1、摘要隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶動下的物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能家居逐漸開始迅猛發(fā)展。照明 作為家庭用電中的重要部分， 智能照明也擁有廣闊的發(fā)展前景。 而且隨著人們對 能源節(jié)約的越來越深入人心的認(rèn)識， 設(shè)計一種可以隨著光照強(qiáng)度的變化來調(diào)節(jié)自 身亮度的照明設(shè)備顯得很有必要。針對這一問題，本設(shè)計采用光照傳感器模塊采集環(huán)境光照強(qiáng)度，然后利用 STC89C51單片機(jī)對燈光亮度進(jìn)行控制，完成了光照強(qiáng)度的實時檢測與顯示，同 時可對燈光進(jìn)行相應(yīng)的亮度調(diào)節(jié)， 完成了各功能模塊的硬件電路設(shè)計和軟件程序 編寫，最后用 Proteus 進(jìn)行了模擬仿真。仿真結(jié)果表明該設(shè)計實現(xiàn)了光照強(qiáng)度的 實時檢測與顯示并能對燈光亮度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。關(guān)鍵詞

2、： 智能照明；光照強(qiáng)度檢測； STC89C51； 燈光自動控制；AbstractWith the development of Internet technology, the smart home is beginning to develop rapidly.As an important part of the household,intelligent illumination also has a huge development prospect.And as the understanding of energy saving is deeply rooted in people

3、s mind, designing a kind of light which can change its light intensity with the surrounding is very necessary.In order to solve this problem, this design uses the light sensor module to collect environmental light intensity and then use STC89C51 microcontroller to control the light brightness.Comple

4、ted the real-time detection and display for the light intensity, and to adjust the brightness of the lighting accordingly a system of the design of the hardware system and software program. After the simulation with the Proteus. The simulation results show that the design realizes the real-time dete

5、ction and display of the light intensity and can adjust the brightness of the light.Keywords：Intelligent lighting ；Light intensity test；STC89C51；Automatic lighting controlII目錄 TOC o 1-5 h z 摘 要 I目 錄 III HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 緒論 - 1 - HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 課題研究的背

6、景及意義 . - 1 - HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 國外研究現(xiàn)狀 . - 2 -1.4 本設(shè)計主要內(nèi)容 . - 3 - HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 方案分析 - 4 -光照傳感器的方案分析 . - 4 - HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 調(diào)光方式的方案分析 . - 4 - HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 硬件設(shè)計 - 6 - HYPERLINK l bookmark20 o Cu

7、rrent Document 硬件選型及電路設(shè)計 . - 6 -單片機(jī) - 6 -晶振電路 - 7 -復(fù)位電路 - 8 -光照強(qiáng)度傳感器 - 8 -顯示電路 - 10 -調(diào)光電路 - 11 -3.2 整體電路設(shè)計 . - 12 -軟件設(shè)計 - 13 -系統(tǒng)軟件功能 . - 13 -程序調(diào)試 . - 14 -仿真分析 . - 16 -致 謝 - 23 -參 考 文 獻(xiàn) - 24 -附錄：程序代碼 - 26 -III1 緒論課題研究的背景及意義電燈是人類最偉大的發(fā)明之一。 自從有了電燈， 人類就沒有了對黑夜的恐懼。 自從有了電燈， 人類就增添了光明的信心。 自從愛迪生發(fā)明第一盞炭絲白熾燈以 來，電

8、燈光源經(jīng)歷了由白熾燈到低氣壓氣體放電燈，到 HID 高強(qiáng)度氣體放電燈， 再到 LED 發(fā)光二極管的演變。電燈光源演變的動力基本在于更高的亮度需求， 更低的能耗要求等等。隨著科學(xué)水平的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人們對能源的需求量愈來愈大 1 。而受 限于目前大比例使用的化石能源的不可取代性。 能源的節(jié)約與合理利用成為社會 科學(xué)中迫切需求的研究課題。 在能量消耗之中， 照明所消耗的電量在每一個國家 的用電總量中都占比較大的比例。 據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計， 照明應(yīng)用消耗的能源大約占 全球消耗總能源的 19%2 。其中我國每年照明消耗的電量占全國總耗電量的 12%；隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，照明用電量還在以大約每年

9、5%的速度增長。在很多使用照明設(shè)備場合， 由于大多數(shù)照明設(shè)備燈光不可調(diào)節(jié)， 所以產(chǎn)生許 多不必要的能量浪費(fèi)和由此產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失。 因此設(shè)計一種可以隨著外界光照強(qiáng) 度變化來調(diào)節(jié)照明設(shè)備的照明強(qiáng)弱的系統(tǒng)具有重大深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和社會意義。 在眾多照明設(shè)備中， LED 燈比其他比如熒光燈，節(jié)能燈、高壓，鈉燈等更容易 實現(xiàn)而且能耗也更低 3 。現(xiàn)階段社會公民的節(jié)能意識的淡薄，造成了電能的極度浪費(fèi)，一般存在以下 幾種浪費(fèi)現(xiàn)象：由于我國大多數(shù)人的節(jié)能意識還很淡薄， 對能源的使用很隨意。 而且由于在陽光照射條件人眼對照明設(shè)備發(fā)出的相對微弱的光不很敏感， 在自然 光照的條件下， 人們往往不太容易覺察到燈光的存在

10、， 因此， 設(shè)計一種可以進(jìn)行 光照強(qiáng)度自動調(diào)節(jié)的系統(tǒng)可以在很大程度上方便我們的生活； 樓道里安裝的燈 在不需要時往往并不引人注意， 而且也由于其使用情況的隨機(jī)性， 也并太容易對 其進(jìn)行很好的控制 4 。如果樓道里安裝的燈能在有人或者無人的條件下自動調(diào)節(jié) 燈光光照強(qiáng)度，將促使我們在生活的點點滴滴上注意節(jié)約能源； 從全國范圍來看， 這些也同樣是對電力資源的一種極大的浪費(fèi)， 同時， 這種有形和無形的浪費(fèi)， 給 社會越來越帶來了沉重的負(fù)擔(dān)，不利于社會的可持續(xù)發(fā)展 5 ?？偟膩碚f， 一個好的光照度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以改善工作環(huán)境， 提高工作效率； 一個好的光照自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)也可以為我們提供一個良好的節(jié)能效果，

11、 并且可以延 長燈具使用壽命； 一個好的光照度自動控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以提高管理水平； 一個好 的光照度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)還可以產(chǎn)生較好的投資收益效果 6 。因此，設(shè)計一個高效 的光照度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)是有意義而且有需要的。1.2 國外研究現(xiàn)狀目前在全球范圍內(nèi)， 丹麥一直走在能源的利用與節(jié)約前列。 其在能源利用與 節(jié)約方面的成功經(jīng)驗給我們提供了一個很好的借鑒。 他們不斷地建設(shè)或經(jīng)自主研 發(fā)或由國外引進(jìn)的先進(jìn)節(jié)能照明及供熱系統(tǒng)。 政府及其注重家庭耗電和公共照明 的節(jié)約，并且規(guī)定了許多各類住房節(jié)能目標(biāo)的硬性指標(biāo)。 該國統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示， 所 有居民入住未裝有各種節(jié)能裝置的房屋時， 他們最終將會花費(fèi)比擁有節(jié)能方案的 同

12、類房屋高出 8%的費(fèi)用 7 。該國的節(jié)能項目經(jīng)驗教訓(xùn)在已經(jīng)歐盟國家中廣為流 傳。國外研究并成功開發(fā)的智能照明及控制系統(tǒng)， 按照網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢詾榧惺胶?分布式。集中式主要為星狀結(jié)構(gòu)， 該結(jié)構(gòu)以中央節(jié)點為控制核心， 把其他節(jié)點全 部連接起來。 其中所有的照明控制器、 信息采集器和控制面板等都在中央節(jié)的控 制器上，由中央控制器向周圍的執(zhí)行單元發(fā)送指令從而來調(diào)節(jié)設(shè)備的發(fā)光情況； 與之相對應(yīng)的另一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為分布式， 該系統(tǒng)以中央節(jié)點來統(tǒng)籌全局， 組建起 主干網(wǎng)絡(luò)和若干子網(wǎng) 8 。各個設(shè)備都有獨(dú)立的信息處理及邏輯控制單元，顯示和 控制部分直接連在子網(wǎng)，從而有更加高效的調(diào)節(jié)速率。1.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀在我國

13、目前還不太成熟的市場中， 盡管智能照明及其控制設(shè)備發(fā)展前景十分 廣闊，但受限于當(dāng)前市場環(huán)境條件和由于未能普及所造成的價格較高等特點， 智 能照明及其控制設(shè)備目前在我國仍未得到較大面積的推廣和使用。 而且目前社會 仍缺少智能照明及其光照控制產(chǎn)品的消費(fèi)意識， 商家和廠家也未對其進(jìn)行及時的 宣傳，因此我國當(dāng)前的智能照明仍具有較大發(fā)展前景 9 。然而，智能照明設(shè)備對 于國內(nèi)目前的消費(fèi)水平仍顯得有些奢侈， 智能照明設(shè)備的價格十分高昂， 相比其 節(jié)約的能源，民眾還是難以負(fù)擔(dān)智能照明設(shè)備相比傳統(tǒng)照明設(shè)備產(chǎn)生的額外費(fèi) 用，所以智能照明產(chǎn)品及控制設(shè)備在當(dāng)今社會上還難以真正實現(xiàn)大規(guī)模普及。 國 內(nèi)智能照明行業(yè)已逐

14、步興起， 海爾、瑞郎等都已投入大量精力于智能照明和相關(guān) 設(shè)備的研發(fā) 10 。隨著互聯(lián)網(wǎng)時代的到來， 以及現(xiàn)代通信技術(shù)等一系列先進(jìn)技術(shù)的 發(fā)展，人們越來越重視數(shù)字化家居。智能照明及設(shè)備作為智能家居的重要部分， 能在很大程度上促進(jìn)家居智能化的發(fā)展， 隨著智能家居的熱潮， 智能照明市場也 漸漸有興旺發(fā)展的勢頭。 鑒于當(dāng)前發(fā)展勢頭， 智能照明設(shè)備和技術(shù)將很快走進(jìn)人 們身邊11 。1.4 本設(shè)計主要內(nèi)容 本設(shè)計以外界環(huán)境光照強(qiáng)度的實時檢測及燈光光照強(qiáng)度的控制為研究方向， 研究了各種目前可行的數(shù)據(jù)采集方案和燈光光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)方式， 經(jīng)分析比較最 后確定了合適的方案。 設(shè)計了一個以 STC89C51 單片機(jī)

15、為核心的控制電路， 用羅 姆半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 BH1750FVI 型光照強(qiáng)度傳感器進(jìn)行外界環(huán)境光照強(qiáng)度信息 的獲取，通過 I 2C 總線將光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)信息送給單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)處理后，通 過 LCD1602 液晶進(jìn)行當(dāng)前光照強(qiáng)度的顯示，并根據(jù)采集到的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行 判斷，調(diào)節(jié)通電發(fā)光二極管的數(shù)量，從而實現(xiàn)自動光照調(diào)節(jié)。本文主要內(nèi)容如下：第 1 章主要介紹了光照自動調(diào)節(jié)設(shè)備及技術(shù)的研究背景， 其在國內(nèi)和國外的 研究發(fā)展?fàn)顩r等，為本設(shè)計提供了相關(guān)理論依據(jù)和應(yīng)用前景分析。第2 章主要介紹了系統(tǒng)擬采用的光照強(qiáng)度信息獲取方案的選擇及調(diào)光方案的 選擇，詳細(xì)分析比較了各種方案的優(yōu)缺點，并最終確定了本設(shè)計所

16、采用的方案。第 3 章主要介紹了本系統(tǒng)所采用的硬件電路， 完成了從各元器件的選則到各 模塊原理圖的繪制，以及整個系統(tǒng)的搭建。第 4 章主要介紹了本系統(tǒng)控制程序的編寫編譯和仿真， 并對所得結(jié)果進(jìn)行了 詳細(xì)的分析。方案分析光照傳感器的方案分析 信息是控制的前端，只有獲取目標(biāo)信息后才能對系統(tǒng)進(jìn)一步進(jìn)行控制。為了 控制燈光亮度， 本系統(tǒng)需要采集外界光照強(qiáng)度信息， 獲取該信息后下才能繼續(xù)之 后的信息處理及燈光控制工作，故而需研究與討論光照強(qiáng)度信息的獲取方式。方案一：光敏電阻器 光敏電阻器主要由半導(dǎo)體光電晶體組成。當(dāng)有陽光照射到光電晶體表面時， 該晶體內(nèi)的載流子數(shù)量將會隨光照強(qiáng)度的增加而隨之增長， 與此同

17、時電導(dǎo)率會隨 之增強(qiáng) 11。光敏電阻器本質(zhì)上就是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)而制成的一種阻值會隨 入射光的變化而變化的可變電阻器。 當(dāng)入射光的光照強(qiáng)度大時， 阻值將下減， 當(dāng) 入射光的光照強(qiáng)度小時， 阻值會變大。 將其與一已知且固定阻值的電阻串聯(lián)接入 電路，就可以根據(jù)其分壓值的變化來測量光照強(qiáng)度的對應(yīng)改變。 但其輸出的電壓 信號是模擬信號， 還需繼續(xù)增加一模數(shù)轉(zhuǎn)換， 并需要對硬件進(jìn)行不斷調(diào)試， 而且 還需要對不同的光照強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)定，增加了成本和難度，且可靠性較低。方案二：光照強(qiáng)度傳感器 成熟的商業(yè)光照強(qiáng)度采集模塊的內(nèi)部集成了傳感器、調(diào)理電路、放大電路和 模數(shù)轉(zhuǎn)換。擁有精度高，可靠性好，實時性優(yōu)，性價比

18、高等諸多優(yōu)點 12。目前已經(jīng)商業(yè)化的光照采集模塊有 Intersil 公司生產(chǎn)的 ISL29033，羅姆半導(dǎo) 體生產(chǎn)的 BH1750FVI ， On Electronics 公司生產(chǎn)的 On9658等等。這種類型傳感 器具有片內(nèi)高集成度， 很強(qiáng)的可靠性， 和高性價比的特點， 能夠?qū)崟r監(jiān)測光強(qiáng)并 將數(shù)據(jù)傳遞給控制芯片。依據(jù)以上比較，在能夠達(dá)到目的的條件下，方案二中的 BH1750FVI 是更加 合適的方案。故本設(shè)計中采用羅姆半導(dǎo)體生產(chǎn)的 BH1750FVI 作為光照強(qiáng)度采集 模塊。調(diào)光方式的方案分析目前光照調(diào)光方案有模擬調(diào)光、可控硅調(diào)光和控制點亮 LED 數(shù)量調(diào)光三種 方案。下文會以這三種方案來

19、展開分析：方案一：模擬調(diào)光模擬調(diào)光的原理是通過改變電流的強(qiáng)弱，來實現(xiàn)改變燈的亮度 13 。普遍采 取的實現(xiàn)方法有兩種： 其一是調(diào)節(jié)與燈串聯(lián)的限流電阻 Rs 的大小，從而實現(xiàn)調(diào) 節(jié)電流的目的；其二是采取控制電流調(diào)節(jié)芯片的模擬調(diào)光功能引腳來控制輸出電 流的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)燈光亮度。模擬調(diào)光具有一個很大的缺點： 驅(qū)動器的能量利用效率會隨輸出電流的減小 大幅度下降， 而這必將使整體耗能加大， 使能源利用的效率下降， 不符合節(jié)能趨 勢。再有由于燈光的電流和色溫之間存在著相關(guān)關(guān)系， 因而燈光色溫會隨著電流 的變化而產(chǎn)生變化 14。因此在許多對燈光顏色有要求的條件下，不適宜運(yùn)用模 擬調(diào)光。方案二：可控硅調(diào)光三

20、端雙向可控硅是一個電壓驅(qū)動開關(guān)， 其工作原理是通過與其并聯(lián)的滑動變 阻器調(diào)節(jié)其兩端電壓從而控制其兩端電壓， 進(jìn)而控制其開關(guān)動作。 通過迅速的開 關(guān)動作來調(diào)節(jié)燈光的總體亮度 15 。因此采用可控硅會使燈產(chǎn)生 100Hz 的頻閃， 對人眼健康不利， 要想去掉頻閃則需要增加負(fù)載調(diào)節(jié)電路， 而這必將使驅(qū)動器的 能量利用效率下降，也與節(jié)能的出發(fā)點不合。 方案三：通過控制導(dǎo)通的 LED 數(shù)量控制亮度每個 LED 亮度基本相同，因此可以在需要高光強(qiáng)的情況下增加導(dǎo)通 LED 數(shù) 目，在不需要高光強(qiáng)的情況下減少導(dǎo)通 LED 數(shù)目。 LED 具有亮度高，價格低， 控制簡單的優(yōu)點。根據(jù)以上分析可以得出， 最簡單易行

21、且可靠的調(diào)光方案是通過控制導(dǎo)通 LED 的數(shù)量調(diào)光。硬件設(shè)計3.1 硬件選型及電路設(shè)計本設(shè)計采用 BH1750FVI 來獲取當(dāng)前外界環(huán)境的光強(qiáng)度信息，得到的信息送 給 STC89C51 單片機(jī)處理。處理后的數(shù)據(jù)會通過 LCD1602 進(jìn)行實時顯示，此即 為外界的光照強(qiáng)度。 同時單片機(jī)將該光照強(qiáng)度值與初設(shè)數(shù)值來對比， 根據(jù)對比結(jié) 果來調(diào)節(jié)導(dǎo)通 LED 燈的數(shù)量，從而實現(xiàn)燈光的控制。硬件電路框圖如圖 3.1 所 示。圖 3.1 系統(tǒng)硬件電路框圖單片機(jī)本設(shè)計采用 STC89C51 單片機(jī)作為控制芯片。它有 4KB 可重復(fù)編程的片內(nèi) Flash，512Byte的RAM ，4組8位的I/O接口和三個定時

22、器 16，滿足本設(shè)計需求。 并且還有功耗低、價格便宜的優(yōu)勢。該單片機(jī)的控制主要通過其 4 組 I/O 接口實現(xiàn)。其 4 組 I/O 接口特點描述如 表 1 。表 1 STC89C51 I/O 口描述P0口八位雙向 I/O 口可被作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用端口P1口八位雙向 I/O 口主要作為通用 I/O 使用P2口八位雙向 I/O 口可被作為高 8 位地址端口來訪問外部數(shù)據(jù)存儲器P3口八位雙向 I/O 口除作為通用 I/O 口使用外，主要是使用其第二功能圖 3.2 是該單片機(jī)的引腳圖圖 3.2 單片機(jī)引腳圖晶振電路晶振雖然不復(fù)雜但對單片機(jī)運(yùn)行是不能缺少的， 由它提供使單片機(jī)正常工作 的時鐘

23、信號。因為石英晶振擁有極好的頻率穩(wěn)定特性以及很強(qiáng)的抵抗外界干擾能 力，因此它是十分理想的基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生器件。如圖 3.3 是單片機(jī)的晶振電路。其 中單片機(jī)的內(nèi)部電路和片外器件一起作用而構(gòu)成一個簡單的時鐘發(fā)生電路， 單片 機(jī)內(nèi)部振蕩器的頻率與外部晶振的頻率十分相似，通常情況下在 1.2MHz 24MHz 之間選則，為了方便計算，常常選擇 12MHz。反饋電容 C1 和 C2 的作用 是對電路進(jìn)行充電和放電，它們的電容值一般在 20pF 100pF 之間選則，本電 路二者均選用 30pF的電容 17。圖 3.3 晶振電路硬件原理圖復(fù)位電路復(fù)位電路也是單片機(jī)不復(fù)雜卻很重要的模塊之一， 其功能是對單片機(jī)

24、進(jìn)行復(fù) 位的初始化操作。它的工作條件是在單片機(jī)的 RST 引腳加上穩(wěn)定的大于 2 個機(jī) 器周期的高電平信號。 因此按下復(fù)位按鍵以后， 仍然需要經(jīng)過一定時間的信號保 持才能撤去該信號， 否則無法進(jìn)行有效復(fù)位操作。 為了有效復(fù)位， 避免因在按鍵 過程的抖動影響復(fù)位操作， 通常采用 RC 復(fù)位電路來避免該情況 18。其原理圖如 圖 3.4 所示。圖 3.4 復(fù)位電路硬件原理圖光照強(qiáng)度傳感器光照強(qiáng)度傳感器的主要作用是感知與獲取當(dāng)前外界環(huán)境的光照強(qiáng)度， 采集到 當(dāng)前環(huán)境的光照強(qiáng)度值后， 通過 I2C 總線與單片機(jī)通信， 單片機(jī)將以該光照強(qiáng)度 信息作為下一步動作的依據(jù)。 該傳感器的原理是其中的光敏二極管

25、PD 在不同光 照強(qiáng)度的照射時，產(chǎn)生的電流不一樣，運(yùn)算放大電器 AMP 能將電流的改變轉(zhuǎn)化 為容易測量的電壓的波動， 接下來由片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信 號19。原理框圖如 3.5 所示。由于在 Protues元器件庫中并沒有 BH1750FVI 這一 型號傳感器。故在模擬仿真中，使用光敏電阻和固定電阻串聯(lián)分壓，再加一 A/D 轉(zhuǎn)換芯片來模擬光照強(qiáng)度傳感器。SCLSDABH1750FVI 轉(zhuǎn)換完成的光照強(qiáng)度數(shù)字信號依據(jù) I2C 通信協(xié)議與單片機(jī)通信I 2C 總線時序圖如圖 3.6圖 3.6 I 2C 總線時序圖I2C總線由 PHILIPS公司設(shè)計，多用于主控制器和從器件間的主從通信

26、，適 合在小數(shù)據(jù)量場合使用， 傳輸距離比較短， 并且在任意時刻可以有多個從機(jī)， 卻 只能有一個主機(jī)。 市場上已有許多種類非常豐富的 I 2C 兼容芯片。 I 2C 已成為工 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)而廣泛應(yīng)用。 I2C 通信協(xié)議硬件部分由兩條線路構(gòu)成， 其一是數(shù)據(jù)線 SDA， 其二是時鐘線 SCL。連到總線線路上的所有器件能通過唯一的 7 位二進(jìn)制硬件地 址和其它器件之間實現(xiàn)通信，主 /從機(jī)角色可實時配置，主機(jī)即可當(dāng)成數(shù)據(jù)發(fā)送 端也可成為數(shù)據(jù)接收端。該協(xié)議要求在高電平時鐘周期內(nèi)， SDA 上的數(shù)據(jù)一定 要維持穩(wěn)定不可發(fā)生跳變，否則會出現(xiàn)誤判。 SDA 上信號的變化僅可以發(fā)生在 SCL 線為低電平的時候。通信的開

27、始條件規(guī)定為當(dāng) SCL為高電平的時候， SDA 線上由高電平跳變到低電平， 通信結(jié)束條件規(guī)定為當(dāng) SCL 為高電平的時候， SDA線上由低電平跳變到高電平。 應(yīng)該注意， 無論是起始信號還是終止信號， 都是由 主機(jī)發(fā)出的。只要具有 I2C 總線硬件接口的器件連到總線，就能檢測到該信號。 總線在起始信號之后， 就為繁忙狀態(tài)， 停止條件之后為空閑狀態(tài)。 每當(dāng)主機(jī)向從 機(jī)發(fā)送完一字節(jié)的數(shù)據(jù)后， 主機(jī)需要等待從機(jī)給出應(yīng)答信號， 以確認(rèn)從機(jī)是否成 功收到了該數(shù)據(jù)， 應(yīng)答信號有固定的規(guī)范： 低電平 0 表示應(yīng)答， 高電平 1 表示非 應(yīng)答。 I 2C 總線上傳送的信息既能是器件地址信號，也可以是數(shù)據(jù)信號。起

28、始信 號后要求由主機(jī)發(fā)送一個由 7 位從機(jī)硬件地址加上 1 位讀寫位構(gòu)成的一字節(jié)信 號，信息傳輸都必須由主機(jī)發(fā)出終止信號表示本次傳輸完成 20。STC89C51 并沒 有單獨(dú)的 I2C 總線接口，因此必須利用軟件模擬 I 2C 時序。以實現(xiàn) I 2C 總線的數(shù)據(jù)傳輸。模擬具體時間如圖 3.7 所示。圖 3.7 模擬 I 2C 時序時間顯示電路 顯示電路是本系統(tǒng)的輸出端，這里將實時顯示外界的光強(qiáng)照度值。本設(shè)計采 用的顯示模塊為 LCD1602 液晶。 LCD 液晶屏相對于 LED 數(shù)碼管，其可讀效果 更好，可展示的信息也更豐富。在本設(shè)計中， LCD1602 液晶負(fù)責(zé)顯示當(dāng)前外界 光照強(qiáng)度值。其原

29、理圖如圖 3.8 所示。- 10 -液晶硬件原理圖圖 3.8 LCD1602調(diào)光電路調(diào)光電路是本系統(tǒng)中的被控部分。 當(dāng)單片機(jī)從光照強(qiáng)度傳感器獲取光照強(qiáng)度可實現(xiàn)對光源強(qiáng)度的控制。原理圖如圖3.9 所示。LED，即值，判斷當(dāng)前環(huán)境光照強(qiáng)度在某一光照強(qiáng)度范圍時，點亮對應(yīng)數(shù)量的圖 3.9 調(diào)光電路硬件原理圖- 11 -3.2 整體電路設(shè)計本設(shè)計采用的硬件原理圖均使用 Altium Designer13 繪制。該軟件功能十分強(qiáng) 大，內(nèi)部擁有許多電子元器件模型 21 ，應(yīng)用時只需尋找所需元器件就能對其應(yīng) 用調(diào)試。還可對該元器件的每個參數(shù)分別改變，從而迎合用戶所需。依據(jù)前面的整體框架思路，用 Altium

30、designer13 畫出了整體的原理圖。整體硬件原理圖如圖 3.10 所示圖 3.10 整體硬件原理圖- 12 -軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)軟件功能本系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程如圖 4.1 所示。程序進(jìn)入主函數(shù)后， BH1750FVI 傳感器 模塊將不停地采集光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)， STC89C51 單片機(jī)內(nèi)部程序會將采集到的數(shù)據(jù) 傳送至 LCD1602 液晶實時顯示并與設(shè)定值進(jìn)行比較。如果測得數(shù)值大于或等于 200，所有的 LED 都不會被點亮；如果數(shù)值小于 200 但大于或等于 160，LED1 被點亮；如果數(shù)值小于 160但大于等于 125，LED1 和 LED2 被點亮；如果數(shù)值 小于 125，但大于等于

31、50，LED1 ，LED2 和 LED3 被點亮；如果數(shù)值小于 50， 則所有 LED 燈均被點亮。圖 4.1 系統(tǒng)軟件流程圖- 13 -4.2 程序調(diào)試STC89C51單片機(jī)可采用 C 或匯編作為編程語言，因為匯編閱讀起來不方便， 可移植性也不好， 故而選擇使用 C 語言編程。本設(shè)計采用 KeiluVision4 來對控制 程序編寫和編譯。如圖 4.2，打開 Keil uVision4 程序后，首先需要新建一個工程，為了保證良 好的識別，該工程名盡量使用英文和數(shù)字， 避免出現(xiàn)中文。 為了跟硬件很好的配 合，要確定所采用的單片機(jī)具體種類。由于型號庫里并沒有 STC89C51，這里選擇具有相同

32、8051 內(nèi)核的 Atmel 公司生產(chǎn)的 AT89C51，確定后就建立了一個工程圖 4.2 KeiluVision4 確定單片機(jī)種類 然后新建文件，文件名也最好避免使用中文，以 c 為后綴名，保存。如圖 4.3 所示。- 14 -圖 4.3 Keil uVision4 工程里新建 C 語言程序最后將 C 文件添加到左側(cè)剛剛新建的工程里，如圖 4.4 所示。然后就能里面 中寫入 C 語言控制源程序了。圖 4.4 KeiluVision4 工程里添加 C 語言程序程序編寫完成后，最好及時保存，已防止出現(xiàn)意外情況丟失，而產(chǎn)生不必要的麻煩。選擇編譯程序， KeiluVision4 將對控制源代碼開始糾

33、錯和編譯，并會在Build Output 對話框中提示出編譯中出現(xiàn)的錯誤和警告結(jié)果。假若編寫的代碼中有錯誤，對話框中就會提醒出錯原因和大概地點， 點擊報錯的那一段就能找到源代碼中有問題的地方附近。更改源代碼之后，繼續(xù)查錯，到?jīng)]有出現(xiàn)錯誤提示。- 15 -源程序沒有問題后， 點擊Target Options按鈕，找到 Output，把 Create HexFile 的前面勾上，點擊后繼續(xù)編譯，就會在工程路徑產(chǎn)生了以 . hex 為擴(kuò)展名 的文件。如圖 4.5 ，代碼編譯之后提醒信息錯誤數(shù)為 0，警告數(shù)為 0。圖 4.5 程序編譯4.3 仿真分析 想出了設(shè)計方案，搭建出完整電路圖，調(diào)試了代碼并編譯

34、生成可被單片機(jī)識 別的文件，還有必要來檢查設(shè)想的實施方案可否實行，代碼有沒有BUG?？梢允褂?Proteus 軟件來進(jìn)行模擬仿真。 Proteus是一款專業(yè)的電路設(shè)計仿真軟件 22 。 此軟件擁有十分豐富的元件庫， 如果未找到所需元件也能親自動手設(shè)計， 基本能 夠滿足本設(shè)計所需。如圖 4.6 所示，按照完整電路圖，畫出了仿真圖。由于其元件庫中沒有 BH1750FVI ，所以改用一固定電阻和一光敏電阻串聯(lián)分壓，然后由 A/D 轉(zhuǎn)換輸 出光照強(qiáng)度值，這個一過程與 BH1750FVI 的工作過程是相似的。- 16 -圖 4.6 系統(tǒng)仿真圖 要想使其可以開始運(yùn)行，必須在單片機(jī)中添加控制代碼。左鍵點擊單

35、片機(jī)芯 片中心區(qū)域，在出現(xiàn)對話框中“ Program File”這里點擊 ，然后找到在前面編 譯完成的 .hex文件，選擇確定之后就可以把編譯生成的 .hex文件下載到 51 單片 機(jī)中。如圖 4.7 所示。- 17 -圖 4.7 Proteus 中向單片機(jī)載入程序加載控制代碼之后，選擇軟件左邊的 ，之后就能開始仿真測試。測試 開展后， LCD1602 液晶會展現(xiàn) A/D 模塊獲取的信息。在 Proteus仿真中，紅色代 表高電平，藍(lán)色代表低電平。當(dāng)發(fā)光二極管兩邊都是高電平時，它無法導(dǎo)通。當(dāng) 二極光的正極為高電平， 負(fù)極為低電平時， 即可導(dǎo)通并發(fā)光， 也即當(dāng)發(fā)光二極管 正極端為紅色，負(fù)極為藍(lán)色

36、時，表示該管被點亮。可以發(fā)現(xiàn)，對應(yīng)不同輸入數(shù)值 范圍，會有不同數(shù)量的 LED 被點亮。且隨著輸入數(shù)值變小，即表示光照強(qiáng)度變 小，被點亮發(fā)光二極管數(shù)量會隨著增多。當(dāng)光照強(qiáng)度大于或等于 200Lx 時，四 個發(fā)光二極管均是熄滅狀態(tài)，仿真結(jié)果如圖 4.8 所示；當(dāng)光照強(qiáng)度大于或等于 160Lx，而小于 200Lx 時，一個發(fā)光二極管被點亮，仿真結(jié)果如圖 4.9 所示；當(dāng) 光照強(qiáng)度大于或等于 125Lx ，而小于 160Lx 時，兩個發(fā)光二極管被點亮，仿真結(jié) 果如圖 4.10所示；當(dāng)光照強(qiáng)度大于或等于 50Lx，而小于 125Lx 時，三個發(fā)光二 極管被點亮，仿真結(jié)果如圖 4.11 所示；當(dāng)光照強(qiáng)度小

37、于 50Lx 時，四個發(fā)光二極 管均被點亮，仿真結(jié)果如圖 4.12 所示。- 18 -圖 4.8 光照強(qiáng)度大于 200Lx,LED 均熄滅圖 4.9 光照強(qiáng)度大于 150Lx,小于 200Lx, 一個 LED 被點亮- 19 -圖 4.10 光照強(qiáng)度大于 125Lx,小于 150Lx, 兩個 LED 被點亮圖 4.11 光照強(qiáng)度大于 50Lx, 小于 125Lx, 三個 LED 被點亮- 20 -圖 4.12 光照強(qiáng)度小于 50Lx, 四個 LED 均被點亮分析 Proteus 的一系列仿真測試產(chǎn)生的現(xiàn)象可知，該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了本設(shè)計 預(yù)定目的，滿足了預(yù)設(shè)需求。- 21 -總結(jié)和展望5.1 總結(jié)

38、本設(shè)計以外界環(huán)境光照強(qiáng)度的及時獲取及燈光強(qiáng)度的調(diào)節(jié)為設(shè)計目標(biāo)， 比較 了光照強(qiáng)度信息獲取方法和燈光控制方法的可行設(shè)計，在選則了恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計后， 最終模擬了一個以 STC89C51單片機(jī)為中心的燈光自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 用 BH1750FVI 傳感器來完成對外界光照強(qiáng)度信息的獲取， 得到的光照強(qiáng)度信息經(jīng)由單片機(jī)處理 后，通過 LCD1602 液晶實時顯示出來，并由獲取得到的光照強(qiáng)度信息，調(diào)節(jié)通 電發(fā)光二極管的數(shù)量來調(diào)節(jié)燈的亮度，從而實現(xiàn)自動調(diào)光功能。本設(shè)計可以實現(xiàn)如下功能：實時獲取環(huán)境的光照強(qiáng)度信息，通過 LCD1602 液晶展示光照強(qiáng)度值；當(dāng)外界光照強(qiáng)度增大時，系統(tǒng)自動減少通電發(fā)光二極管數(shù)量來實現(xiàn)減少

39、 燈光目的；光照強(qiáng)度減小時，系統(tǒng)自動增加通電發(fā)光二極管數(shù)量來實現(xiàn) 增強(qiáng)燈光亮度的目的；環(huán)境光照強(qiáng)度大于設(shè)定值時，燈將全部熄滅；展望 然而因為設(shè)計周期較短，本設(shè)計還留有幾個缺憾。在以后可以加以改進(jìn)。 1.對應(yīng)某一外界環(huán)境光照強(qiáng)度值，輸出燈光強(qiáng)度為多少比較合適，這需要實 際做許多實驗才能加以確定，由于時間和條件的限制，該實驗未能做成。2.可以添加無線通信模塊， 光照強(qiáng)度獲取部分與燈光控制部分之間進(jìn)行無線 通信，進(jìn)而根據(jù)該數(shù)據(jù)信息控制可控光源。期待在未來能檢驗這些想法，讓該設(shè)計的功能可以進(jìn)一步完滿。- 22 -致謝光陰似箭，歲月如梭。 仿佛昨天才拉著皮箱風(fēng)塵仆仆地來到學(xué)校， 而今天卻 已離分別的日子

40、越來越近。 細(xì)細(xì)回想， 心中全是依戀與不舍。 在即將完成最后一 次作業(yè)之時， 想對那許許多多在生活、 學(xué)習(xí)中給我無私幫助、 殷切期望和無限支 持的老師同學(xué)和親人朋友們表達(dá)最真摯的感謝。經(jīng)過這幾個月的緊張學(xué)習(xí)和工作， 本次畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲了。 在這最后 一次作業(yè)中，我受益良多。一開始定題時，我完全摸不著頭腦， 不知從何處下手， 經(jīng)過和指導(dǎo)老師郭老師的多次溝通， 我逐漸理清了思路， 并有了方向。 在具體方 案設(shè)計的過程中， 郭老師也給了我很多建議和意見， 讓我對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)有了 更深地理解。 郭老師在治學(xué)上的嚴(yán)謹(jǐn)和在學(xué)識上的淵博給我留下很深的印象。 能 夠說沒有郭老師的幫助就不可能有本次畢業(yè)

41、設(shè)計的完成。 在此我要向郭老師表達(dá) 我最誠摯的謝意。我的同學(xué)尤其室友在本次畢業(yè)設(shè)計中也給我提出一些非常寶貴的建議， 在生 活上也給了我許多幫助， 讓我更加感受到了集體的溫暖。 感謝他們的幫助， 祝大 家將來都事業(yè)有成。感謝自動控制系的各位領(lǐng)導(dǎo)和老師們，在四年的學(xué)習(xí)生活中，老師們傳授我 們知識，教我們?yōu)槿俗鍪拢?讓我的大學(xué)生活充實而豐富多彩。 祝各位老師們身體 健康，萬事如意，桃李滿天下。特別要感謝的還有我的父母， 他們一直在背后默默支持我， 遇到困難鼓勵我， 取得成績表揚(yáng)我， 對我傾注了極大的心血和期望。 父母之恩無以為報， 只有在校 努力學(xué)習(xí)， 步入社會后努力工作， 讓他們過上輕松的生活。

42、祝愿我的父母永遠(yuǎn)健 康快樂。最后，對答辯委員會的每個老師道一聲您辛苦了！感謝諸位老師對本設(shè)計的 審閱及答辯工作。最后祝愿老師們工作順利，心想事成。- 23 -參考文獻(xiàn)左栓秀，雁北高寒黃土區(qū)杏 -草-藥旱作種植模式的探索 J ，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué) 報(自然科 學(xué)版)， 2004(3):300-302.潘毅，賓館飯店的節(jié)能途徑 J ，大眾用電， 2004(8):18.張小林，羅來成 .單片機(jī)在光度測試中的應(yīng)用 J. 江西科學(xué)， 2004,22(2):118-121.杜駿喜，趙若楠，徐江寧 .一種基于 Intel80C196KC 單片機(jī)的自動光照檢測儀研究 J. 沈 陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2004-02,3

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49、ishers,2008:52-73.- 25 -附錄：程序代碼主控制程序#include #include #include #include intrins.h uint illumination_value=0;sbit P14=P14;sbit P15=P15;sbit P16=P16;/端口初始化，全部 IO 口高電平sbit P17=P17;void Port_Init(void)P0 = 0 xff;P1 = 0 xff;P2 = 0 xff;P3 = 0 xff;void main()Port_Init();/端口初始化Lcd_Init(); / 液晶初始化 while(1)il

50、lumination_value = TLC549_ADC();lcd_scan(); if(illumination_value=200)P14=1;P15=1;P16=1;P17=1;else if(illumination_value=160)P14=0;P15=1;- 26 -P16=1;P17=1;else if(illumination_value=125)P14=0;P15=0;P16=1;P17=1;else if(illumination_value=50)P14=0;P15=0;P16=0;P17=1;elseP14=0;P15=0;P16=0;P17=0;BH1750模塊

51、程序#include#include bit write=0;sbit SDA=P20;sbit SCL=P21;typedef unsigned char BYTE;BYTE BUF8;unsigned char num;unsigned char a,b,sec,count;/顯示變量/變量unsigned char ge,shi,bai,qian,wan;int dis_data,dis_data1;- 27 -void conversion(unsigned int temp_data) / 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換出 個，十，百，千，萬 wan=temp_data/10000+0 x30 ;temp

52、_data=temp_data%10000; /取余運(yùn)算 qian=temp_data/1000+0 x30 ;temp_data=temp_data%1000;/取余運(yùn)算bai=temp_data/100+0 x30 ;temp_data=temp_data%100;/取余運(yùn)算shi=temp_data/10+0 x30 ;temp_data=temp_data%10;/取余運(yùn)算ge=temp_data+0 x30;void NOP()_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();void Delay(unsigned int i)unsigned int

53、j,k;for(j=i;j0;j-) for(k=110;k0;k-);void BH1750_Start()SDA=1;NOP();SCL=1;NOP();SDA=0;NOP();SCL=0;NOP();void BH1750_Stop()- 28 -SDA=0;NOP();SCL=1;NOP();SDA=1;NOP();void BH1750_Write_Byte(unsigned char dat) unsigned char i,temp; temp=dat;for(i=0;i8;i+) temp=temp1;SDA=CY;NOP();SCL=1;NOP();SCL=0;NOP();S

54、DA=0;NOP();SCL=1;NOP();SCL=0;NOP();unsigned char BH1750_Read_Byte() unsigned char i,x=0;SDA=1;NOP(); for(i=0;i8;i+)x=x1;SCL=1;NOP(); x=x|SDA;SCL=0;NOP();- 29 -return x;void Responds()SDA=0; NOP();SCL=1; NOP();SCL=0;NOP();void No_Responds()SDA=1;NOP();SCL=1;NOP();SCL=0;NOP();void Single_Write_BH1750(

55、unsigned char reg_address) BH1750_Start(); BH1750_Write_Byte(0 x46);BH1750_Write_Byte(reg_address); BH1750_Stop();void Multiple_Read_BH1750(void) unsigned char i;BH1750_Start();BH1750_Write_Byte(0 x47); for(i=0;i2;i+) BUFi=BH1750_Read_Byte(); if (i = 1)No_Responds();else/連續(xù)讀取 2 個地址數(shù)據(jù)，存儲中 BUF/BUF0 存儲 0 x32 地址中的數(shù)據(jù)/最后一個數(shù)據(jù)需要回 NOACK- 30 -Responds();/回應(yīng) ACKBH1750_Stop();/停止信號Delay(5);void BH1750_init()Single_Write_BH1750(0 x0