基于單片機照度測量系統設計與研究

崔 涵 魏立明

（吉林建筑大學 長春 130118）

引言

隨著科學技術水平的發展，人們對于光照質量的要求也在逐漸上升，為了適應不同的生產環境，對于光照的多少也出現了不同的需求[1]，為了衡量各種光源的質量水平，就需要通過照度計對光照進行測量[2]。目前大部分的照度計多以光敏二極管作為探測裝置，本文使用BH1750 芯片代替作為光照探頭，通過芯片內部對數據做的線性處理，使得照度測量更加準確且方便，可以更好滿足實際的需要。

1 系統總體設計

本照度測量系統主要硬件包括主控器、顯示器和測量芯片。其中主控器選用STC89C52 單片機，該單片機擁有32 個I/O 口，滿足本設計需要，并且編程簡單，易于使用，加之檢測電路、顯示電路、報警電路以及鍵盤電路，實現光信號的采集轉換及運算照度。顯示器選用LCD1602 液晶顯示屏，該液晶屏體積小，功耗低，其所能顯示的字符滿足本設計需求，同時其調用時序相對容易理解，可以降低編程難度；測量芯片選用BH1750 芯片，其內部具有光敏二管，放大器，數模轉換電路以及IIC 總線模塊，其可以實現在IIC 上的通信，方便單片機的讀取和運算，這樣與直接采用光敏二極管測量照度相比，芯片測量更加穩定，結果也更加準確。其余硬件包括按鈕、晶振芯片、電阻電容等將按照實際需要選用合適大小，硬件電路結構如圖1 所示。

圖1 系統方案結構框圖

2 硬件系統設計

本文對硬件電路設計進行介紹，基于立創EDA 繪圖軟件繪制硬件電路圖，主要包括單片機最小系統、照度測量模塊、顯示模塊和報警模塊，主要硬件選擇如表1所示。

表1 主要硬件列表

2.1 單片機最小系統

單片機最小系統是指用最少的元件所組成的可以工作的單片機系統，也是其他硬件電路搭建的基礎。主控制器選擇STC89C52 單片機，該單片機每次可處理8 位數據，內部具有8 K 字節儲存器，包括閃存以及可編程可擦寫只讀存貯器的單片機[3]。STC89C52 單片機最小系統包括晶振電路、復位電路。通常情況下，STC89C52 單片機的晶振選用11.059 2 MHz，晶振電路還需要兩個起振電容用于幫助晶振起振，大小在（5 ～30）pF 之間，一般選取22 pF 或30 pF。單片機中的XTAL1 和XTAL2 接口便是用于接晶振電路的。

2.2 照度測量模塊

檢測電路依靠BH1750 光檢測芯片及其外圍電路完成。其中，ADDR 是其選址端，高低電平影響其地址，通過機械開關可以進行手動選取地址，SCL，SDA 是IIC總線接口，與單片機上的IIC 總線相連[4]。將外圍電路引出的線引給排針，最后與主電路板的預留排針相連進行使用。值得注意的是，其內部的光敏二極管的光電轉換數據雖然是一一對應的，但這些數據并不是線性的，而BH1750 內部對數據做了線性處理，這也是不直接采用光敏二極管測量的原因，照度測量模塊硬件電路如圖2 所示。

圖2 照度測量模塊

2.3 顯示模塊

顯示電路主要用于顯示測量值以及閾值，通過LCD1602 液晶屏來實現，這種顯示屏只有三個控制端，使得源碼易于編寫，在編程過程中，該函數的調用也比較簡單，減少編程的工作量。顯示屏連接在單片機的P0口，并且外加上拉電阻來LCD 提高信號穩定程度，增加抵抗外界干擾能力，顯示模塊硬件電路如圖3 所示。

圖3 顯示模塊

2.4 報警模塊

當所測的地方的光照值超過某一范圍時，需要將這個信號傳遞給使用者，因而設計了報警模塊。報警主要分為兩個部分，一部分是通過發光二極管進行報警顯示，并且數值超過上下限顯示的顏色也不一樣；另一部分體現在液晶顯示屏幕上，當使用者通過顯示屏觀察照度值時，如果數值不在范圍內，屏幕會顯示“！！！”來進行提示，以此來提醒使用者當前環境的照度水平是否合乎標準，報警模塊硬件電路如圖4 所示。

圖4 報警模塊

3 軟件系統設計

3.1 總體軟件設計

本章根據上述硬件電路以及設計要求進行模塊化軟件設計。采用模塊化編程，這樣可以為后續的功能拓展帶來方便，程序主要分為主函數、顯示及報警、模擬IIC協議以及LCD1602 調用程序，如圖5 所示。

圖5 軟件程序設計流程圖

3.2 IIC 通信協議流程

本文所用的BH1750 芯片通過IIC 協議進行數據的傳輸，而STC89C52 單片機并不具有IIC 通信協議的串口，因而需要通過程序進行模擬。IIC 協議的通信共有兩根線，為保證數據傳輸的穩定，避免誤傳或丟失，IIC 對于傳輸過程中的數據做了一些規定：數據只能在 SCL 處于低電平的情況下發生變化，并且在 SCL 電平被拉高的情況下，數據必須是穩定的，也就是有效數據[5]。

1）硬件初始化

IIC 具有兩根傳輸線SDA 和SCL，當沒有數據傳輸時，IIC 處于不工作狀態，此時SDA 與SCL 均處于高電平，因此，在程序開始前需要將SDA 和SCL 電平拉高，以保證處在非工作狀態。

2）開始停止信號

在需要進行數據傳輸的時候，需要一個開始信號使電平產生變化，同樣，在數據傳輸完畢后也需要一個停止信號將電平拉回停止工作狀態。開始信號中SCL 在保持高電平時SDA 由高電平變為低電平，間隔一段時間后SCL 也變為低電平；停止信號中SCL 變為高電平，并且SCL 保持高電平后SDA 由低電平變為高電平[6]，開始停止信號時序圖如圖6 所示。

圖6 IIC 啟停時序圖

3）應答信號

在進行讀寫操作時，每次數據傳輸之后，都需要產生應答信號，一般由接收數據的一方發出可以發送數據，總的來說，就是在數據傳輸后，在傳輸下8 bit 數據前需要做出響應。應答信號是指在一次8 bit 數據傳輸后，也就是8 個時鐘周期過去后，在SCL 第9 個高電平時將SDA 電平拉低，視為一次ACK 信號[7]，應答信號時許如圖7 所示。

圖7 IIC 應答時序圖

4）讀寫數據

首先由單片機發送開始信號，緊接著發送從機地址并確定讀寫功能（0×46），之后等待從機的應答信號，之后給從機發送指令（0×10），最后發出停止信號，完成一次數據傳輸；隨后開始讀取BH1750 測量結果。先由主機發送開始信號，并發送從機地址并確定讀寫功能（0×47），然后等待從機應答信號，BH1750 內自帶的ADC 是16 位數據轉換，也就是兩個字節，在讀取數據時先讀高8 位，即接收一個字節，并向從機發送應答信號，再讀低8 位，接收第二個字節，最后給從機應答信號，停止信號，讀取完畢，數據傳輸時序圖如圖8 所示。

圖8 IIC 數據傳輸時序圖

4 測量結果演示及PCB 板展示

本文基于Peoteus 8 仿真軟件，來對測量結果進行演示。當閾值設置完成后，可以進行測量，可以看到，當照度值低于閾值設置的范圍時，屏幕會出現“！！！”的警告提示，如圖9 所示，而當測量值在閾值范圍內時，不會出現警告提示，如圖10 所示。

圖9 報警仿真圖

圖10 正常測量仿真圖

根據所繪制的硬件電路圖，基于Altium Designer 軟件對PCB 板進行繪制，采用雙面布線方式，雙面鋪銅，PCB 板圖如圖11 所示。

圖11 PCB 板設計圖

5 結論

本文主要針對便攜式照度測量計進行設計，基于STC89C52 單片機，采用光強檢測芯片BH1750 作為探測模塊，將采集的信息通過LCD1602 液晶顯示屏顯示出來。通過按鍵實現對閾值的自主選擇，當測量數據超過或低于閾值的情況下，通過報警模塊以及屏幕顯示報警，達到對某一區域照度水平進行測量的效果，本文所提方案和方法為照度測量系統提供理論借。