基于單片機的光照強度測量系統設計與研發

肖朋 劉旭東 趙俊杰

摘 要：為了更加科學地保護青少年學生的視力健康，實現燈光明暗程度的科學測量，避免靠肉眼來粗略估量，光照強度測量系統應運而生。基于單片機的光照強度測量系統由STC89C52單片機、光強度傳感器BH1750FVI、液晶顯示器LCD1602等器件組成。首先光強度傳感器采集光照信息，進而將光照信息傳輸給STC89C52單片機，經過處理后，液晶顯示器顯示出當前光照強度值，與設定好的光照強度范圍比較，進而實現聲光報警，便于使用人員進行燈光調節。該系統電路采用Altium Designer軟件設計，程序設計采用KEIL軟件完成，系統完全可以滿足家居與辦公場所燈光照度測量的需求。

關鍵詞：單片機;光照強度;測量;電路

0? ? 引言

當前教育越來越受到人們的重視，青少年學生大多在晚間仍需要進行學習和完成課后作業，因此晚間燈光的明暗程度對青少年學生的視力健康至關重要，也影響著青少年學生的身心健康發展。以往對于燈光強弱的衡量只是靠肉眼來感覺，缺少科學的依據或者精確的測量，有時會出現光照較強或者光照較弱的情況，而光照強度測量系統可以幫助人們解決這個棘手的問題。利用數字光強度傳感器實時進行光照強度測量與顯示，可以及時地掌控燈光的照度情況并且科學地對燈光明暗程度進行調節，以便更好地保護青少年學生的視力健康，提高學習效率。

1? ? 光照強度測量系統組成

本系統包括單片機主控電路、LCD液晶電路、光照檢測電路、聲音報警電路、燈光報警電路、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度測量系統放置到書本位置，開啟電源，使燈光直接照射到數字光強度傳感器，光照信息被傳感器采集到，傳感器將信號傳輸給單片機，經過單片機處理后將信息送到LCD液晶電路，LCD液晶電路可顯示出當前光照強度，先前已設定好光照范圍，此時的光照強度與設定值比較，如果光強值大于范圍的上限值或者小于范圍的下限值，那么單片機將同時啟動燈光報警電路和聲音報警電路實現報警，發出提示音和燈光提醒使用人員此時光照不符合要求，使用人員可調節燈光的明暗程度使其達到正常照度。系統中的按鍵電路負責系統的復位重啟和調節光照強度范圍，系統的供電由電源電路實現。

2? ? 控制系統硬件設計

2.1? ? 單片機主控電路

本系統的主控電路采用STC89C52單片機最小系統，包括時鐘振蕩電路（工作頻率11.059 2 MHz）和電源復位電路。STC89C52具有CMOS的8位微控制器，還配有可編程Flash存儲器，具有功耗低、性價比高的特點，因此STC89C52單片機應用于眾多的電力電子電路系統中。本系統不僅使用STC89C52單片機，還對單片機芯片的外圍電路進行了擴展，滿足其功能要求，系統也具有很強的靈活性和可移植性。

2.2? ? ?LCD液晶電路

本系統的顯示電路使用LCD1602液晶芯片，該液晶芯片具有8位DB0～DB7雙向數據傳輸口，與單片機P0口的8個引腳相連進行數據傳輸。另外，芯片還有寄存器選擇端口、讀寫信號線端口、對比度調整端口、電源端口、接地端口、使能端口（低電平時有效）、背光源的正極端口和背光源的接地端口，使用時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前光照強度值和光照范圍的上下限值。

2.3? ? 光照檢測電路

本系統的光照檢測電路使用16位高精度數字光強度傳感器BH1750FVI。BH1750FVI具有極高的分辨率（1～65 535 lx），支持大范圍的光照強度變化，同時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3.3 V電源芯片輸出穩定的電壓。傳感器BH1750FVI另外幾個管腳中ADDR端口需接地，時鐘端口SCL接至單片機的P3.6引腳，數據端口SDA接至單片機的P3.5引腳。

2.4? ? 聲音報警電路

本系統的聲音報警電路由限流電阻、蜂鳴器、PNP型三極管構成，當晚間燈光照度值大于設定范圍的上限值或燈光照度值小于設定范圍的下限值時，蜂鳴器發出聲響報警。但是單片機的P2口驅動能力較小，不能直接驅動蜂鳴器這種大功率器件，所以電路中需要連接一個三極管配合使用，三極管基極接收低電平信號時，三極管就導通，進而蜂鳴器導通發出聲響。該電路與單片機的P2.1管腳連接實現功能。

2.5? ? 燈光報警電路

本系統的燈光報警電路由限流電阻和發光二極管構成，當晚間燈光照度值大于設定范圍的上限值或者小于設定范圍的下限值時，發光二極管點亮。系統中的燈光報警電路與單片機的P1.0和P1.1管腳連接，發光二極管與限流電阻直接串聯連接。

2.6? ? 按鍵電路

本系統使用手動控制獨立按鍵形式，每個按鍵都與一個I/O口相連，I/O口間也都完全獨立、互不影響。這種按鍵電路的控制方式簡便、實用、可靠、穩定、靈活，而且控制也容易。按鍵電路共包括4個獨立按鍵，K1鍵為系統復位按鍵，K2鍵為光照強度設置鍵，K3鍵為手動加鍵，K4鍵為手動減鍵。當按下K2鍵時，進入光照強度范圍設置模式，再配合K3鍵或K4鍵可以相應地增加或減少光強值，最后再次按下K2鍵，退出設置模式。

2.7? ? 電源電路

該電源電路使用5 V電壓直流電源適配器，電源開關應用自鎖式開關，開關的常開觸點1和2接入到線路中，開關被按下時常開觸點1和2閉合導通，電源供電，系統開始工作，電路中接有發光二極管作為電源指示燈使用。