引言

當(dāng)前教育越來(lái)越受到人們的重視,青少年學(xué)生大多在晚間仍需要進(jìn)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(duì)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(duì)于燈光強(qiáng)弱的衡量只是靠肉眼來(lái)感覺,缺少科學(xué)的依據(jù)或者精確的測(cè)量,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)光照較強(qiáng)或者光照較弱的情況,而光照強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)可以幫助人們解決這個(gè)棘手的問(wèn)題。利用數(shù)字光強(qiáng)度傳感器實(shí)時(shí)進(jìn)行光照強(qiáng)度測(cè)量與顯示,可以及時(shí)地掌控?zé)艄獾恼斩惹闆r并且科學(xué)地對(duì)燈光明暗程度進(jìn)行調(diào)節(jié),以便更好地保護(hù)青少年學(xué)生的視力健康,提高學(xué)習(xí)效率。

1光照強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)包括單片機(jī)主控電路、LCD液晶電路、光照檢測(cè)電路、聲音報(bào)警電路、燈光報(bào)警電路、按鍵電路、電源電路和程序接口電路。其工作過(guò)程首先是將光照強(qiáng)度測(cè)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(qiáng)度傳感器,光照信息被傳感器采集到,傳感器將信號(hào)傳輸給單片機(jī),經(jīng)過(guò)單片機(jī)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(qiáng)度,先前已設(shè)定好光照范圍,此時(shí)的光照強(qiáng)度與設(shè)定值比較,如果光強(qiáng)值大于范圍的上限值或者小于范圍的下限值,那么單片機(jī)將同時(shí)啟動(dòng)燈光報(bào)警電路和聲音報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)報(bào)警,發(fā)出提示音和燈光提醒使用人員此時(shí)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(dá)到正常照度。系統(tǒng)中的按鍵電路負(fù)責(zé)系統(tǒng)的復(fù)位重啟和調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度范圍,系統(tǒng)的供電由電源電路實(shí)現(xiàn)。

2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)主控電路

本系統(tǒng)的主控電路采用sTC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng),包括時(shí)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(chǔ)器,具有功耗低、性價(jià)比高的特點(diǎn),因此sTC89C52單片機(jī)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(jī),還對(duì)單片機(jī)芯片的外圍電路進(jìn)行了擴(kuò)展,滿足其功能要求,系統(tǒng)也具有很強(qiáng)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(jī)P0口的8個(gè)引腳相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。另外,芯片還有寄存器選擇端口、讀寫信號(hào)線端口、對(duì)比度調(diào)整端口、電源端口、接地端口、使能端口(低電平時(shí)有效）、背光源的正極端口和背光源的接地端口,使用時(shí)按照芯片的說(shuō)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(qiáng)度值和光照范圍的上下限值。

2.3光照檢測(cè)電路

本系統(tǒng)的光照檢測(cè)電路使用16位高精度數(shù)字光強(qiáng)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(qiáng)度變化,同時(shí)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(gè)3.3V電源芯片輸出穩(wěn)定的電壓。傳感器BH1750FVI另外幾個(gè)管腳中ADDR端口需接地,時(shí)鐘端口sCL接至單片機(jī)的P3.6引腳,數(shù)據(jù)端口sDA接至單片機(jī)的P3.5引腳。

2.4聲音報(bào)警電路

本系統(tǒng)的聲音報(bào)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(shí),蜂鳴器發(fā)出聲響報(bào)警。但是單片機(jī)的P2口驅(qū)動(dòng)能力較小,不能直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器這種大功率器件,所以電路中需要連接一個(gè)三極管配合使用,三極管基極接收低電平信號(hào)時(shí),三極管就導(dǎo)通,進(jìn)而蜂鳴器導(dǎo)通發(fā)出聲響。該電路與單片機(jī)的P2.1管腳連接實(shí)現(xiàn)功能。

2.5燈光報(bào)警電路

本系統(tǒng)的燈光報(bào)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(shí),發(fā)光二極管點(diǎn)亮。系統(tǒng)中的燈光報(bào)警電路與單片機(jī)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(dòng)控制獨(dú)立按鍵形式,每個(gè)按鍵都與一個(gè)1/o口相連,1/o口間也都完全獨(dú)立、互不影響。這種按鍵電路的控制方式簡(jiǎn)便、實(shí)用、可靠、穩(wěn)定、靈活,而且控制也容易。按鍵電路共包括4個(gè)獨(dú)立按鍵,K1鍵為系統(tǒng)復(fù)位按鍵,K2鍵為光照強(qiáng)度設(shè)置鍵,K3鍵為手動(dòng)加鍵,K4鍵為手動(dòng)減鍵。當(dāng)按下K2鍵時(shí),進(jìn)入光照強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)1和2接入到線路中,開關(guān)被按下時(shí)常開觸點(diǎn)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(jī)的光照強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng),系統(tǒng)的電路連接圖使用A1tiumDesigner軟件繪制完成,進(jìn)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(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分使用KE1L軟件來(lái)完成,編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言。編程時(shí)采用模塊化思維,優(yōu)點(diǎn)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(jì)思路為初始化及顯示啟動(dòng)畫面,然后通過(guò)按鍵電路設(shè)置光照范圍上下限,接下來(lái)光照傳感器檢測(cè)光照強(qiáng)度,傳給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)傳到液晶芯片顯示光照強(qiáng)度,最終再判斷是否啟動(dòng)報(bào)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(cè)量系統(tǒng)的原理圖,生成PCB圖,然后制成電路板,將單片機(jī)、液晶顯示屏和所有元器件焊接到電路板上,隨后用萬(wàn)用表檢查電路板焊接是否準(zhǔn)確,有無(wú)虛焊、連焊現(xiàn)象。再將編寫好的軟件程序下載到sTC89C52單片機(jī)中,進(jìn)行綜合調(diào)試,一切按照預(yù)定好的模式進(jìn)行工作,說(shuō)明控制系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。使用時(shí),首先給電路接通電源,調(diào)整光照強(qiáng)度范圍的上下限值,同時(shí)要求光照強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)放置在書本的位置上,達(dá)到最佳測(cè)量效果。測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物演示圖如圖3所示。

5結(jié)語(yǔ)

本文介紹了采用sTC89C52單片機(jī)作為主控芯片開發(fā)設(shè)計(jì)的光照強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確地測(cè)量出光照強(qiáng)度值,并根據(jù)光照范圍值來(lái)衡量光線的強(qiáng)弱,當(dāng)高于或低于限值時(shí)進(jìn)行報(bào)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(chǎng)所燈光照度測(cè)量的需要。