引言

當前教育越來越受到人們的重視,青少年學生大多在晚間仍需要進行學習和完成課后作業(yè),因此晚間燈光的明暗程度對青少年學生的視力健康至關重要,也影響著青少年學生的身心健康發(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,可以及時地掌控燈光的照度情況并且科學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生的視力健康,提高學習效率。

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前光照強度,先前已設定好光照范圍,此時的光照強度與設定值比較,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)中的按鍵電路負責系統(tǒng)的復位重啟和調(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型三極管構成,當晚間燈光照度值大于設定范圍的上限值或燈光照度值小于設定范圍的下限值時,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,三極管就導通,進而蜂鳴器導通發(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)光二極管構成,當晚間燈光照度值大于設定范圍的上限值或者小于設定范圍的下限值時,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)復位按鍵,K2鍵為光照強度設置鍵,K3鍵為手動加鍵,K4鍵為手動減鍵。當按下K2鍵時,進入光照強度范圍設置模式,再配合K3鍵或K4鍵可以相應地增加或減少光強值,最后再次按下K2鍵,退出設置模式。

2.7電源電路

該電源電路使用5V電壓直流電源適配器,電源開關應用自鎖式開關,開關的常開觸點1和2接入到線路中,開關被按下時常開觸點1和2閉合導通,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)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計部分使用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、中斷服務子程序等。軟件程序設計思路為初始化及顯示啟動畫面,然后通過按鍵電路設置光照范圍上下限,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結語

本文介紹了采用sTC89C52單片機作為主控芯片開發(fā)設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。