基于单片机的照度计设计

桂彩云+朱闪闪

摘要：日常生产生活中经常需要对光源的照度进行测量。本文设计一种基于单片机的照度计，采用了GY-30型号的BH1750光电传感器来测量外部光照，以AT89C51单片机为系统控制核心，1602液晶显示测量数据，报警电路实现光电阈值报警。通过实测数据对比及误差分析，表明该系统具备高精度、高时效测量光照度的功能，测量精度可达1lx。

关键词：照度计；光电传感器；液晶显示；实验测试

中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）10-0023-02

1 引言

光是人类生存的基础，过强或是過弱的光线都会造成或多或少的影响。统计资料显示，需要光照条件的夜间劳动出现的事故大约有30%是因为光线不足导致的。例如体育场的光照条件都需要严格的要求，光照过强或过暗都会不利于比赛的进行。又如在农业生产的大棚中，光照强度的合理控制是决定生产产量的重要因素[1]。目前市场上常见的照度测量设备一般成本都比较高。本设计提出了一种采用单片为核心机的照度计设计，结合照度传感器BH1750、LCD1602、蜂鸣器、按键灯等器件，设计出一款容易操作，价格低廉，应用范围广的实时光照度测量仪器。

2 系统总体设计方案及硬件电路

2.1 总体结构设计

系统以AT89C51单片机为控制系统的中央处理器，结合传感器电路，前置放大电路、模数转化电路，单片机最小系统，以及按键电路、报警电路、液晶显示电路组成，传感器将采集的数据经前置电路[2]的放大经A/D转换后由单片机处理，单片机经标度变换，显示当前环境下的照度值。系统框图如图1所示。

2.2 光电传感器及接口电路

BH1750FVI 是一款采用串行总线接口[3]，内部具有16位AD转换芯片，并可以直接输出数字信号的光电传感器，结合微型控制器就可以实现数据的传输，光照度测量范围在1-65535lx之间，误差变动范围小。BH1750FVI传感器与单片机之间通过IIC通信协议进行数据传输，SDA，SCL引脚分别通过上拉电阻之后连接单片机的P35，P36引脚，51单片机本身没有IIC接口电路，必须通过程序来实现IIC工作时序，接口电路如图2所示。

2.3 单片机最小系统

设计采用AT89C51单片机，工作电源为+5V，采用内部时钟方式为系统提供时钟信号，时钟电路通常由晶振和电容组成，用来产生单片机工作时所需要的时钟信号，设计中采用的起振频率是12MHz，并采用上电复位方式。

2.4 显示方式的选择

液晶显示经常被用作人机交互的智能电子仪器上对数字、字母和图形符号[4-5] 等信息进行显示。设计中用来显示实测照度值以及设定的上下限阈值，因此需选择有2行或2行以上的LCD显示器，LCD1602显示屏D0～D7接口分别接单片机P0口，并连接4.7K的排阻增大驱动电流，4引脚RS接单片机P2.5，进行寄存器的选择，5引脚接单片机P2.6，进行读写控制，当RW置高时，数据读到D0～D7，当RW为低电平时，数据从D0～D7写出，6引脚通过单片机P2.7驱动。显示接口电路如图3所示。

2.5 报警电路的设计

本设计采用蜂鸣器以及二极管进行声光报警提示，在蜂鸣器驱动电路中由于单片机输出电流比较小，需要采用三极管进行信号的放大。当达到报警上限时红色LED灯亮、蜂鸣器报警；当达到报警下限时黄色LED灯亮、蜂鸣器报警。

3 系统程序设计

主程序是控制单片机系统按预定操作方式运转的程序，它负责组织调用各子程序模块，本设计包括IIC通信子程序、显示子程序、按键子程序、报警子程序。主程序工作过程为：系统上电后单片机进入检测状态，同时完成对各个子程序的初始化工作。在没有外部控制信息输入的情况下，系统自动采集外界照度值，完成报警和显示功能。主程序如图4所示。

4 性能检测

同一时间和同一地点对同一光源用市面上精度达到0.01lx的高精度数字照度计TES-1339R和本设计照度计进行实测数据比较[6-7]。具体数据如表1。调整光源亮度用两个照度计测量其照度，测量6次，分别记录各自的数据。

将表中的数据绘制成曲线对比更清晰明了，如图5所示。

从图中可以看出两个照度计的测量数据曲线没有明显的差异，因此可以确定本次设计所设计的照度计基本实现了预期测量功能。具体采集事物如图6所示。

5 结语

本文设计了一种基于AT89C51单片机的光照度检测系统，通过实际验证证实该设计能够完成对光照度的实时检测，设计结构简单，实用价值高。但还是有很多有待进一步提高的性能，如功能的增强，精度的提高等。

参考文献

[1]马旭，林超辉，齐龙，江立凯，谭永炘，梁仲维，鹿芳媛.不同光质与光照度对水稻温室立体育秧秧苗素质的影响[J].农业工程学报，2015，31（11）：228-233.

[2]王海燕，陈贵斌，熊志成.基于BH1750芯片的智能窗帘控制系统设计[J].现代建筑电气，2015，6（03）：48-50.

[3]刘彬，张秋婵.光电检测前置放大电路的设计[J].燕山大学学报，2003，27（03）：193-196.

[4]李壮辉，朱清慧.液晶显示应用控制系统设计与实现[J].液晶与显示，2013，28（6）： 889-894.

[5]郭营营.LCD1602液晶显示[J].内江科技，2016，37（07）：37-38.

[6]侯文辉.高精度照度计的设计[D].大连：大连理工大学，2007.

[7]王冕.光照度计全自动检定系统设计和研究[D].合肥：合肥工业大学，2007.endprint