基于单片机的光照强度测量系统设计与研发

引言

当前教育越来越受到人们的重视,青少年学生大多在晚间仍需要进行学习和完成课后作业,因此晚间灯光的明暗程度对青少年学生的视力健康至关重要,也影响着青少年学生的身心健康发展。以往对于灯光强弱的衡量只是靠肉眼来感觉,缺少科学的依据或者精确的测量,有时会出现光照较强或者光照较弱的情况,而光照强度测量系统可以帮助人们解决这个棘手的问题。利用数字光强度传感器实时进行光照强度测量与显示,可以及时地掌控灯光的照度情况并且科学地对灯光明暗程度进行调节,以便更好地保护青少年学生的视力健康,提高学习效率。

1光照强度测量系统组成

本系统包括单片机主控电路、LCD液晶电路、光照检测电路、声音报警电路、灯光报警电路、按键电路、电源电路和程序接口电路。其工作过程首先是将光照强度测量系统放置到书本位置,开启电源,使灯光直接照射到数字光强度传感器,光照信息被传感器采集到,传感器将信号传输给单片机,经过单片机处理后将信息送到LCD液晶电路,LCD液晶电路可显示出当前光照强度,先前已设定好光照范围,此时的光照强度与设定值比较,如果光强值大于范围的上限值或者小于范围的下限值,那么单片机将同时启动灯光报警电路和声音报警电路实现报警,发出提示音和灯光提醒使用人员此时光照不符合要求,使用人员可调节灯光的明暗程度使其达到正常照度。系统中的按键电路负责系统的复位重启和调节光照强度范围,系统的供电由电源电路实现。

2控制系统硬件设计

2.1单片机主控电路

本系统的主控电路采用sTC89C52单片机最小系统,包括时钟振荡电路(工作频率11E0592MHz）和电源复位电路。sTC89C52具有CMos的8位微控制器,还配有可编程F1aeh存储器,具有功耗低、性价比高的特点,因此sTC89C52单片机应用于众多的电力电子电路系统中。本系统不仅使用sTC89C52单片机,还对单片机芯片的外围电路进行了扩展,满足其功能要求,系统也具有很强的灵活性和可移植性。

2.2LCD液晶电路

本系统的显示电路使用LCD1602液晶芯片,该液晶芯片具有8位DB0～DB7双向数据传输口,与单片机P0口的8个引脚相连进行数据传输。另外,芯片还有寄存器选择端口、读写信号线端口、对比度调整端口、电源端口、接地端口、使能端口(低电平时有效）、背光源的正极端口和背光源的接地端口,使用时按照芯片的说明文件保证各端口有效连接即可。液晶电路的主要作用是显示当前光照强度值和光照范围的上下限值。

2.3光照检测电路

本系统的光照检测电路使用16位高精度数字光强度传感器BH1750FVI。BH1750FVI具有极高的分辨率(1～655351x）,支持大范围的光照强度变化,同时也是两线式串行总线接口的集成电路。传感器BH1750FVI使用3E3V的低电压,由于电源电路供电是5V,因此需要一个3.3V电源芯片输出稳定的电压。传感器BH1750FVI另外几个管脚中ADDR端口需接地,时钟端口sCL接至单片机的P3.6引脚,数据端口sDA接至单片机的P3.5引脚。

2.4声音报警电路

本系统的声音报警电路由限流电阻、蜂鸣器、PNP型三极管构成,当晚间灯光照度值大于设定范围的上限值或灯光照度值小于设定范围的下限值时,蜂鸣器发出声响报警。但是单片机的P2口驱动能力较小,不能直接驱动蜂鸣器这种大功率器件,所以电路中需要连接一个三极管配合使用,三极管基极接收低电平信号时,三极管就导通,进而蜂鸣器导通发出声响。该电路与单片机的P2.1管脚连接实现功能。

2.5灯光报警电路

本系统的灯光报警电路由限流电阻和发光二极管构成,当晚间灯光照度值大于设定范围的上限值或者小于设定范围的下限值时,发光二极管点亮。系统中的灯光报警电路与单片机的P1.0和P1.1管脚连接,发光二极管与限流电阻直接串联连接。

2.6按键电路

本系统使用手动控制独立按键形式,每个按键都与一个1/o口相连,1/o口间也都完全独立、互不影响。这种按键电路的控制方式简便、实用、可靠、稳定、灵活,而且控制也容易。按键电路共包括4个独立按键,K1键为系统复位按键,K2键为光照强度设置键,K3键为手动加键,K4键为手动减键。当按下K2键时,进入光照强度范围设置模式,再配合K3键或K4键可以相应地增加或减少光强值,最后再次按下K2键,退出设置模式。

2.7电源电路

该电源电路使用5V电压直流电源适配器,电源开关应用自锁式开关,开关的常开触点1和2接入到线路中,开关被按下时常开触点1和2闭合导通,电源供电,系统开始工作,电路中接有发光二极管作为电源指示灯使用。

2.8电路系统

将上述各部分电路全部连接在一起,最终构成基于单片机的光照强度测量系统,系统的电路连接图使用A1tiumDesigner软件绘制完成,进而生成PCB图,制作电路板。电路原理图如图1所示。

3控制系统软件设计

本系统的软件设计部分使用KE1L软件来完成,编程语言为C语言。编程时采用模块化思维,优点是集成度高,方便移植。软件程序包括主程序、按键输入子程序、光照采集子程序、显示数据子程序、中断服务子程序等。软件程序设计思路为初始化及显示启动画面,然后通过按键电路设置光照范围上下限,接下来光照传感器检测光照强度,传给单片机进行数据处理,数据传到液晶芯片显示光照强度,最终再判断是否启动报警。系统主程序流程图如图2所示。

4系统综合调试

根据测量系统的原理图,生成PCB图,然后制成电路板,将单片机、液晶显示屏和所有元器件焊接到电路板上,随后用万用表检查电路板焊接是否准确,有无虚焊、连焊现象。再将编写好的软件程序下载到sTC89C52单片机中,进行综合调试,一切按照预定好的模式进行工作,说明控制系统稳定性良好。使用时,首先给电路接通电源,调整光照强度范围的上下限值,同时要求光照强度测量系统放置在书本的位置上,达到最佳测量效果。测量系统实物演示图如图3所示。

5结语

本文介绍了采用sTC89C52单片机作为主控芯片开发设计的光照强度测量系统,该系统可以快速准确地测量出光照强度值,并根据光照范围值来衡量光线的强弱,当高于或低于限值时进行报警。该系统功耗低、性能稳定,较好地满足了家居与办公场所灯光照度测量的需要。