基于單片機控制的室內(nèi)光線調(diào)節(jié)系統(tǒng)

李震球

摘? 要：本文設計了一種單片機為主控芯片的室內(nèi)光線調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可通過手動和自動兩種模式控制步進電機的正反轉(zhuǎn)，從而控制窗簾的升降來調(diào)節(jié)室內(nèi)光線。該系統(tǒng)使用了BH1750FVI環(huán)境光強度傳感器和DHT11溫濕度傳感器，自動模式時單片機按照程序?qū)Ρ犬斍肮庹諒姸群统绦蛩O置的閾值控制窗簾升降，手動模式時可通過兩個按鍵人為控制，同時系統(tǒng)能夠通過液晶屏顯示所處環(huán)境的光照強度、溫度和濕度的具體數(shù)值，可以為手動控制提供參考，對正常的室內(nèi)工作和休息提供很大的便利。

關鍵詞：單片機;光強度檢測;溫濕度檢測;步進電機

本文研究目標是設計一套操作簡單、功能豐富、性價比高的室內(nèi)光線調(diào)節(jié)系統(tǒng)，系統(tǒng)以51單片機為主控核心，根據(jù)采集到的光照信息自動控制窗簾的升降，也可參考光照強度和溫濕度的顯示值，手動按鍵控制窗簾升降，使室內(nèi)光線達到令使用者滿意的效果。具體內(nèi)容要求如下。

1.本系統(tǒng)采用單片機作為控制器，控制電機的正反轉(zhuǎn)，以此來控制窗簾的升降，從而調(diào)節(jié)室內(nèi)光線的亮度。

2.選擇合適的傳感器，分別采集光照強度、溫度和濕度的信息，并用液晶屏顯示出具體的數(shù)值。

3.該控制系統(tǒng)分為自動控制模式和手動控制模式。選擇自動控制升降模式時，單片機按照程序?qū)Ρ犬斍肮庹諒姸群统绦蛩O置的閾值，光線過強時和夜晚光線很弱時自動降下窗簾，光線昏暗時自動升起窗簾，系統(tǒng)完成自動調(diào)節(jié)室內(nèi)光線的任務。選擇手動控制升降模式時，可以參考顯示的光照強度、溫度和濕度的數(shù)值，根據(jù)使用者個人的判斷和需求，通過按下兩個按鍵來分別控制卷簾的升降任務，使室內(nèi)光線達到滿意的效果。

一、系統(tǒng)的總體設計方案

該控制系統(tǒng)以51單片機為控制核心，采用光強度傳感器和濕度傳感器為執(zhí)行部件，通過液晶顯示器實時顯示采集到的數(shù)據(jù)，使用鈕子開關完成模式選擇的任務。選擇自動模式時，單片機處理環(huán)境光強度傳感器采集到的數(shù)據(jù)，判斷光線是否需要調(diào)節(jié)，決定步進電機是否執(zhí)行任務。選擇手動模式時，單片機對兩個按鍵進行掃描，判斷按鍵按下狀態(tài)，控制步進電機完成對應的操作。

二、系統(tǒng)的硬件設計

根據(jù)設計目標和可行的總體設計方案，從硬件設計開始具體方案的實施工作，硬件的設計和搭建為整個系統(tǒng)的運行奠定基礎，也為之后系統(tǒng)的軟件設計提供準確的依據(jù)。

1.單片機系統(tǒng)選擇

單片機最小系統(tǒng)是指滿足能夠使單片機正常工作的前提下，用最少的元件組成的系統(tǒng)，單片機最小系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。

2.光照采集模塊選擇

本設計光照強度的采集使用GY-30數(shù)字光強度模塊，該模塊由BH1750FVI芯片、低功耗3.3V穩(wěn)壓器和電平轉(zhuǎn)換電路組成。BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器集成電路，可檢測1lx-65535lx大范圍的光照強度變化，能夠輸出對應光照強度的具體數(shù)值。模塊內(nèi)部的通信電平轉(zhuǎn)換電路可使模塊直接與單片機I/O口相連接，使用方便。

3.溫濕度采集模塊選擇

選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器為本設計實現(xiàn)溫濕度采集功能，該傳感器輸出的信號是經(jīng)過校準后的數(shù)字信號，內(nèi)部是將一個電阻式濕度感測元件和一個NTC溫度測量元件與一個8位高性能的單片機連接起來，并用4針單排引腳封裝，20米以上的距離也可接收到傳感器的信號，不論是引腳連接還是數(shù)據(jù)使用都顯得格外方便。

4.顯示模塊

本系統(tǒng)采用LCD1602液晶屏進行顯示。LCD1602液晶實際上是由許多7行5列或者11行5列的點陣組成的液晶模塊，外部共有16個引腳。

5.步進電機驅(qū)動模塊

28BYJ48步進電機通過四根線與ULN2003驅(qū)動模塊的四個OUT引腳對應連接，ULN2003步進電機驅(qū)動模塊的四個IN引腳與單片機的P2.4～P2.7引腳對應連接，四個引腳的不同電平排列驅(qū)動單片機執(zhí)行對應的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動的步數(shù)。

三、軟件設計方案

硬件設計的完成相當于系統(tǒng)有了整體的框架，框架需要軟件的內(nèi)容來填充配合才能構成一個整體，硬件和軟件的呼應維持整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。在對軟件設計時，考慮到本設計使用到較多的模塊，如果全部編寫在一個程序中，不僅要定義很多不同的變量，使整個程序很長不利于編寫，而且在編譯過程中出現(xiàn)問題會難以排查和調(diào)試，所以將不同模塊編寫自己的子程序，最終在主程序中調(diào)用，這樣會降低軟件設計的難度和出錯率。

1.液晶顯示部分軟件設計

液晶顯示部分的程序需要包含寫命令子函數(shù)、寫數(shù)據(jù)子函數(shù)、初始化子函數(shù)、延時子函數(shù)和顯示函數(shù)，使用LCD顯示模塊，LCD1602是沒辦法辨認出ASCII碼以外的數(shù)據(jù)，若要顯示的數(shù)據(jù)不是ASCII碼的形式，必須要提前轉(zhuǎn)換。

2.光照強度采集模塊軟件設計

BH1750光照強度采集模塊上電后經(jīng)過短暫的延時初始化，連續(xù)讀出數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)合成光照強度數(shù)據(jù)，之后計算數(shù)據(jù)并通過LCD1602顯示出來。需要注意的是LCD1602只能識別ASCII碼數(shù)據(jù)，所以需要把數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)換成其對應的ASCII碼，否則無法顯示正確的數(shù)值。

傳感器采集到的光照強度數(shù)據(jù)還要在自動模式時對電機進行控制，由于不同的室內(nèi)場景需要的光照強度不同，根據(jù)搜集到的測試資料顯示，一般的閱覽室、研究室需要150lx～300lx的光照強度，辦公室、會議室、營業(yè)廳需要100lx～200lx的光照強度，一般家庭臥室需要50lx～300lx的光照強度，考慮到方便該系統(tǒng)的購買者購買后可直接安裝使用，省去自己調(diào)整合適光線的過程，程序默認使用一般家庭臥室適合的光線強度范圍，當傳感器檢測到光照強度高于300lx時窗簾會自動降下，光線在50lx～300lx之間時自動升起，若光照強度低于50lx，則說明外面光線很暗或者到了夜晚需要室內(nèi)開燈來調(diào)節(jié)，這時候需要降下窗簾。

3.溫濕度采集模塊軟件設計

DHT11溫濕度采集模塊在通電后，單片機上連接該模塊的引腳低電平輸出，經(jīng)過短暫的延時該引腳輸出高電平，再次延時后讀取數(shù)據(jù)，最后用液晶屏顯示讀出的數(shù)據(jù)。

4.按鍵部分軟件設計

鈕子開關中間引腳接單片機的P1.7口，另外兩端分別接電源線和地線，單片機通過判斷接收高低電平來對應執(zhí)行自動或手動模式的選擇，兩個按鍵一端接地，對角線一端分別接單片機的P3.4和P3.5口，單片機在手動模式時接收到低電平信號則對應執(zhí)行升降的命令。

5.步進電機模塊軟件設計

通過控制ULN2003步進電機驅(qū)動模塊連接單片機的四個引腳的電平排列，按照表1和表2所示的正轉(zhuǎn)表和反轉(zhuǎn)表編寫程序，步進電機對應轉(zhuǎn)動期望的方向和步數(shù)。

四、系統(tǒng)的調(diào)試與測試

1.系統(tǒng)的調(diào)試硬件

原理圖設計完畢后，要先對各個模塊及元器件進行檢測，如果出現(xiàn)不能正常使用的元件要及時更換，尤其是電源部分要仔細調(diào)試，穩(wěn)壓模塊要確保輸出正常，否則通電后可能會損壞大量元件。調(diào)試前先把單片機最小系統(tǒng)焊接完成，在焊接時要仔細核對好引腳連接，整理好思路，保證每一個焊點的有效性，盡量避免焊接錯誤而返工，焊接完成后要用萬用表檢測每條線路的連接，對線路進行全面的檢查。

2.系統(tǒng)整體測試。

各個模塊和器件測試完畢，開始將所有的模塊和元器件按照原理圖整合焊接，焊接完成后再進行整體的調(diào)試。

電路焊接完畢后，進行程序下載。用萬用表再檢測一遍電源輸出電壓，之后給單片機上電，液晶屏會顯示當前光照強度和溫濕度值，先把鈕子開關打到手動擋，測試兩個按鍵能否控制電機正反轉(zhuǎn)，用加熱過的電烙鐵靠近DHT11傳感器，觀察溫度顯示變化，再用噴霧器對該傳感器附近噴灑少量的水，此時顯示的濕度也發(fā)生變化，說明溫濕度傳感器和顯示模塊測試成功。把鈕子開關打到自動擋，增加和遮擋GY-30傳感器模塊附近的亮度，看液晶屏顯示值，以及電機對應亮度變化的轉(zhuǎn)動情況，符合設定要求即表示系統(tǒng)整體運行成功。

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