基于单片机照度测量系统设计与研究

崔 涵 魏立明

（吉林建筑大学 长春 130118）

引言

随着科学技术水平的发展，人们对于光照质量的要求也在逐渐上升，为了适应不同的生产环境，对于光照的多少也出现了不同的需求[1]，为了衡量各种光源的质量水平，就需要通过照度计对光照进行测量[2]。目前大部分的照度计多以光敏二极管作为探测装置，本文使用BH1750 芯片代替作为光照探头，通过芯片内部对数据做的线性处理，使得照度测量更加准确且方便，可以更好满足实际的需要。

1 系统总体设计

本照度测量系统主要硬件包括主控器、显示器和测量芯片。其中主控器选用STC89C52 单片机，该单片机拥有32 个I/O 口，满足本设计需要，并且编程简单，易于使用，加之检测电路、显示电路、报警电路以及键盘电路，实现光信号的采集转换及运算照度。显示器选用LCD1602 液晶显示屏，该液晶屏体积小，功耗低，其所能显示的字符满足本设计需求，同时其调用时序相对容易理解，可以降低编程难度；测量芯片选用BH1750 芯片，其内部具有光敏二管，放大器，数模转换电路以及IIC 总线模块，其可以实现在IIC 上的通信，方便单片机的读取和运算，这样与直接采用光敏二极管测量照度相比，芯片测量更加稳定，结果也更加准确。其余硬件包括按钮、晶振芯片、电阻电容等将按照实际需要选用合适大小，硬件电路结构如图1 所示。

图1 系统方案结构框图

2 硬件系统设计

本文对硬件电路设计进行介绍，基于立创EDA 绘图软件绘制硬件电路图，主要包括单片机最小系统、照度测量模块、显示模块和报警模块，主要硬件选择如表1所示。

表1 主要硬件列表

2.1 单片机最小系统

单片机最小系统是指用最少的元件所组成的可以工作的单片机系统，也是其他硬件电路搭建的基础。主控制器选择STC89C52 单片机，该单片机每次可处理8 位数据，内部具有8 K 字节储存器，包括闪存以及可编程可擦写只读存贮器的单片机[3]。STC89C52 单片机最小系统包括晶振电路、复位电路。通常情况下，STC89C52 单片机的晶振选用11.059 2 MHz，晶振电路还需要两个起振电容用于帮助晶振起振，大小在（5 ～30）pF 之间，一般选取22 pF 或30 pF。单片机中的XTAL1 和XTAL2 接口便是用于接晶振电路的。

2.2 照度测量模块

检测电路依靠BH1750 光检测芯片及其外围电路完成。其中，ADDR 是其选址端，高低电平影响其地址，通过机械开关可以进行手动选取地址，SCL，SDA 是IIC总线接口，与单片机上的IIC 总线相连[4]。将外围电路引出的线引给排针，最后与主电路板的预留排针相连进行使用。值得注意的是，其内部的光敏二极管的光电转换数据虽然是一一对应的，但这些数据并不是线性的，而BH1750 内部对数据做了线性处理，这也是不直接采用光敏二极管测量的原因，照度测量模块硬件电路如图2 所示。

图2 照度测量模块

2.3 显示模块

显示电路主要用于显示测量值以及阈值，通过LCD1602 液晶屏来实现，这种显示屏只有三个控制端，使得源码易于编写，在编程过程中，该函数的调用也比较简单，减少编程的工作量。显示屏连接在单片机的P0口，并且外加上拉电阻来LCD 提高信号稳定程度，增加抵抗外界干扰能力，显示模块硬件电路如图3 所示。

图3 显示模块

2.4 报警模块

当所测的地方的光照值超过某一范围时，需要将这个信号传递给使用者，因而设计了报警模块。报警主要分为两个部分，一部分是通过发光二极管进行报警显示，并且数值超过上下限显示的颜色也不一样；另一部分体现在液晶显示屏幕上，当使用者通过显示屏观察照度值时，如果数值不在范围内，屏幕会显示“！！！”来进行提示，以此来提醒使用者当前环境的照度水平是否合乎标准，报警模块硬件电路如图4 所示。

图4 报警模块

3 软件系统设计

3.1 总体软件设计

本章根据上述硬件电路以及设计要求进行模块化软件设计。采用模块化编程，这样可以为后续的功能拓展带来方便，程序主要分为主函数、显示及报警、模拟IIC协议以及LCD1602 调用程序，如图5 所示。

图5 软件程序设计流程图

3.2 IIC 通信协议流程

本文所用的BH1750 芯片通过IIC 协议进行数据的传输，而STC89C52 单片机并不具有IIC 通信协议的串口，因而需要通过程序进行模拟。IIC 协议的通信共有两根线，为保证数据传输的稳定，避免误传或丢失，IIC 对于传输过程中的数据做了一些规定：数据只能在 SCL 处于低电平的情况下发生变化，并且在 SCL 电平被拉高的情况下，数据必须是稳定的，也就是有效数据[5]。

1）硬件初始化

IIC 具有两根传输线SDA 和SCL，当没有数据传输时，IIC 处于不工作状态，此时SDA 与SCL 均处于高电平，因此，在程序开始前需要将SDA 和SCL 电平拉高，以保证处在非工作状态。

2）开始停止信号

在需要进行数据传输的时候，需要一个开始信号使电平产生变化，同样，在数据传输完毕后也需要一个停止信号将电平拉回停止工作状态。开始信号中SCL 在保持高电平时SDA 由高电平变为低电平，间隔一段时间后SCL 也变为低电平；停止信号中SCL 变为高电平，并且SCL 保持高电平后SDA 由低电平变为高电平[6]，开始停止信号时序图如图6 所示。

图6 IIC 启停时序图

3）应答信号

在进行读写操作时，每次数据传输之后，都需要产生应答信号，一般由接收数据的一方发出可以发送数据，总的来说，就是在数据传输后，在传输下8 bit 数据前需要做出响应。应答信号是指在一次8 bit 数据传输后，也就是8 个时钟周期过去后，在SCL 第9 个高电平时将SDA 电平拉低，视为一次ACK 信号[7]，应答信号时许如图7 所示。

图7 IIC 应答时序图

4）读写数据

首先由单片机发送开始信号，紧接着发送从机地址并确定读写功能（0×46），之后等待从机的应答信号，之后给从机发送指令（0×10），最后发出停止信号，完成一次数据传输；随后开始读取BH1750 测量结果。先由主机发送开始信号，并发送从机地址并确定读写功能（0×47），然后等待从机应答信号，BH1750 内自带的ADC 是16 位数据转换，也就是两个字节，在读取数据时先读高8 位，即接收一个字节，并向从机发送应答信号，再读低8 位，接收第二个字节，最后给从机应答信号，停止信号，读取完毕，数据传输时序图如图8 所示。

图8 IIC 数据传输时序图

4 测量结果演示及PCB 板展示

本文基于Peoteus 8 仿真软件，来对测量结果进行演示。当阈值设置完成后，可以进行测量，可以看到，当照度值低于阈值设置的范围时，屏幕会出现“！！！”的警告提示，如图9 所示，而当测量值在阈值范围内时，不会出现警告提示，如图10 所示。

图9 报警仿真图

图10 正常测量仿真图

根据所绘制的硬件电路图，基于Altium Designer 软件对PCB 板进行绘制，采用双面布线方式，双面铺铜，PCB 板图如图11 所示。

图11 PCB 板设计图

5 结论

本文主要针对便携式照度测量计进行设计，基于STC89C52 单片机，采用光强检测芯片BH1750 作为探测模块，将采集的信息通过LCD1602 液晶显示屏显示出来。通过按键实现对阈值的自主选择，当测量数据超过或低于阈值的情况下，通过报警模块以及屏幕显示报警，达到对某一区域照度水平进行测量的效果，本文所提方案和方法为照度测量系统提供理论借。