基于BH1750FVI的室内光照强度测量仪

摘要：设计一种基于光强度传感器BH1750FVI的光照强度测量仪，采用低成本的微控制器进行控制，利用I2C总线接口进行数据传输，可在普通的NOKIA5110液晶显示器上进行光照强度测量值的实时显示。实验结果表明该系统能有效地实现0～65 535 lx范围内的光照强度的准确监测，是一种高性能的光强度监测装置。
关键词：BH1750FVI；NOKIA5110液晶；I2C总线接口；实时测量；MCU

引言
    传统的光照传感器主要采用光敏电阻，光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。光敏电阻的光电特性呈非线性，因此不适宜作检测元件，在自动控制中它常被用作丌关式光电传感器。光敏电阻需要用A／D转换器将其信号转换为数字信号，电路复杂，费用高。而且，光敏电阻进行光强度采集不够理想。针对光敏电阻的诸多缺点，提出了一种利用16位高精度数字光强度传感器BH1750FVI进行光强度检测仪的设计方案，利用I2C总线接口数字型光强度传感器，可以避免A／D转换系统带来的误差，可在NOKIA5110液晶显示器上进行测量数值的显示。该系统具有光强度采集精度较高、实时性较强等优点，并且电路设汁较为简单，容易实现与集成。

1 光强度传感器BH1750FVI
    不区分光源数字型环境光强度传感器BH1750FVI是日本RHOM株式会社近些年推出的一种两线式串行总线接口的集成电路，可以根据收集的光线强度数据来进行环境监测，其具有1～65 535 lx的高分辨率，可支持较大范围的光照强度变化。BH1750FVI结构框图如图1所示。

    从结构框图可容易看出，外部光照被接近人眼反应的高精度光敏二极管PD探测到后，通过集成运算放大器将PD电流转换为PD电压，由模数转换器获取16位数字数据，然后被逻辑和IC界面进行数据处理与存储。OSC为内部的振荡器提供内部逻辑时钟，通过相应的指令操作即可读取出内部存储的光照数据。数据传输使用标准的I2C总线，按照时序要求操作起来也非常方便。

2 监测数据的液晶显示方案
    NOKIA5110是一款价廉的液晶显示器，该显示器可以显示15个汉字、30个字符，仅仅需要4根I／O数据线，其工作电压为3．3 V。它采用NXP公司的PCD8544显不驱动芯片，NOKIA5110可以使用没有MISO只有MOSI的SPI协议，可以利用硬件SPI，但通常只需要软件程序模拟即可，数据传输需要严格按照手册中串行接口时序图编写。其运行速度十分理想，是LCD12864显示器的20倍，LCD1602显示器的40倍，适用于对反应灵敏度有要求的场合。
2．1 NOKIA5110液晶显示器的初始化
   接通电源后，NOKIA5110液晶显示器的内部寄存器和RAM的内容是不确定的，这时需要一个RES低电平脉冲进行复位。当VDD变为高电平，达到或高于VDD的最小值之后，给NOKIA5110显示模块的复位端RST引脚输入低电平(要求复位电平<0．3VDD)，便进行了NOKIA5110液晶显示器的复位。图2为NOKIA5110液晶显示器的复位时序图。

2．2 设置NOKIA5110液晶显示器的坐标
    通过查询NOKIA5110液晶显示器的指令集与手册可以知道其功能设置命令的H和V。其中：H=0使用基本指令集命令，H=1使用扩展指令集命令，V=0水平寻址，V=1垂直寻址。数据以字节8位为单位下载到PCD8544的48×84位显示数据RAM矩阵。列通过地址指针寻址，地址范围为X：0～83(1010011)；Y：0～5(101)。
    在垂直寻址模式时(V=1)，Y地址在每个字节之后递增，经最后的Y地址(Y=5)之后，Y绕回0，X递增到下一列的地址。存水平寻址模式时(V=0)，X地址在每个字节之后递增，经最后的X地址(X=83)之后，X绕回0，Y递增到下一行的地址。经每一个最后地址之后(X=83，Y=5)，地址指针绕回地址(X=0，Y=0)。
2．3 显示方式
    显示汉字可以采用两种点阵方式，一种是12×12点阵，一种是16×16点阵。采用12×12点阵汉字时，由于不是8的整数倍数，因此行与行之间只能隔开，这样才能完整显示一个汉字。英文字符占用6×8个点阵，可以通过建立一个ASCII的数组来进行寻址。

3 监测系统结构设计
    利用BH1750FVI和NOKIA5110液晶显示器进行系统结构的设计，其中NOKIA5110需要使用5个I／O口，RST复位端、SCE芯片使能端、DC模式选择端、DIN数据线、CLK时钟线分别接到单片机的P2．1～P2．5口。由于BH1750FVI使用低电压3．3 V，而传统单片机使用的是5 V电压，故需要一个3．3 V电源芯片662k输出稳定的3．3 V电压，BH1750FVI光强度传感器的ADDR端口接地，另需使用两个I／O接口，其中时钟端SCL，数据端SDA分别外接到了单片机的P3．1和P3．2口(此处单片机未画入图中)。测量仪电路图如图3所示。

4 系统软件驱动设计
    软件部分包括BH1750FVI数据采集、NOKIA5110液晶显示器、I2C数据总线、单片机控制等几部分。限于篇幅本文仅给出其重要驱动模块的程序代码。
4．1 光强度传感器BH1750FVI数据采集部分
    光强度传感器采集过来的数据被存储在数据寄存器中，将数据读出后要进行数据转换，把个十百千万每位数据换算出来，然后用于程序调用。
    (1)数据转换程序段
   
    (2)光强度传感器BH1750驱动程序段
   
   
4．2 液晶显示器NOKIA5110液晶驱动部分
    NOKIA5110液晶操作首先需要初始化，然后执行清屏、写入数据等操作。NOKIA5110初始化程序如下：
   
   

结语
    本文利用16位数字光强度传感器BH1750FVI和普通的51单片机设计了数字光照强度的数据实时采集与显示。由于光强度传感器精度高，I2C总线接口简单易用，NOKIA5110液晶显示器使用方便、体积较小等特性，较为价廉地实现了高精度数字光照强度的实时采集。经过实验证明其反应速度非常灵敏，测量精度高，适合于对精度要求较高的场合。