基于STC89C52單片機(jī)的智能照度計(jì)設(shè)計(jì)摘要照度是衡量環(huán)境質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，充足的光照是動(dòng)植物迅速生長(zhǎng)的基本條件。在醫(yī)療衛(wèi)生、生物科研以及各種工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)所中，對(duì)光照強(qiáng)度的要求較高，高精度的照度計(jì)需求越來(lái)越大。隨著電子技術(shù)的不斷升級(jí)換代，照度計(jì)往著高精度、高穩(wěn)定性和功能多樣化的趨勢(shì)發(fā)展。因此，基于當(dāng)代優(yōu)質(zhì)的工控芯片和傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套高精度、便攜式和低成本的數(shù)字照度計(jì)，具有極大的推廣前景。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外照度檢測(cè)儀器發(fā)展情況及趨勢(shì)，以智能化和高精度為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套適合各行業(yè)使用的數(shù)字照度計(jì)。本文以單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)核心控制技術(shù)為基礎(chǔ)，選取較為成熟的STC89C52單片機(jī)作為核心控制芯片，結(jié)合日本RHOM株式會(huì)社生產(chǎn)的BH1750光照度傳感器，通過(guò)硬件設(shè)計(jì)和軟件程序，制作了一套數(shù)字光照強(qiáng)度檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠正常檢測(cè)環(huán)境中的光照強(qiáng)度，精度1lx，實(shí)現(xiàn)了上下限智能化報(bào)警的功能。關(guān)鍵詞：照度計(jì)；高精度；STC89C52；BH1750目錄第一章前言 第一章前言1.1課題研究背景及意義光照是動(dòng)植物生長(zhǎng)的基本條件。假如沒(méi)有光照，所有的人類活動(dòng)將停止，世界將是靜止的。在人類的歷史長(zhǎng)河中，人類不斷利用著光照創(chuàng)造著世界，造就了人類的文明。同時(shí)，人類也積極探索光的本身，不斷開展著光的研究，如光的波長(zhǎng)特性和光照強(qiáng)度的檢測(cè)。光照強(qiáng)度是衡量環(huán)境質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，在農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和工業(yè)等領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)照度的檢測(cè)需求越來(lái)越高。光照的強(qiáng)弱，決定著植物的生長(zhǎng)速度，影響著牲畜的生長(zhǎng)發(fā)育，影響著工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，準(zhǔn)確的檢測(cè)出環(huán)境光照強(qiáng)度，一直是我們研究的熱門課題[1]。隨著電子科技技術(shù)的不斷進(jìn)步，工控技術(shù)也越來(lái)越成熟穩(wěn)定，傳感器技術(shù)也越來(lái)越多樣化，照度計(jì)朝著高精度、高穩(wěn)定性和功能多樣化的趨勢(shì)發(fā)展。單片機(jī)現(xiàn)在具有技術(shù)成熟、功能穩(wěn)定可靠、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)的集成電路芯片，在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中應(yīng)用極其廣泛，可良好的應(yīng)用于照度檢測(cè)中。光照強(qiáng)度是指單位面積上所接受可見光的光通量，單位是勒克斯(lx)。數(shù)字照度計(jì)主要應(yīng)用光電轉(zhuǎn)換器件和電子元器件來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境中光照的檢測(cè)，并以數(shù)值的形式展現(xiàn)出來(lái)[2]。當(dāng)前市場(chǎng)上，照度計(jì)的控制元件主要為專用芯片，價(jià)格比較昂貴，高達(dá)幾千上萬(wàn)元，且設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。因此，一套性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉的數(shù)字照度計(jì)具有較大的意義。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字照度計(jì)，以51單片機(jī)為系統(tǒng)的核心控制器，結(jié)合高精度和廉價(jià)的光照傳感器，將檢測(cè)的光照強(qiáng)度以數(shù)值的形式顯示出來(lái)，具有穩(wěn)定性好、精度高和價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。在照度計(jì)的發(fā)展歷史中，早先的照度計(jì)以指針式和數(shù)碼管數(shù)字顯示為主。指針式的照度計(jì)檢測(cè)光照強(qiáng)度的誤差較大，受人為原因干擾大，精度低，逐漸被淘汰。數(shù)碼管照度計(jì)在檢測(cè)精度和顯示功能上也有一定的欠缺，檢測(cè)范圍較小，且數(shù)碼管功耗大，不環(huán)保。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字照度計(jì)，以高精度和能耗低為方向，符合當(dāng)前行業(yè)的使用要求?？偠灾?，設(shè)計(jì)一套高精度、高穩(wěn)定性和價(jià)格低廉的數(shù)字式照度計(jì)，具有較為積極的意義。同時(shí)，作為電子信息工程專業(yè)的學(xué)生，研究和設(shè)計(jì)一套電子化、智能化的光照強(qiáng)度檢測(cè)系統(tǒng)，不僅僅能夠提升自身的科技創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力，還能促進(jìn)照度檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢(shì)國(guó)外對(duì)光照強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)的研究較早。隨著工業(yè)革命的發(fā)展，人工照明發(fā)展迅速，對(duì)光照強(qiáng)度的檢測(cè)需求越來(lái)越大，國(guó)外結(jié)合光度學(xué)理論發(fā)明了光度計(jì)量?jī)x器。在科技的迅猛發(fā)展勢(shì)頭上，國(guó)外的光照強(qiáng)度檢測(cè)儀器經(jīng)過(guò)了不斷的改善歷程，技術(shù)越來(lái)越成熟[3]。在發(fā)達(dá)國(guó)家中，美國(guó)、日本和德國(guó)等國(guó)家生產(chǎn)的照度計(jì)技術(shù)比較成熟，在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛。2012年，日本柯尼卡美能達(dá)公司生產(chǎn)了一款功能多樣且精度高的照度計(jì)L200A，極度熱銷。該款照度計(jì)能夠檢測(cè)出各類光源，特別是能夠?qū)σ恍┨厥獾墓膺M(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)，如發(fā)光二極管光源和有機(jī)電致發(fā)光源。同時(shí)，該款照度計(jì)能夠檢測(cè)出光源的各種特性，如照度、色度和色差等，功能比較強(qiáng)大。2014年，德國(guó)GMC公司生產(chǎn)了一款新型的照度計(jì)MAVOLUX5032，主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中。MAVOLUX5032照度計(jì)具有非常高的精度，達(dá)到了D／N5032CIassC。同時(shí)，該款照度計(jì)檢測(cè)范圍非常廣，能夠檢測(cè)0~200000lx的光照強(qiáng)度范圍，特別是能夠檢測(cè)超強(qiáng)光源。2015年，美國(guó)SP公司上市了一款照度計(jì)AccuMAXXRP.3000，適用于工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中。該款照度計(jì)，不僅僅可以測(cè)量白光強(qiáng)度，還能檢測(cè)紫外光源強(qiáng)度，檢測(cè)功能也比較強(qiáng)大，能夠根據(jù)光源自動(dòng)切換各種量程[4]。國(guó)外照度計(jì)發(fā)展技術(shù)比較成熟，實(shí)現(xiàn)了高精度和功能多樣化，然而，價(jià)格比較昂貴，高達(dá)幾千上萬(wàn)元。國(guó)內(nèi)的照度檢測(cè)技術(shù)起步較晚，從上世紀(jì)六十年代開始起步，但發(fā)展較快。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的照度計(jì)，從剛開始的光探頭安培電流指針表發(fā)展為智能化電子數(shù)字表，技術(shù)越來(lái)越成熟。2008年，我國(guó)江蘇計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所結(jié)合ROM儲(chǔ)存技術(shù)，研制了一款可存儲(chǔ)式的電子照度計(jì)，除了基本的照度檢測(cè)功能外，還增加了多點(diǎn)測(cè)量和存儲(chǔ)功能，能夠根據(jù)光照最大值和最小值計(jì)算出檢測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)的平均值。2014年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所利用無(wú)線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了照度的遠(yuǎn)程測(cè)試，且具有能耗低、便攜式的優(yōu)點(diǎn)[5]。2017年，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院研制了一款手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制照度檢測(cè)的儀器，可通過(guò)多點(diǎn)布置傳感器，利用手機(jī)無(wú)線連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手機(jī)APP實(shí)時(shí)檢測(cè)光照數(shù)據(jù)。中國(guó)照度計(jì)近年來(lái)的發(fā)展方向主要朝著功能多樣化的發(fā)現(xiàn)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)的功能越來(lái)越多。然而，中國(guó)生產(chǎn)的照度計(jì)精度往往較低，相對(duì)于國(guó)外光照檢測(cè)芯片來(lái)說(shuō)，精度和能耗一直是仍需攻克的重點(diǎn)難點(diǎn)。如今，數(shù)字式照度計(jì)一直在各行各業(yè)有廣泛的需求，照度檢測(cè)技術(shù)在不斷創(chuàng)新發(fā)展著。對(duì)于照度檢測(cè)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)主要有以下：檢測(cè)速度快、精度高隨著電子技術(shù)的不斷升級(jí)換代，檢測(cè)速度慢和精度低的照度計(jì)終將淘汰。在未來(lái)，新材料發(fā)展越來(lái)越成熟，新的光照傳感器材料將被合成或發(fā)現(xiàn)，其精度和線性將更好，使得照度計(jì)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)速度快、精度快的特點(diǎn)。更加微型化、智能化便攜式一直是電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)。隨著核心控制芯片微型化、傳感器芯片小型化和pcb技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品的體積將越來(lái)越少，越來(lái)越便攜。同時(shí)，隨著電子器件功能的不斷挖掘，照度計(jì)的功能越來(lái)越多，純照度檢測(cè)的功能已經(jīng)不能滿足人們的需求，多點(diǎn)檢測(cè)、無(wú)線遙控、光性分析等功能將越來(lái)越成熟的應(yīng)用于照度計(jì)中。操作簡(jiǎn)便，抗干擾能力強(qiáng)電子產(chǎn)品的操作將越來(lái)越簡(jiǎn)單易學(xué)，數(shù)字式照度計(jì)也一樣。未來(lái)的數(shù)字式照度計(jì)設(shè)計(jì)，將實(shí)現(xiàn)更好的人機(jī)交互，操作更簡(jiǎn)單。同時(shí)，為了保證光照檢測(cè)的穩(wěn)定性，增加溫度補(bǔ)償、光度修正等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在各種復(fù)雜光源環(huán)境下的檢測(cè)。1.3本文主要工作本文以性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉的單片機(jī)為核心控制器，結(jié)合高精度的光照強(qiáng)度傳感器，設(shè)計(jì)和制作一套可迅速檢測(cè)光照強(qiáng)度和實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能的數(shù)字式照度計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)0-20000lx范圍內(nèi)照度檢測(cè)，精度達(dá)到1lx。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架圖如下圖1-1所示。圖1-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖本文開展工作有以下：第一章介紹了課題的研究背景及意義、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。照度計(jì)在各行各業(yè)均有廣泛的需求，國(guó)內(nèi)外照度檢測(cè)技術(shù)正朝著高穩(wěn)定性、高精度和價(jià)格低廉的方向發(fā)展。第二章介紹了照度計(jì)設(shè)計(jì)方案的選取，包括控制方式、單片機(jī)、照度傳感器、顯示屏等的選取，通過(guò)對(duì)比的科學(xué)研究手段，進(jìn)行了各元器件的性能對(duì)比，制定元器件清單。第三章介紹了照度計(jì)硬件部分的設(shè)計(jì)，包括電源電路、復(fù)位電路、震蕩電路、光照檢測(cè)電路和報(bào)警電路等硬件電路的設(shè)計(jì)。以單片機(jī)結(jié)構(gòu)和各引腳功能為基礎(chǔ)，連接設(shè)計(jì)各硬件電路。第四章介紹了照度計(jì)軟件部分的設(shè)計(jì)，主要包括主程序、照度檢測(cè)子程序、液晶顯示子程序、報(bào)警設(shè)置子程序等。通過(guò)程序流程框圖的形式，介紹各個(gè)程序設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。第五章介紹了照度計(jì)實(shí)物的制作與調(diào)試。針對(duì)制作完成的實(shí)物，開展一系列的硬件上電調(diào)試、軟件調(diào)試和功能實(shí)驗(yàn)。通過(guò)一系列的照度環(huán)境實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)。最后，是本文的結(jié)論，總結(jié)本文的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及不足。

第二章系統(tǒng)方案的選取與分析2.1控制方案的選取方案一：模擬電路控制方模擬電路控制方案主要是利用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和調(diào)控效果，是一種較為傳統(tǒng)的控制方式，主要利用簡(jiǎn)單的電氣元件電路來(lái)達(dá)到功能效果，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，弄的能易于實(shí)現(xiàn)[6]。然而，模擬電路控制方案有很多不足之處，對(duì)于光照強(qiáng)度的檢測(cè)和控制精度不高，可靠性較差，穩(wěn)定性不強(qiáng)，體積較大，實(shí)用性不強(qiáng)。模擬電路實(shí)用元器件較多，能耗高。方案二：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制方系統(tǒng)單片機(jī)控制方法是使用微型核心控制器單片機(jī)為控制要素體現(xiàn)，尺寸小，價(jià)格低廉，功能完善，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可靠性高。單片機(jī)可根據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)各種功能，實(shí)用性強(qiáng)。單片機(jī)設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單，同時(shí)，單片機(jī)的能耗較低[7]。綜合比較，采用方案二中的單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的控制芯片。2.2單片機(jī)的選取方案一：STC89C51單片機(jī)在眾多單片機(jī)中，STC89C51單片機(jī)是發(fā)展最早的一款，相對(duì)使用和技術(shù)都比較成熟，往往更多的是用于大學(xué)生電子電路的計(jì)算中。該款單片機(jī)價(jià)格也比較實(shí)惠便宜，但抗干擾性能大，外圍功能設(shè)計(jì)比較單一，所具有的輸入/輸出I/O口也比較少，僅僅適用于比較簡(jiǎn)單功能的電子電路設(shè)計(jì)中，該芯片在處理控制一些復(fù)雜功能的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)卡頓的狀態(tài)。方案二：STC89C52單片機(jī)隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展下，STC89C52是51的升級(jí)改版，相對(duì)于51系列的單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)核心控制器，多了一組輸入/輸出I/O端口，因此功能相對(duì)強(qiáng)大一些。該款單片機(jī)也有比較明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，在每個(gè)行業(yè)的生產(chǎn)儀器中也使用的比較多。方案三：STM32單片機(jī)用戶對(duì)單片機(jī)性能的要求也逐漸比較高，具有嵌入式功能的STM32單片機(jī)微型核心控制器的邏輯編程性能也比較高，輸入/輸出口也比較多，能夠適用各種復(fù)雜功能的電子電路的設(shè)計(jì)，抗干擾性能也比較好，技術(shù)比較成熟。該芯片具有比較高的集成度，體積變得比較小，但功能比較強(qiáng)大，使用率很高。綜合比較以上的三種方案，本設(shè)計(jì)的高精度數(shù)字照度計(jì)，功能較為復(fù)雜，STC89C51的I/O口不足以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的功能，排除方案一。STC89C52與STM32均能實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的功能，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，STC89C52價(jià)格低廉，故選擇方案二。2.3照度傳感器的選取方案一：光敏電阻傳感器光敏電阻會(huì)隨著光照強(qiáng)度的變化，阻值產(chǎn)生變化。在其兩端加上一定電壓時(shí)，通過(guò)光敏電阻的電流會(huì)隨光照強(qiáng)度的變化而產(chǎn)生變化。光敏傳感器檢測(cè)的光照強(qiáng)度變化量較小，需要搭配功放電路把信號(hào)放大[8]。同時(shí)，該類傳感器輸出的為電流模擬量，需要搭配A/D轉(zhuǎn)換模塊，把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能傳輸?shù)胶诵目刂圃?。因此，光敏電阻傳感器需要搭配放大電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊，設(shè)計(jì)電路相對(duì)復(fù)位。方案二：光電傳感器光電傳感器輸出的是數(shù)字量，能夠直接將采集的照度數(shù)據(jù)直接輸入到核心控制元件，無(wú)需A/D轉(zhuǎn)換模塊，使用簡(jiǎn)便。同時(shí)，光電傳感器集成了放大電路，無(wú)須再外接放大電路。因此，光電傳感器的連接極其簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性能也較好，市面上使用廣泛。綜合以上兩種方案，從電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜性出發(fā)，選擇方案二的光電傳感器。通過(guò)市場(chǎng)上的調(diào)查，本文將選取性能穩(wěn)定、精度較高的BH1750傳感器作為照度計(jì)系統(tǒng)的傳感器。BH1750傳感器如下圖2-1所示。圖2-1BH1750照度傳感器圖BH1750照度傳感器為日本RHOM株式會(huì)社生產(chǎn)的新型照度傳感器，檢測(cè)的光照強(qiáng)度范圍廣，在0~65535lx范圍內(nèi)，精度為1lx。BH1750照度傳感器的結(jié)構(gòu)框圖如下圖2-2所示。圖2-2BH1750照度傳感器結(jié)構(gòu)框圖從結(jié)構(gòu)框圖可容易看出，外部光照被接近人眼反應(yīng)的高精度光敏二極管PD探測(cè)到后，通過(guò)集成運(yùn)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?jǐn)?shù)據(jù)，然后被邏輯和IC界面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)。OSC為內(nèi)部的振蕩器提供內(nèi)部邏輯時(shí)鐘，通過(guò)相應(yīng)的指令操作即可讀取出其內(nèi)部存儲(chǔ)的光照數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸使用標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線，按照時(shí)序要求操作起來(lái)也非常方便。BH1750照度傳感器有5個(gè)引腳，每個(gè)引腳的含義如下：VCC：供給芯片電源電壓，為5VDC；SCL：時(shí)鐘端；SDA：數(shù)字信號(hào)輸出端；ADDR：地址端；GN：接地端。2.4顯示屏的選取方案一：LED數(shù)碼管LED數(shù)碼顯示管利用一些發(fā)光二極管來(lái)進(jìn)行數(shù)字顯示的裝置。按位數(shù)分為1、2、4，該裝置的每一位數(shù)是使用8個(gè)發(fā)光二極管來(lái)進(jìn)行顯示。因此，我們通常把數(shù)字管叫做8分段LED數(shù)字顯示。LED顯示屏簡(jiǎn)單的時(shí)候只用一個(gè)字表示，適用于簡(jiǎn)單的數(shù)字顯示。方案二：LCD1602液晶顯示屏液晶顯示器LCD1602顯示數(shù)字的效果比較清晰，能耗也比較低。在液晶顯示器的使用中，往往依據(jù)該裝置顯示內(nèi)容主要有3個(gè)類型，分別是1行、2行、3行。液晶顯示器LCD1602與單片機(jī)配合使用，功能較為強(qiáng)大，能夠顯示比較多的內(nèi)容，適合于一些較為復(fù)雜的電子電路。根據(jù)本文的設(shè)計(jì)要求，照度計(jì)需要顯示當(dāng)前測(cè)試值、報(bào)警上限值和報(bào)警下限值，需要顯示內(nèi)容較多，選取方案二LCD1602液晶顯示屏。2.5元器件清單的選取根據(jù)上述方案的選取，本文設(shè)計(jì)的數(shù)字照度計(jì)以STC89C52單片機(jī)為核心控制芯片，選取BH1750為光照強(qiáng)度傳感器，LCD1602為液晶顯示屏。為實(shí)現(xiàn)照度計(jì)系統(tǒng)的檢測(cè)與報(bào)警的功能，還需要選取一些常見的元器件。數(shù)字照度計(jì)元器件清單如下表2-1所示。圖2-1元器件清單選取表序號(hào)名稱編號(hào)備注1電源插孔JP15V供電2自鎖開關(guān)K0通電后按下，電源接通。3電阻R0330~1000歐姆都適用。4LED發(fā)光二極管D0區(qū)分陰陽(yáng)極（顏色隨機(jī)）。5輕觸開關(guān)K1K2K3區(qū)分焊接引腳。6BH1750光照度傳感器JP2區(qū)分引腳名稱。7電解電容C1區(qū)分正負(fù)極。8輕觸開關(guān)S0區(qū)分焊接引腳。9電阻R1330~1000歐姆都適用。10瓷片電容C2C322PF或者30PF都適用。11晶振Y112M/11.0592MHz都適用。12單片機(jī)U1區(qū)別引腳編號(hào)。13電阻排RB1區(qū)別引腳4.7K歐姆14LED發(fā)光二極管D1D2區(qū)分陰陽(yáng)極（兩種不同顏色LED）。15電阻R2R3330~1000歐姆都適用。16電位器R5區(qū)別引腳，10K或者20K歐姆均可。171602液晶顯示屏J1區(qū)別引腳編號(hào)和名稱18電阻R4330~1000歐姆都適用。19蜂鳴器U2區(qū)別引腳，5V有源蜂鳴器。20三極管Q1區(qū)別極性，型號(hào)8550。第三章硬件電路設(shè)計(jì)3.1主控電路的設(shè)計(jì)主控電路是單片機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，主要由單片機(jī)芯片、電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和功能電路組成。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)STC89C52單片機(jī)各個(gè)引腳的功能來(lái)設(shè)計(jì)各個(gè)電路。STC89C52單片機(jī)如下圖3-1所示。圖3-1FX1N—40MR如上圖3-1上所示的STC89C52單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖中，設(shè)計(jì)與定義單片機(jī)各個(gè)端口的功能，如下所示：（1）VCC：電源供應(yīng)；（2）GND：系統(tǒng)接地；（3）XTAL1、XTAL2：兩端口引接時(shí)鐘電路，抑制系統(tǒng)的震蕩；（4）RST：引接復(fù)位電路，按鍵恢復(fù)系統(tǒng)原始狀態(tài)；（5）P14：功能端口，引接蜂鳴電路；（6）P34~P37:4個(gè)功能按鍵電路接口；（7）P10~P12：引接DS1302時(shí)鐘電路；（8）P00~P07：引接LCD液晶顯示電路。3.2電源電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)的電源電路主要功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電能供應(yīng)，該電路的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)各電路所需電源電壓等級(jí)來(lái)確定。在本系統(tǒng)中，主要供應(yīng)電源的有以下幾部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)芯片、復(fù)位電路、照度傳感器芯片電路、液晶顯示屏電路、蜂鳴報(bào)警電路和信號(hào)指示燈電路，均為5VDC電壓。為簡(jiǎn)化電源電路的設(shè)計(jì)，采用外接5VDC電壓的方法實(shí)現(xiàn)電源的供應(yīng)，5VDC電源電壓可通過(guò)普通的手機(jī)充電器（電源適配器）即可實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的外接電源基座，如下圖3-2所示。根據(jù)圖3-2，JP1為電源基座，引腳USB斷口5VDC電源；K0為電源開關(guān)，控制電路的得電和失電；VCC為供給各路電源電壓；R0、D0串聯(lián)配合為電源電壓指示。圖3-2電源電路設(shè)計(jì)圖3.3復(fù)位電路的設(shè)計(jì)在單片機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，復(fù)位電路的主要作用是取消裝置當(dāng)前的動(dòng)作功能，保持初始狀態(tài)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)位電路設(shè)計(jì)圖如圖3-3所示。按下圖中S0按鍵，系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)。圖3-3復(fù)位電路設(shè)計(jì)圖3.4時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，會(huì)在單片機(jī)的固定引接端口中增加一個(gè)時(shí)鐘電路，能夠抑制系統(tǒng)的振蕩。如圖3-4所示，XTAL1和XTAL2的兩個(gè)引腳端口之間的就是時(shí)鐘電路。本設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路應(yīng)在任何情況下保證單片機(jī)核心控制器在處理溫度數(shù)據(jù)上保持穩(wěn)定，這就必須使得圖中所示的Y1石英晶體、C2電容器和C3電容器的參數(shù)滿足抑制振蕩的要求。根據(jù)常規(guī)單片機(jī)設(shè)計(jì)要求，選取與Y1的參數(shù)為11.0592MHz，C2電容器的參數(shù)為30PF，C3電容器的參數(shù)為30PF。圖3-4時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)圖3.5按鍵電路的設(shè)計(jì)為按鍵電路的設(shè)計(jì)主要根據(jù)系統(tǒng)的功能，確定按鍵數(shù)量，定義按鍵的功能。按鍵電路設(shè)計(jì)圖如下圖3-5所示。k1按鍵為報(bào)警設(shè)置鍵及退出鍵，連接單片機(jī)的P10端口；k2按鍵為加操作鍵，連接單片機(jī)的P11端口；k3按鍵為減操作鍵，連接單片機(jī)的P12端口。P12P11P10P12P11P10圖3-5按鍵電路設(shè)計(jì)圖3.6顯示電路的設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的數(shù)字式照度計(jì)，采用LCD1602液晶顯示器作為系統(tǒng)的顯示屏，該電路的設(shè)計(jì)圖如下圖3-6所示。圖3-6顯示電路設(shè)計(jì)圖3.7照度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)照度檢測(cè)電路以BH1750照度傳感器為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)其各端口與單片機(jī)連接。照度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)圖如下圖3-7所示。JP2為BH1750照度傳感器基座，1端口連接VCC電源5VDC電壓，2端口SCL時(shí)鐘端連接單片機(jī)P13端口，3端口SDA連接單片機(jī)P14端口，4端口ADDR制空，2端口GD接地。P140P140P130圖3-7照度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)圖3.8信號(hào)指示燈電路和蜂鳴報(bào)警電路的設(shè)計(jì)信號(hào)指示燈電路如下圖3-8所示，蜂鳴報(bào)警電路如下圖3-9所示。當(dāng)光照度過(guò)高，達(dá)到上限報(bào)警值時(shí)，D1紅色LED燈亮，發(fā)出蜂鳴報(bào)警聲；當(dāng)光照度過(guò)高，達(dá)到下限報(bào)警值時(shí)，D2藍(lán)色LED燈亮，發(fā)出蜂鳴報(bào)警聲。P20P16P1P20P16P15圖3-8信號(hào)指示燈電路設(shè)計(jì)圖圖3-9蜂鳴報(bào)警電路設(shè)計(jì)圖

第四章軟件程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)主程序智能型線路系統(tǒng)需要完善多種功能，除了以硬件結(jié)構(gòu)為基本外，還需要一致的驅(qū)動(dòng)器。特別是在微型電子技術(shù)快速開發(fā)的現(xiàn)代時(shí)代，整合的結(jié)構(gòu)和硬件的全面界面。此系統(tǒng)根據(jù)硬件回路的照度檢測(cè)、按鍵設(shè)置信號(hào)，利用軟件驅(qū)動(dòng)程序，輸出照度顯示、聲光報(bào)警的功能。軟件軟件是用C語(yǔ)言編寫而成的，C語(yǔ)言是高級(jí)語(yǔ)言，可視性強(qiáng)，使用起來(lái)更加柔軟。程序完成后，計(jì)算機(jī)只能識(shí)別機(jī)器語(yǔ)言，因此編譯軟件后，C語(yǔ)言將變?yōu)闄C(jī)器語(yǔ)言。該軟件可通過(guò)模塊式編程方法制作成C語(yǔ)言，接下來(lái)進(jìn)行相應(yīng)各個(gè)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。4.1主程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)主程序框架圖如下圖4-1所示。圖4-1系統(tǒng)主程序流程圖如上圖4-1所示，在主程序設(shè)計(jì)中，首先，接收照度傳感器采集的照度數(shù)據(jù)，設(shè)置系統(tǒng)的照度上限值和下限值，將采集的照度與上限值和下限值比較。若照度傳感器采集到的照度高于一開始設(shè)置的照度上限值時(shí)，則紅燈亮，發(fā)出蜂鳴報(bào)警聲；低于一開始設(shè)置的照度下限值時(shí)，則綠燈亮首先，接收照度傳感器采集的照度數(shù)據(jù)，設(shè)置系統(tǒng)的照度上限值和下限值，將采集的照度與上限值和下限值比較。若照度傳感器采集到的照度高于一開始設(shè)置的照度上限值時(shí)，則紅燈亮，發(fā)出蜂鳴報(bào)警聲；低于一開始設(shè)置的照度下限值時(shí)，則綠燈亮，發(fā)出蜂鳴報(bào)警聲。4.2系統(tǒng)讀出照度子程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)讀出照度子程序設(shè)計(jì)框架圖如下圖4-2所示。在程序中，使用BH1750傳感器檢測(cè)照度，主要感應(yīng)照度感知能力在ROM中，字節(jié)在ROM中被讀出來(lái)。9字節(jié)可以存儲(chǔ)并讀取該字節(jié)的溫度信息，并在CRC檢測(cè)后讀取溫度值。閱讀BH1750的內(nèi)部數(shù)據(jù)時(shí)要求非常嚴(yán)格，時(shí)間要求嚴(yán)格遵守BH1750。首先將BH1750重放，以便讀取照度。接到命令后，BH1750就開始將裝有溫度信息的字節(jié)用單片機(jī)傳送出去，其中傳輸方式為高位狀態(tài)，整數(shù)為12字節(jié)，其中包括7個(gè)整數(shù)和4個(gè)質(zhì)數(shù)。最后，MCU整合處理這些數(shù)據(jù)，并在LCD畫面顯示溫度。圖4-2系統(tǒng)讀出照度子程序設(shè)計(jì)流程圖4.3按鍵設(shè)置子程序設(shè)計(jì)如圖4-3所示為系統(tǒng)按鍵設(shè)置子程序流程圖。按鍵程序設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)用戶與檢測(cè)設(shè)備溝通，可通過(guò)按鍵操作，實(shí)現(xiàn)照度上限值和下限值的設(shè)置，滿足功能要求。在程序流程中，首先在定時(shí)器界面上實(shí)時(shí)掃描“設(shè)置”K1按鈕。只要按下“設(shè)置”K1按鈕，定時(shí)器便能察覺(jué)到；如果不按“設(shè)置”K1按鈕，系統(tǒng)將處于正常照度測(cè)量模式和模式0。如果按下“設(shè)置”K1按鈕，系統(tǒng)將會(huì)以設(shè)定模式1和照度上限的狀態(tài)啟動(dòng)，然后再按“設(shè)置”K1按鈕，進(jìn)入模式2和照度設(shè)定狀態(tài)，再按“設(shè)置”K1按鈕就會(huì)恢復(fù)正常狀態(tài)。當(dāng)按下“K2”鍵時(shí)，與“K3”鍵連接的單片機(jī)IO端口將會(huì)全部關(guān)閉。此時(shí)單片機(jī)就決定了這一模式的設(shè)置。在程序流程圖中，通過(guò)上述的設(shè)計(jì)，使按鍵能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：每點(diǎn)擊一次“K2”，實(shí)現(xiàn)照度設(shè)置值每增加50lx；每點(diǎn)擊一次“K2”，實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)置值每減少50lx。圖4-3按鍵設(shè)置子程序設(shè)計(jì)流程圖4.4液晶顯示子程序設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，液晶顯示屏顯示的子程序流程圖如下圖4-4所示。液晶顯示屏LCD1602的通信協(xié)議使用連接簡(jiǎn)便，采用8位并聯(lián)通信協(xié)議。第一個(gè)是初始化(LCD1602)，將溫度信號(hào)數(shù)據(jù)填寫，發(fā)出指示命令，緊接著再設(shè)定一個(gè)標(biāo)示坐標(biāo)，才能索引本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中檢測(cè)到的溫度的整個(gè)字體，調(diào)用相應(yīng)文字的代碼，然后在標(biāo)示畫面中顯示該文字。如果第一個(gè)字符被標(biāo)記出來(lái)，將按照同樣的提示原則顯示出來(lái)，當(dāng)下一個(gè)字符被標(biāo)記為全部文字時(shí)，停止顯示。圖4-4液晶顯示子程序設(shè)計(jì)流程圖4.5照度超標(biāo)報(bào)警子程序設(shè)計(jì)照度超標(biāo)報(bào)警子程序設(shè)計(jì)流程圖如下圖4-5所示。系統(tǒng)接收到照度傳感器采集的照度數(shù)據(jù)，將采集的照度與設(shè)置的照度上限值及下限值相比較。若照度傳感器采集到的照度高于一開始設(shè)置的照度上限值時(shí)，則紅燈亮，發(fā)出蜂鳴報(bào)警聲；低于一開始設(shè)置的照度下限值時(shí)，則綠燈亮，發(fā)出蜂鳴報(bào)警聲。圖4-5照度超標(biāo)報(bào)警子程序設(shè)計(jì)流程圖

第五章實(shí)物的制作與調(diào)試基于單片機(jī)的數(shù)字照度計(jì)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、焊接制作后，以實(shí)物的形式展現(xiàn)，實(shí)物圖如下圖5-1所示。實(shí)物焊接完成后，將進(jìn)行一系列的系統(tǒng)功能調(diào)試。實(shí)物的系統(tǒng)功能調(diào)試中，主要分為硬件部分調(diào)試、軟件部分調(diào)試和功能實(shí)驗(yàn)調(diào)試。圖5-1單片機(jī)數(shù)字照度計(jì)實(shí)物圖5.1實(shí)物上電調(diào)試實(shí)物的硬件部分調(diào)試分為2步，分別上電觀察和靜態(tài)調(diào)試。第一步是上電觀察，給線路提供電源，檢查設(shè)備是否有煙霧，是否有異味等不正常的現(xiàn)象，若出現(xiàn)不正常現(xiàn)象時(shí)則馬上切斷電源，等到錯(cuò)誤解決時(shí)再打開電源。第二步是靜態(tài)調(diào)試，在信號(hào)輸入中添加固定等級(jí)的信號(hào)并進(jìn)行DC測(cè)試后，使用萬(wàn)用表測(cè)驗(yàn)各個(gè)地點(diǎn)的電位，然后與理論推測(cè)相比較，將電路分析原理相結(jié)合。確保電路DC正常工作，受損或重大啟動(dòng)狀態(tài)下的電路組件及時(shí)找到。然后更換組件或調(diào)整電路的每個(gè)變量，電路啟動(dòng)時(shí)就能滿足整個(gè)設(shè)計(jì)的要求。通過(guò)以上硬件部分的調(diào)試步驟，各步驟均能滿足要求。在上電觀察中，電源能夠正常供電，未有煙霧、異味等異常情況；在靜態(tài)調(diào)試中，用萬(wàn)用表測(cè)得得各個(gè)地點(diǎn)的電位均與理論推測(cè)值一致，滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)物的軟件部分調(diào)試時(shí)，在將編譯程序應(yīng)用到實(shí)際操作前，可以通過(guò)手動(dòng)或編譯程序進(jìn)行事前測(cè)試，修改語(yǔ)法和邏輯錯(cuò)誤。在軟件部分調(diào)試時(shí)，主要分為以下步驟：第一步：根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，編制一系列影響的程序，檢查程序無(wú)語(yǔ)法等錯(cuò)誤時(shí)，然后把程序燒錄到已經(jīng)焊接完畢的單片機(jī)芯片中。第二步：根據(jù)實(shí)際的功能要求，利用軟件模擬不同的光照程序，查看單片機(jī)程序是否能夠做出相應(yīng)的動(dòng)作。經(jīng)過(guò)以上步驟的軟件調(diào)試，未發(fā)現(xiàn)因軟件編輯問(wèn)題導(dǎo)致的運(yùn)行錯(cuò)誤，模擬運(yùn)行均能可靠進(jìn)行。5.2實(shí)物功能實(shí)驗(yàn)本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)物已經(jīng)經(jīng)過(guò)了以上的硬件部分調(diào)試和軟件部分調(diào)試后，接下來(lái)要進(jìn)行比較全面的聯(lián)合調(diào)試，用以檢測(cè)本設(shè)計(jì)是否能夠完全實(shí)現(xiàn)所有的功能要求。功能實(shí)驗(yàn)方案如下：照度計(jì)上電，利用K1、K2、K3鍵設(shè)置照度報(bào)警上限值與下限值，上限值為1000lx，下限值為500lx；準(zhǔn)備兩款精度校準(zhǔn)準(zhǔn)確的照度計(jì)，設(shè)置2個(gè)照度檢測(cè)參照組；制作一個(gè)檢測(cè)光照強(qiáng)度的紙箱，能夠容納3個(gè)照度計(jì)，紙箱三面為全封閉，其中一面可調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度；利用紙箱設(shè)置10組光照強(qiáng)度，分別將3個(gè)照度計(jì)置于紙箱中，3個(gè)照度計(jì)均做好標(biāo)記，分別為對(duì)照組1、對(duì)照組2和實(shí)驗(yàn)組，查看和記錄各組照度檢測(cè)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)組報(bào)警動(dòng)作情況。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表5-1所示。表5-1照度計(jì)功能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表組別對(duì)照組1/lx對(duì)照組2/lx實(shí)驗(yàn)組/lx警示燈蜂鳴器1214214215藍(lán)燈亮報(bào)警2278277278藍(lán)燈亮報(bào)警3366368367藍(lán)燈亮報(bào)警4502504504燈未亮未報(bào)警5598601599燈未亮未報(bào)警6677677679燈未亮未報(bào)警7846847847燈未亮未報(bào)警8100710061008紅燈亮報(bào)警9123212351232紅燈亮報(bào)警10146814701467紅燈亮報(bào)警根據(jù)表1照度計(jì)功能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)組檢測(cè)的照度值與對(duì)照組1、對(duì)照組2基本一致；當(dāng)照度檢測(cè)值在下限值500lx以下時(shí)，發(fā)出蜂鳴報(bào)警，藍(lán)燈亮；當(dāng)當(dāng)照度檢測(cè)值在上限值1000lx以上時(shí)，發(fā)出蜂鳴報(bào)警，紅燈亮。綜合以上的照度數(shù)據(jù)及動(dòng)作情況，實(shí)物能夠滿足初設(shè)的功能要求，實(shí)驗(yàn)合格。

結(jié)束語(yǔ)本文以單片機(jī)微型核心控制技術(shù)為基礎(chǔ)，選取STC89C52單片機(jī)為核心控制芯片，結(jié)合BH1750照度傳感器，實(shí)現(xiàn)了高精度的光照強(qiáng)度檢測(cè)，當(dāng)所測(cè)照度大于所設(shè)置的上限指標(biāo)值或小于所設(shè)置的下限指標(biāo)值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。在全文中，開展了系統(tǒng)方案的選取、硬件部