摘要：設計一種基于光強度傳感器BH1750FVI的光照強度測量儀，采用低成本的微控制器進行控制，利用I2C總線接口進行數(shù)據(jù)傳輸，可在普通的NOKIA5110液晶顯示器上進行光照強度測量值的實時顯示。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)能有效地實現(xiàn)0～65 535 lx范圍內(nèi)的光照強度的準確監(jiān)測，是一種高性能的光強度監(jiān)測裝置。
關鍵詞：BH1750FVI；NOKIA5110液晶；I2C總線接口；實時測量；MCU

引言
    傳統(tǒng)的光照傳感器主要采用光敏電阻，光敏電阻的光電流與光照度之間的關系稱為光電特性。光敏電阻的光電特性呈非線性，因此不適宜作檢測元件，在自動控制中它常被用作丌關式光電傳感器。光敏電阻需要用A／D轉(zhuǎn)換器將其信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，電路復雜，費用高。而且，光敏電阻進行光強度采集不夠理想。針對光敏電阻的諸多缺點，提出了一種利用16位高精度數(shù)字光強度傳感器BH1750FVI進行光強度檢測儀的設計方案，利用I2C總線接口數(shù)字型光強度傳感器，可以避免A／D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)帶來的誤差，可在NOKIA5110液晶顯示器上進行測量數(shù)值的顯示。該系統(tǒng)具有光強度采集精度較高、實時性較強等優(yōu)點，并且電路設汁較為簡單，容易實現(xiàn)與集成。

1 光強度傳感器BH1750FVI
    不區(qū)分光源數(shù)字型環(huán)境光強度傳感器BH1750FVI是日本RHOM株式會社近些年推出的一種兩線式串行總線接口的集成電路，可以根據(jù)收集的光線強度數(shù)據(jù)來進行環(huán)境監(jiān)測，其具有1～65 535 lx的高分辨率，可支持較大范圍的光照強度變化。BH1750FVI結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    從結(jié)構(gòu)框圖可容易看出，外部光照被接近人眼反應的高精度光敏二極管PD探測到后，通過集成運算放大器將PD電流轉(zhuǎn)換為PD電壓，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲取16位數(shù)字數(shù)據(jù)，然后被邏輯和IC界面進行數(shù)據(jù)處理與存儲。OSC為內(nèi)部的振蕩器提供內(nèi)部邏輯時鐘，通過相應的指令操作即可讀取出內(nèi)部存儲的光照數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸使用標準的I2C總線，按照時序要求操作起來也非常方便。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)的液晶顯示方案
    NOKIA5110是一款價廉的液晶顯示器，該顯示器可以顯示15個漢字、30個字符，僅僅需要4根I／O數(shù)據(jù)線，其工作電壓為3．3 V。它采用NXP公司的PCD8544顯不驅(qū)動芯片，NOKIA5110可以使用沒有MISO只有MOSI的SPI協(xié)議，可以利用硬件SPI，但通常只需要軟件程序模擬即可，數(shù)據(jù)傳輸需要嚴格按照手冊中串行接口時序圖編寫。其運行速度十分理想，是LCD12864顯示器的20倍，LCD1602顯示器的40倍，適用于對反應靈敏度有要求的場合。
2．1 NOKIA5110液晶顯示器的初始化
   接通電源后，NOKIA5110液晶顯示器的內(nèi)部寄存器和RAM的內(nèi)容是不確定的，這時需要一個RES低電平脈沖進行復位。當VDD變?yōu)楦唠娖?，達到或高于VDD的最小值之后，給NOKIA5110顯示模塊的復位端RST引腳輸入低電平(要求復位電平<0．3VDD)，便進行了NOKIA5110液晶顯示器的復位。圖2為NOKIA5110液晶顯示器的復位時序圖。

2．2 設置NOKIA5110液晶顯示器的坐標
    通過查詢NOKIA5110液晶顯示器的指令集與手冊可以知道其功能設置命令的H和V。其中：H=0使用基本指令集命令，H=1使用擴展指令集命令，V=0水平尋址，V=1垂直尋址。數(shù)據(jù)以字節(jié)8位為單位下載到PCD8544的48×84位顯示數(shù)據(jù)RAM矩陣。列通過地址指針尋址，地址范圍為X：0～83(1010011)；Y：0～5(101)。
    在垂直尋址模式時(V=1)，Y地址在每個字節(jié)之后遞增，經(jīng)最后的Y地址(Y=5)之后，Y繞回0，X遞增到下一列的地址。存水平尋址模式時(V=0)，X地址在每個字節(jié)之后遞增，經(jīng)最后的X地址(X=83)之后，X繞回0，Y遞增到下一行的地址。經(jīng)每一個最后地址之后(X=83，Y=5)，地址指針繞回地址(X=0，Y=0)。
2．3 顯示方式
    顯示漢字可以采用兩種點陣方式，一種是12×12點陣，一種是16×16點陣。采用12×12點陣漢字時，由于不是8的整數(shù)倍數(shù)，因此行與行之間只能隔開，這樣才能完整顯示一個漢字。英文字符占用6×8個點陣，可以通過建立一個ASCII的數(shù)組來進行尋址。

3 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計
    利用BH1750FVI和NOKIA5110液晶顯示器進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設計，其中NOKIA5110需要使用5個I／O口，RST復位端、SCE芯片使能端、DC模式選擇端、DIN數(shù)據(jù)線、CLK時鐘線分別接到單片機的P2．1～P2．5口。由于BH1750FVI使用低電壓3．3 V，而傳統(tǒng)單片機使用的是5 V電壓，故需要一個3．3 V電源芯片662k輸出穩(wěn)定的3．3 V電壓，BH1750FVI光強度傳感器的ADDR端口接地，另需使用兩個I／O接口，其中時鐘端SCL，數(shù)據(jù)端SDA分別外接到了單片機的P3．1和P3．2口(此處單片機未畫入圖中)。測量儀電路圖如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件驅(qū)動設計
    軟件部分包括BH1750FVI數(shù)據(jù)采集、NOKIA5110液晶顯示器、I2C數(shù)據(jù)總線、單片機控制等幾部分。限于篇幅本文僅給出其重要驅(qū)動模塊的程序代碼。
4．1 光強度傳感器BH1750FVI數(shù)據(jù)采集部分
    光強度傳感器采集過來的數(shù)據(jù)被存儲在數(shù)據(jù)寄存器中，將數(shù)據(jù)讀出后要進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，把個十百千萬每位數(shù)據(jù)換算出來，然后用于程序調(diào)用。
    (1)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序段
   
    (2)光強度傳感器BH1750驅(qū)動程序段
   
   
4．2 液晶顯示器NOKIA5110液晶驅(qū)動部分
    NOKIA5110液晶操作首先需要初始化，然后執(zhí)行清屏、寫入數(shù)據(jù)等操作。NOKIA5110初始化程序如下：
   
   

結(jié)語
    本文利用16位數(shù)字光強度傳感器BH1750FVI和普通的51單片機設計了數(shù)字光照強度的數(shù)據(jù)實時采集與顯示。由于光強度傳感器精度高，I2C總線接口簡單易用，NOKIA5110液晶顯示器使用方便、體積較小等特性，較為價廉地實現(xiàn)了高精度數(shù)字光照強度的實時采集。經(jīng)過實驗證明其反應速度非常靈敏，測量精度高，適合于對精度要求較高的場合。