引言

當(dāng)前教育越來越受到人們的重視,青少年學(xué)生大多在晚間仍需要進行學(xué)習(xí)和完成課后作業(yè),因此晚間燈光的明暗程度對青少年學(xué)生的視力健康至關(guān)重要,也影響著青少年學(xué)生的身心健康發(fā)展。以往對于燈光強弱的衡量只是靠肉眼來感覺,缺少科學(xué)的依據(jù)或者精確的測量,有時會出現(xiàn)光照較強或者光照較弱的情況,而光照強度測量系統(tǒng)可以幫助人們解決這個棘手的問題。利用數(shù)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?zé)艄獾恼斩惹闆r并且科學(xué)地對燈光明暗程度進行調(diào)節(jié),以便更好地保護青少年學(xué)生的視力健康,提高學(xué)習(xí)效率。

1光照強度測量系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)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(tǒng)放置到書本位置,開啟電源,使燈光直接照射到數(shù)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(jīng)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(dāng)前光照強度,先前已設(shè)定好光照范圍,此時的光照強度與設(shè)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(xiàn)報警,發(fā)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(diào)節(jié)燈光的明暗程度使其達到正常照度。系統(tǒng)中的按鍵電路負責(zé)系統(tǒng)的復(fù)位重啟和調(diào)節(jié)光照強度范圍,系統(tǒng)的供電由電源電路實現(xiàn)。

2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1單片機主控電路

本系統(tǒng)的主控電路采用sTC89C52單片機最小系統(tǒng),包括時鐘振蕩電路(工作頻率11E0592MHz）和電源復(fù)位電路。sTC89C52具有CMos的8位微控制器,還配有可編程F1aeh存儲器,具有功耗低、性價比高的特點,因此sTC89C52單片機應(yīng)用于眾多的電力電子電路系統(tǒng)中。本系統(tǒng)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(tǒng)也具有很強的靈活性和可移植性。

2.2LCD液晶電路

本系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸口,與單片機P0口的8個引腳相連進行數(shù)據(jù)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(diào)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(dāng)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(tǒng)的光照檢測電路使用16位高精度數(shù)字光強度傳感器BH1750FVI。BH1750FVI具有極高的分辨率(1～655351x）,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3E3V的低電壓,由于電源電路供電是5V,因此需要一個3.3V電源芯片輸出穩(wěn)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(shù)據(jù)端口sDA接至單片機的P3.5引腳。

2.4聲音報警電路

本系統(tǒng)的聲音報警電路由限流電阻、蜂鳴器、PNP型三極管構(gòu)成,當(dāng)晚間燈光照度值大于設(shè)定范圍的上限值或燈光照度值小于設(shè)定范圍的下限值時,蜂鳴器發(fā)出聲響報警。但是單片機的P2口驅(qū)動能力較小,不能直接驅(qū)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(dǎo)通,進而蜂鳴器導(dǎo)通發(fā)出聲響。該電路與單片機的P2.1管腳連接實現(xiàn)功能。

2.5燈光報警電路

本系統(tǒng)的燈光報警電路由限流電阻和發(fā)光二極管構(gòu)成,當(dāng)晚間燈光照度值大于設(shè)定范圍的上限值或者小于設(shè)定范圍的下限值時,發(fā)光二極管點亮。系統(tǒng)中的燈光報警電路與單片機的P1.0和P1.1管腳連接,發(fā)光二極管與限流電阻直接串聯(lián)連接。

2.6按鍵電路

本系統(tǒng)使用手動控制獨立按鍵形式,每個按鍵都與一個1/o口相連,1/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(wěn)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(tǒng)復(fù)位按鍵,K2鍵為光照強度設(shè)置鍵,K3鍵為手動加鍵,K4鍵為手動減鍵。當(dāng)按下K2鍵時,進入光照強度范圍設(shè)置模式,再配合K3鍵或K4鍵可以相應(yīng)地增加或減少光強值,最后再次按下K2鍵,退出設(shè)置模式。

2.7電源電路

該電源電路使用5V電壓直流電源適配器,電源開關(guān)應(yīng)用自鎖式開關(guān),開關(guān)的常開觸點1和2接入到線路中,開關(guān)被按下時常開觸點1和2閉合導(dǎo)通,電源供電,系統(tǒng)開始工作,電路中接有發(fā)光二極管作為電源指示燈使用。

2.8電路系統(tǒng)

將上述各部分電路全部連接在一起,最終構(gòu)成基于單片機的光照強度測量系統(tǒng),系統(tǒng)的電路連接圖使用A1tiumDesigner軟件繪制完成,進而生成PCB圖,制作電路板。電路原理圖如圖1所示。

3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分使用KE1L軟件來完成,編程語言為C語言。編程時采用模塊化思維,優(yōu)點是集成度高,方便移植。軟件程序包括主程序、按鍵輸入子程序、光照采集子程序、顯示數(shù)據(jù)子程序、中斷服務(wù)子程序等。軟件程序設(shè)計思路為初始化及顯示啟動畫面,然后通過按鍵電路設(shè)置光照范圍上下限,接下來光照傳感器檢測光照強度,傳給單片機進行數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)傳到液晶芯片顯示光照強度,最終再判斷是否啟動報警。系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示。

4系統(tǒng)綜合調(diào)試

根據(jù)測量系統(tǒng)的原理圖,生成PCB圖,然后制成電路板,將單片機、液晶顯示屏和所有元器件焊接到電路板上,隨后用萬用表檢查電路板焊接是否準確,有無虛焊、連焊現(xiàn)象。再將編寫好的軟件程序下載到sTC89C52單片機中,進行綜合調(diào)試,一切按照預(yù)定好的模式進行工作,說明控制系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。使用時,首先給電路接通電源,調(diào)整光照強度范圍的上下限值,同時要求光照強度測量系統(tǒng)放置在書本的位置上,達到最佳測量效果。測量系統(tǒng)實物演示圖如圖3所示。

5結(jié)語

本文介紹了采用sTC89C52單片機作為主控芯片開發(fā)設(shè)計的光照強度測量系統(tǒng),該系統(tǒng)可以快速準確地測量出光照強度值,并根據(jù)光照范圍值來衡量光線的強弱,當(dāng)高于或低于限值時進行報警。該系統(tǒng)功耗低、性能穩(wěn)定,較好地滿足了家居與辦公場所燈光照度測量的需要。