基于单片机的LiFi计数装置

张夕蕊 姚夏元

摘  要： 本系统以STC89C52单片机为运算控制中心，实现对显示器、传感器等模块的精准控制，共同实现传输光信号的功能。在按键输入模块中，LED灯（发光二极管）发射的可见光信号为系统的输入信号，由光敏电阻传感器模块将光信号采集并存储于硬件系统中，将获得的信号进行比较和转换，在DO端口向单片机输出高电平，光控制开关开启，单片机程序触发，达到在液晶显示屏上进行计次的效果。该装置操作简单、稳定性高、安全性强，实现了信号的超高速传输，具有很强的创新性和实用意义。

关键词： 可见光通信技术;STC89C52单片机; LCD1602显示器;光敏电阻传感器;LED灯;计数器

中图分类号： TP27    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.018

本文著录格式：张夕蕊，姚夏元. 基于单片机的LiFi计数装置[J]. 软件，2020，41（09）：6568+87

【Abstract】： This system uses STC89C52 single-chip microcomputer as the operation control center to achieve precise control of the display， sensor and other modules， and jointly realize the function of transmitting optical signals. In the key input module， the visible light signal emitted by the LED lamp （light emitting diode） is the input signal of the system. The light signal is collected by the photoresistor sensor module and stored in the hardware system. The obtained signal is compared and converted at the DO port High level is output to the single-chip microcomputer， the light control switch is turned on， and the single-chip microcomputer program is triggered to achieve the effect of counting times on the liquid crystal display. The device is simple in operation， high in stability and strong in security， and realizes ultra-high-speed transmission of signals， which has strong innovation and practical significance.

【Key words】： LiFi; STC89C52 Single chip microcomputer; LCD1602 monitor; Photoresistor sensor; LED lights; counter

0  引言

LiFi，“光保真技術”（Light Fidelity），全称是“可见光无线通信技术”，是一种利用可见光波谱（如灯泡发出的光）进行数据传输的全新无线传输技术，2012年，由英国爱丁堡大学电子通信学院移动通信系主席、德国物理学家哈拉尔德·哈斯教授发明[13]。LiFi技术的研究迄今已有十余年的历史。目前已成为美日欧诸多国家在数据通信研究领域的必争之地。因其所具备的当下的Wi-Fi技术所无法比拟的超高速率频率、超长带宽以及强大的安全性和节能性，LiFi的兴起被认为可以推动一场通信革命。目前我国在可见光通信技术领域已经取得了很多重要的研究成果。日常生活中或繁或简的数据通信功能都可以尝试使用LiFi技术来实现。

1  系统整体设计

本系统以STC89C52单片机为运算和控制核心，主要由LCD液晶显示模块、光信号采集模块、按键输入模块组成。LCD1602显示器作为输出部分的核心，与单片机、继电器等配合，接受来自光信号采集模块

的信号，完成数字的输出任务。用户按键输入的计次信号由LED发光二极管发射，由光传感器负责接收并转化为数字信号高低电平，通过DO端口与单片机完成通信。按键模块是独立于输出系统的输入模块，其原理简单，易于进行替换和调节。系统总设计流程如图1所示[1-2]。

2  硬件模块设计

2.1  单片机系统

本装置使用ATMEL公司开发的STC89C52单片机为核心控制器[3]，该单片机拥有32位串行I/O地址线，512bit的内存，8k字节Flash，中断结构以及三个16位的定时器或计数器，片选信号单片机拥有内外两种中断方式，包括4个外部中断和一个7向量4级中断结构，中断复位快速方便，可以直接使用串口下载。另外C52单片机拥有静态逻辑操作模式，对于本系统来说，外部连接部件不繁重，算数不复杂时，可以运行在空闲模式下，达到了高效且节能的效果。考虑到该系统中，核心单片机需要控制的液晶显示器和传感器，以上优越的性能能够支持本嵌入式操作运行系统

的正常运转，软件开发较为方便。如图2是STC89C52单片机的最小系统，将系统按照该图连接，即可在此基础上开发所需的功能和应用。单片机最小系统设计图如图2所示。

2.2  LCD1602显示模块

显示模块主要采用了LCD1602液晶显示屏[4]，通过1602与单片机的密切配合共同完成输出系统的搭建。LCD1602显示器不需要连接其他工作电路、Flash和RAM等，其自身具有32位的超长交互界面以及高精度的AD转换系统，将其按照单片机说明书直接与C52相连，即可直接通信。由于芯片高度集成，操作起来十分方便。LCD1602自带的大存储容量使得用户可以自主设计显示界面，自定义初始化显示，只需找到使用的物理存储地址，利用程序将默认设置从I/O端口键入交互界面，其余地址分配给单片机通信显示即可。为保证芯片的正常运行，接入可调电阻作为保护，当芯片正常运作时，指示灯亮起[4-6]。

LCD1602与单片机的连接是在单片机最小系统的基础上布置的，1602液晶显示芯片共有16个引脚，  引脚1、2分别接地和5 V电源，引脚3VO经滑动电阻后接地，调节液晶显示器对比度。运行1602模块  时，按照说明书将所有引脚同理接入，接通电源即  可。连接后，整个系统基本完成。系统总设计图如图3所示。

2.3  光信号采集模块

该4线制光信号采集模块以运算放大器LM393为核心，以光感电阻为接收器采集达到阈值的光信号，经模拟电路在DO端输出高电平，连接单片机和继电器，同时AO端口连接AD模块实现灵敏调节。该系统的工作原理即检测DO端口的高低电平，若成功采

集到光信号，则通过运放比较、整流改变输出电平，单片机能精准识别电平的变化，从而输出结果到显示区。系统初始化的输出端口为低电平，在此状态下单片机和继电器不会被触发、AD转换模块不工作。电路连接图如图4所示[7]。

该模块具有以下几个优点：

（1）虽然程序复杂但PCB板外形小巧，便于安装和调试、界面简单易于操作、I/O接口利用率高。

（2）宽电压LM393比较器输出的信号质量高，几乎不含谐波，且驱动电流超过15mA，驱动能力强。

（3）光敏电阻的感光性能极佳，配置的可调电位器可以辅助调节进出光线的亮度，为后续定量研究提供了可能。

（4）斜置安装的排针使得光敏电阻与二极管之间的距离调节方便且易于观察。

2.4  按键输入模块

输入模块包括按键和LED灯两部分，通过与单片机相连组成闭合的二极管回路，当按动按键时，回路闭合，电流通过LED灯，二极管正向饱和，实现按次闪烁。回路中接入电阻起到保护作用，避免击穿。该过程可用图5简单表示[8-9]。

3  软件模块设计

3.1  LCD1602显示器程序设计

LCD1602内部受继电器和单片机的信号控制，显示器对单片机发出的电信号进行分析，将模拟信号进行整流和AD转换，使串行信号转化为并行信号输出，并且在程序作用下将二进制码转化十进制显示。该过程完成后，显示器将信号传回单片机并进入等待状态。该配合流程如图6所示。

LCD1602芯片是最常用的字符型液晶显示器之一，具有以下几个优点：

（1）显示质量高。字符型的显示屏本质上是点阵结构，显示器的每一个点在接收到外来信号之后会保持其色彩度和亮度，能够恒定发光。不需要刷新新的亮点是的液晶显示器能够稳定输出，避免闪烁和模糊。

（2）数字型接口与单片机保持一致，操作方便，信息传输便捷。

（3）功耗更低。相比于其他类型的显示器，LCD1602具有更低的能耗，其主要能量消耗在内部的电极以及驱动IC。

（4）体积小，便于携带和改装，相比于传统的显示器重量大大减轻，结构更加优化。

3.2  光敏传感器模块设计

本系统采用灵敏型光敏电阻传感器，工作电压在3.3-5 V之间，此外还有运算放大器作为比较器和二极管整流器。当接通外部电源是，初始化的默认输入输出都为低电平，DO端口连接单片机和继电器通信，AO端口连接AD转换模块。当系统发出光亮，光敏电阻被触发，若强度达到阈值，则电流信号通过运放进行整流，最终在DO端口输出一个高电平，光控开关打开，同时AO端口处AD转换器运行，灵敏地检测光线的强度。单片机的引脚与DO端相接，用以识别高低电平信号，若单片机片选引脚接收到高电平信号，则显示系统随机触发。设计流程如图7所示[10-12]。

4  系统运行测试

将装置接通5V电源，按下开关，系统显示屏亮起显示处于待机状态，液晶屏显示“KE JIAN GUANG TX DATA：”提示数据输入，初始计数值置零（不进行显示）。首先对光检测模块进行测试，调整光敏二极管的位置足够接近PCB板上的LED灯，保证LED灯闪烁时其光强度超过光感电阻的接受阈值，以開启光检测模块的DO端口。按下按键使LED灯按次闪烁，光传感器模块接受电磁频谱的可见光部分而向单片机和继电器输出高电平，显示器累计次数实现叠加。显示器的计次上限为两位数，即01-99，计次频率即按键频率。按起开关后重新启动，装置计数清零。

多次重复测试过程中发现光信号能够以非常快的频率完成采集和传输，输入输出装置之间几乎没有时延。实物装置演示如图8所示。

值得注意的是，测试过程中若尝试使光敏电阻稍微移动远离发光二极管，则光信号的采集往往会失败。光线强度、传输距离与阈值之间的关系有待进一步研究和实验。这在一定程度上显著地反映了LiFi技术的应用局限性。

5  创新点

（1）可见光通信技术，又称光保真技术（Light Fidelity）的应用，利用电磁波普的可见光部分作为数据传输的载体，当下热门研究的新领域。

（2）光传感器模块。光敏电阻作为接收器，通过光线强度与感光阈值比较器输出高电平，在电路内部实现简洁的二进制信号传输，用户操作简单，高效节能。

（3）优化的程序设计。主程序、LCD1602模块程序以及光传感器程序均由Visual C++6.0和Keil uVision4完成，易于理解和更改。

（4）显示模块LCD1602与单片机配合，能够实现32个字符的超长用户提示。

（5）高阻电源提供低压供电，能耗低，单片机外部连接可调电阻保护电路，避免了静电短路，对整个电路实现良好保护。

（6）装置轻巧便携，方便演示和改良。

6  结语

该计数装置以STC89C52单片机为控制中心，将LCD1602液晶显示器、继电器、DO端口、光敏电阻和LED灯等组件联合成为相互配合的有机整体，结构和程序较为简单，但创新性强，良好地体现了光通信的高速和高效特性，完成度高。LiFi技术作为新兴领域，是实现智能家居、电子通信新领域的重要突破方向。

该系统具有良好的拓展性，通过可见光建立信号基站，理论上能够实现数据、文件以及视频等任何信息载体的传输。将该装置的输入输出接入其他系统，能够实现数字传输的智能化。然而，光通信在享有Wi-Fi技术所无法比拟的超高速度、稳定性以及安全性的同时，也存在着诸多的局限性，在本装置中，LED灯与光敏电阻的距离需要严格控制，且无法实现数据反馈和双向传输，这也是当下可见光通信技术的崛起所面临的主要困境。

参考文献

[1]路帅， 李智豪， 吴转红， 等. 基于51单片机的智能语音密码锁设计[J]， 软件， 2020， 41（3）： 51-55

[2]李瑞福. 基于单片机AT89C51的一氧化碳浓度检测仪设计[J]. 软件， 2015， 36（9）： 106-108

[3]王蕊. 基于单片机的多功能自动调温风扇系统设计[D]. 郑州大学， 2014.

[4]黄平. 基于单片机的液晶（LCD）图文显示系统设计[J]. 通信电源技术， 2019， 36（10）： 69-70.

[5]陈新. 一款高精度环境光传感器芯片XD3072的设计[D]. 西安电子科技大学， 2014.

[6]梁仕斌， 张江涛， 张崇兴， 等. 基于光纤传感的输电导线温度监测研究[J]. 软件， 2018， 39（5）： 01-04

[7]張子龙. 信息时代视角下电子信息工程技术的发展应用[J]. 软件， 2018， 39（6）： 125-127.

[8]李滨， 李鑫磊， 李童， 等. 基于LED可见光通信系统设计与实现[J]. 科技创新与应用， 2018（22）： 104-106.

[9]梁锦， 赵同刚. 基于CC1110单片机的阴极保护数据采集通信节点及节点间无线通信控制系统设计[J]. 软件， 2012， 33（12）： 205-209.

[10]徐治. Visual C++调用MATLAB 函数库的混合编程技术[J]. 软件， 2015， 36（2）： 55-58.

[11]孙美君， 师卫. 基于MSP430和DL/PT645标准的智能电度表设计[J]. 软件， 2012， 33（2）： 123-126.

[12]李升. LiFi技术浅析[J]. 中国无线电， 2017（08）： 38+72.

[13]LED可见光通信的发展现状与趋势[J]. 电子元件与材料， 2015， 34（07）： 59.