強(qiáng)度傳感器采集光照信息，進(jìn)而將光照信息傳輸給STC89C52單片機(jī)，經(jīng)過處理后，液晶顯示器顯示出當(dāng)前光照強(qiáng)度值，與設(shè)定好的光照強(qiáng)度范圍比較，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，便于使用人員進(jìn)行燈光調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)電路采用Altium Designer軟件設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)采用KEIL軟件完成，系統(tǒng)完全可以滿足家居與辦公場(chǎng)所燈光照度測(cè)量的需求。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);光照強(qiáng)度;測(cè)量;電路

0? ? 引言

當(dāng)前教育越來越受到人們的重視，青少年學(xué)生大多在晚間仍需要進(jìn)行學(xué)習(xí)和完成課后作業(yè)，因此晚間燈光的明暗程度對(duì)青少年學(xué)生的視力健康至關(guān)重要，也影響著青少年學(xué)生的身心健康發(fā)展。以往對(duì)于燈光強(qiáng)弱的衡量只是靠肉眼來感覺，缺少科學(xué)的依據(jù)或者精確的測(cè)量，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)光照較強(qiáng)或者光照較弱的情況，而光照強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)可以幫助人們解決這個(gè)棘手的問題。利用數(shù)字光強(qiáng)度傳感器實(shí)時(shí)進(jìn)行光照強(qiáng)度測(cè)量與顯示，可以及時(shí)地掌控?zé)艄獾恼斩惹闆r并且科學(xué)地對(duì)燈光明暗程度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便更好地保護(hù)青少年學(xué)生的視力健康，提高學(xué)習(xí)效率。

1? ? 光照強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)包括單片機(jī)主控電路、LCD液晶電路、光照檢測(cè)電路、聲音報(bào)警電路、燈光報(bào)警電路、按鍵電路、電源電路和程序接口電路。其工作過程首先是將光照強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)放置到書本位置，開啟電源，使燈光直接照射到數(shù)字光強(qiáng)度傳感器，光照信息被傳感器采集到，傳感器將信號(hào)傳輸給單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)處理后將信息送到LCD液晶電路，LCD液晶電路可顯示出當(dāng)前光照強(qiáng)度，先前已設(shè)定好光照范圍，此時(shí)的光照強(qiáng)度與設(shè)定值比較，如果光強(qiáng)值大于范圍的上限值或者小于范圍的下限值，那么單片機(jī)將同時(shí)啟動(dòng)燈光報(bào)警電路和聲音報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)報(bào)警，發(fā)出提示音和燈光提醒使用人員此時(shí)光照不符合要求，使用人員可調(diào)節(jié)燈光的明暗程度使其達(dá)到正常照度。系統(tǒng)中的按鍵電路負(fù)責(zé)系統(tǒng)的復(fù)位重啟和調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度范圍，系統(tǒng)的供電由電源電路實(shí)現(xiàn)。

2? ? 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1? ? 單片機(jī)主控電路

本系統(tǒng)的主控電路采用STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)，包括時(shí)鐘振蕩電路（工作頻率11.059 2 MHz）和電源復(fù)位電路。STC89C52具有CMOS的8位微控制器，還配有可編程Flash存儲(chǔ)器，具有功耗低、性價(jià)比高的特點(diǎn)，因此STC89C52單片機(jī)應(yīng)用于眾多的電力電子電路系統(tǒng)中。本系統(tǒng)不僅使用STC89C52單片機(jī)，還對(duì)單片機(jī)芯片的外圍電路進(jìn)行了擴(kuò)展，滿足其功能要求，系統(tǒng)也具有很強(qiáng)的靈活性和可移植性。

2.2? ? ?LCD液晶電路

本系統(tǒng)的顯示電路使用LCD1602液晶芯片，該液晶芯片具有8位DB0～DB7雙向數(shù)據(jù)傳輸口，與單片機(jī)P0口的8個(gè)引腳相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。另外，芯片還有寄存器選擇端口、讀寫信號(hào)線端口、對(duì)比度調(diào)整端口、電源端口、接地端口、使能端口（低電平時(shí)有效）、背光源的正極端口和背光源的接地端口，使用時(shí)按照芯片的說明文件保證各端口有效連接即可。液晶電路的主要作用是顯示當(dāng)前光照強(qiáng)度值和光照范圍的上下限值。

2.3? ? 光照檢測(cè)電路

本系統(tǒng)的光照檢測(cè)電路使用16位高精度數(shù)字光強(qiáng)度傳感器BH1750FVI。BH1750FVI具有極高的分辨率（1～65 535 lx），支持大范圍的光照強(qiáng)度變化，同時(shí)也是兩線式串行總線接口的集成電路。傳感器BH1750FVI使用3.3 V的低電壓，由于電源電路供電是5 V，因此需要一個(gè)3.3 V電源芯片輸出穩(wěn)定的電壓。傳感器BH1750FVI另外幾個(gè)管腳中ADDR端口需接地，時(shí)鐘端口SCL接至單片機(jī)的P3.6引腳，數(shù)據(jù)端口SDA接至單片機(jī)的P3.5引腳。

2.4? ? 聲音報(bào)警電路

本系統(tǒng)的聲音報(bào)警電路由限流電阻、蜂鳴器、PNP型三極管構(gòu)成，當(dāng)晚間燈光照度值大于設(shè)定范圍的上限值或燈光照度值小于設(shè)定范圍的下限值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出聲響報(bào)警。但是單片機(jī)的P2口驅(qū)動(dòng)能力較小，不能直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器這種大功率器件，所以電路中需要連接一個(gè)三極管配合使用，三極管基極接收低電平信號(hào)時(shí)，三極管就導(dǎo)通，進(jìn)而蜂鳴器導(dǎo)通發(fā)出聲響。該電路與單片機(jī)的P2.1管腳連接實(shí)現(xiàn)功能。

2.5? ? 燈光報(bào)警電路

本系統(tǒng)的燈光報(bào)警電路由限流電阻和發(fā)光二極管構(gòu)成，當(dāng)晚間燈光照度值大于設(shè)定范圍的上限值或者小于設(shè)定范圍的下限值時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。系統(tǒng)中的燈光報(bào)警電路與單片機(jī)的P1.0和P1.1管腳連接，發(fā)光二極管與限流電阻直接串聯(lián)連接。

2.6? ? 按鍵電路

本系統(tǒng)使用手動(dòng)控制獨(dú)立按鍵形式，每個(gè)按鍵都與一個(gè)I/O口相連，I/O口間也都完全獨(dú)立、互不影響。這種按鍵電路的控制方式簡(jiǎn)便、實(shí)用、可靠、穩(wěn)定、靈活，而且控制也容易。按鍵電路共包括4個(gè)獨(dú)立按鍵，K1鍵為系統(tǒng)復(fù)位按鍵，K2鍵為光照強(qiáng)度設(shè)置鍵，K3鍵為手動(dòng)加鍵，K4鍵為手動(dòng)減鍵。當(dāng)按下K2鍵時(shí)，進(jìn)入光照強(qiáng)度范圍設(shè)置模式，再配合K3鍵或K4鍵可以相應(yīng)地增加或減少光強(qiáng)值，最后再次按下K2鍵，退出設(shè)置模式。

2.7? ? 電源電路

該電源電路使用5 V電壓直流電源適配器，電源開關(guān)應(yīng)用自鎖式開關(guān)，開關(guān)的常開觸點(diǎn)1和2接入到線路中，開關(guān)被按下時(shí)常開觸點(diǎn)1和2閉合導(dǎo)通，電源供電，系統(tǒng)開始工作，電路中接有發(fā)光二極管作為電源指示燈使用。