基于51單片機(jī)的電子智能補(bǔ)光器設(shè)計(jì)方案

引言

如今科技的飛速發(fā)展，各種大型隧道的修建也越來越多。伴隨著交通的便利，各種交通事故也屢見不鮮。特別是在光線變化比較大的隧道出入口以及照明狀況不理想的路段，很多照明設(shè)備都局限于路燈。而且由于不能實(shí)現(xiàn)智能控制，經(jīng)常會導(dǎo)致使用壽命減少，容易損壞從而增加使用成本。

為了響應(yīng)我國綠色發(fā)展的號召，智能補(bǔ)光器的發(fā)展自然也在其中。隨著當(dāng)今社會科技的高速發(fā)展以及人們對生活質(zhì)量的越發(fā)重視、生活安全意識的顯著提高，更加智能、有效的照明控制系統(tǒng)自然應(yīng)運(yùn)而生。為應(yīng)對更加節(jié)能環(huán)保高效的照明需求，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的智能補(bǔ)光器，根據(jù)不同季節(jié)的日照強(qiáng)度以及時(shí)長的不同采用對應(yīng)的補(bǔ)光模式。滿足照明強(qiáng)度的同時(shí)兼顧智能控制，延長使用壽命降低成本。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

電子智能補(bǔ)光器的設(shè)計(jì)思路：首先通過單片機(jī)判斷特殊天氣模式是否啟用，如果啟用則直接亮黃燈并在手機(jī)上顯示出來。確定特殊天氣模式?jīng)]有啟用時(shí)，通過季節(jié)模塊判斷當(dāng)前月份對應(yīng)的季節(jié)來確定補(bǔ)光模式。通過光照傳感器將外界光照強(qiáng)度與對應(yīng)季節(jié)設(shè)定光照閾值進(jìn)行比較，當(dāng)外界光照強(qiáng)度大于設(shè)定閾值時(shí)進(jìn)行補(bǔ)光操作，并通過藍(lán)牙連接在手機(jī)上顯示當(dāng)前補(bǔ)光模式以及光照強(qiáng)度。

圖1-1 系統(tǒng)框圖

1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)

主要任務(wù)簡述：以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)電子智能補(bǔ)光器，以滿足各種不同情境下對光照需求的差異。

要求簡述：

（1）在外界光照強(qiáng)度大于所設(shè)定閾值時(shí)補(bǔ)光器保持不工作狀態(tài)，光照強(qiáng)度小于設(shè)定閾值時(shí)開始補(bǔ)光；

（2）可選擇春、夏、秋、冬四種模式，分別對應(yīng)四種不同的閾值電壓；

（3）設(shè)置特殊天氣模式，開啟特殊天氣模式后亮起黃色霧燈；

（4）通過藍(lán)牙連接手機(jī)，顯示當(dāng)前的模式和光照強(qiáng)度。

1.3 模塊方案選型

1.3.1主控方案選型

STC89C52單片機(jī)是宏晶科技推出的高反應(yīng)速度、低功率消耗、有著很強(qiáng)抵的擋外界干擾能力的單片機(jī)，而且該單片機(jī)的指令代碼非常切合傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，并且與傳統(tǒng)51單片機(jī)對比而言，該單片機(jī)速度更快，是傳統(tǒng)51單片機(jī)的8~12倍。除此之外，該單片機(jī)還有6時(shí)鐘周期和12時(shí)鐘周期可以任意選擇。

主要特性如下：

（1）新一代8051單片機(jī)，6時(shí)鐘機(jī)器周期和12時(shí)鐘機(jī)器周期可以任意選擇，指令代碼非常契合傳統(tǒng)8051單片機(jī)。

（2）工作電壓：5.5V～3.3V（5V單片機(jī)）。

（3）工作頻率范圍處于0～40MHz之間，相當(dāng)于普通8051單片機(jī)工作頻率的0～80MHz范圍，而且新一代單片機(jī)的實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz。

（4）一共具有3個(gè)16位定時(shí)器，也就是定時(shí)器T0、T1、T2。

（5）外部中斷4路，低電平觸發(fā)或下降沿中斷電路，PowerDown模式可通過外部中斷低電平觸發(fā)中斷的方式觸發(fā)。

1.3.2光電轉(zhuǎn)換器的選擇

ADC0832是NS(National Semiconductor)公司生產(chǎn)的串行接口8位A/D轉(zhuǎn)換器，通過三線接口與單片機(jī)連接,功耗低,性能價(jià)格比較高,合適使用在袖珍式的智能儀器儀表中。ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。芯片具有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件連接和處理器控制變得更加方便。通過DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。其主要特點(diǎn)如下:

（1）8位分辨率，其最高分辨可達(dá)256級;

（2）雙通道A/D轉(zhuǎn)換;

（3）電源供電時(shí)光電轉(zhuǎn)換器的輸入電壓在0~5V之間;

選擇該A/D轉(zhuǎn)換芯片，不僅因?yàn)槠潴w積小、功耗低，而且可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求，完全滿足系統(tǒng)的要求。另外，其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得轉(zhuǎn)換芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間，電源電路供電可以同時(shí)滿足51單片機(jī)和該芯片的共同使用。除此之外該芯片的轉(zhuǎn)換時(shí)間極短，僅為32μS，反應(yīng)非常迅速，另外該芯片具有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)的工具，以此來減少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快并且穩(wěn)定性能出色。單獨(dú)工作的芯片的使能輸入，可以更輕松地對多元件進(jìn)行連接，同時(shí)也可以更加方便地控制處理器。通過DI 數(shù)據(jù)輸入端，使得實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇變的易如反掌。除此之外，價(jià)格上的優(yōu)勢同樣也是選擇它的原因之一。

1.3.3顯示器的選擇

LCD1602液晶顯示器是廣泛使用的一種工業(yè)字符型液晶顯示模塊。由字符型液晶顯示器（LCD）、控制驅(qū)動主電路HD44780及其擴(kuò)展驅(qū)動電路HD44100，以及少量電阻、電容元件和結(jié)構(gòu)件等裝配在PCB板上而組成，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符。（16列2行）。但寄存器不止32個(gè)，有一些顯示效果，如字符一個(gè)個(gè)顯示、字符從左到右或從右到左顯示等等，顯示效果簡單。當(dāng)然也有其他更好的選擇，例如12864液晶顯示器，它的顯示模塊是128×64點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，具有多種功能：光標(biāo)顯示、畫面移位、睡眠模式等。

其實(shí)綜合來說，二者編程方面的難度差不多，原理方面也差不多，甚至12864液晶顯示器更勝一籌，因?yàn)樵擄@示器顯示更全面，字符也更多，需要進(jìn)行更多操作的話自然是12864液晶顯示器能夠勝任。但是對比來說的話，1602液晶顯示器也能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求，而且相對來說更重要的原因就是1602液晶顯示器比較廉價(jià)，網(wǎng)上購買也比較便宜，最低五六塊錢左右。而12864液晶顯示器網(wǎng)上購買最便宜的也要在二三十左右。所以從造價(jià)方面以及使用方面考慮，當(dāng)然是價(jià)格低廉而且功能也不欠缺的優(yōu)先。因此選擇1602液晶顯示器作為顯示器件。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)的主要特點(diǎn)有：

（1）有出色的性能單價(jià)比，高效能、低電壓，易于制作便攜式產(chǎn)品。

（2）集成度高，體積小，有較高的穩(wěn)定性。而且單片機(jī)把各功能零件組合在一塊芯片上，內(nèi)部結(jié)構(gòu)使用的是總線結(jié)構(gòu)，不僅減輕了各芯片彼此之間的連線，還大大增加了單片機(jī)的安全性和抗干擾能力。

（3）控制功能強(qiáng)。為求滿足工業(yè)控制的要求，通常單片機(jī)的指令系統(tǒng)中均

有極多樣的轉(zhuǎn)移指令、I/O口的邏輯操作和位處理特性。單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)轉(zhuǎn)速度均遠(yuǎn)高于同一等級的微機(jī)。

（4）外部總線增加了I2C（Inter-Integrated Circuit）及SPI(Serial Peripheral Interface)等串行總線方式，逐步縮小了體積，精簡了構(gòu)造。單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展、系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。

PORT0（P0.0～P0.7）：端口0是一個(gè)8位寬的開路汲極雙向輸出入端口，共有8個(gè)位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此類推。其他三個(gè)I/O端口（P1、P2、P3）則不具有此電路組態(tài)，而是內(nèi)部有一提升電路，P0在當(dāng)做I/O用時(shí)可以推動8個(gè)LS的TTL負(fù)載。

PORT1（P1.0～P1.7）：端口1也是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個(gè)LSTTL負(fù)載，同樣地若將端口1的輸出設(shè)為高電平，便是由此端口來輸入數(shù)據(jù)。

PORT2（P2.0～P2.7）：端口2是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，每一個(gè)引腳可以推動4個(gè)LS的TTL負(fù)載，若將端口2的輸出設(shè)為高電平時(shí)，此端口便能當(dāng)成輸入端口來使用。P2除了當(dāng)做一般I/O端口使用外，若是在STC89C52擴(kuò)充外接程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，也提供地址總線的高字節(jié)A8～A15，這個(gè)時(shí)候P2便不能當(dāng)做I/O來使用了。

PORT3（P3.0～P3.7）：端口3也具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個(gè)TTL負(fù)載，同時(shí)還多工具有其他的額外特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)控制及外部數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ?。單片機(jī)的引腳圖如圖3-1所示。

2.2

最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)電路由復(fù)位電路模塊、晶振電路模塊和組成，既可以通過電容上電直接復(fù)位也可以通過按鍵手動復(fù)位；時(shí)鐘電路由晶體振蕩器和兩個(gè)瓷片電容組成，給單片機(jī)提供時(shí)鐘信號。最小系統(tǒng)模塊電路如圖3-2所示。

2.3 傳感器模塊

正常情況下 ADC0832 與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于 DO 端與 DI 端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將 DO 和 DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。由于 ADC0832 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為 32μS，所以 A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采樣頻率可以很快，從而也保證的某些場合對 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的要求。當(dāng)ADC0832未工作時(shí)其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK 和DO/DI 的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端CLK 輸入時(shí)鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在第1 個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示起始信號。在第2、3個(gè)脈沖下沉之前DI端應(yīng)輸入2 位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能，數(shù)據(jù)讀取程序以子程序調(diào)用的形式出現(xiàn)，方便了程序的移植。傳感器原件的電路原理圖如下3-3所示。

2.4

顯示器模塊

LCD1602A是一種工業(yè)字符型液晶顯示器，它的重量很輕，而且體積小，功耗也低，能夠同時(shí)顯示多種字符。16級LCD驅(qū)動電壓調(diào)整電路內(nèi)置上電復(fù)位電路(POR)液晶顯示器通過顯示器上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達(dá)到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。其性能如下。

（1）指令功能強(qiáng)，能夠組合各種輸入、顯示、位移方式以滿足不同的要求。

（2）接口簡單方便，內(nèi)置32 kHz RC振蕩器可與8位微處理器或微控制器相連；

（3）功耗低，抵抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。壽命為50,000小時(shí)（25℃）；

顯示器電路如圖3-4所示。

器電路

2.5 按鍵電路設(shè)計(jì)

按鍵的一端接到單片機(jī)I/O端口，另一端并聯(lián)接地，這樣設(shè)計(jì)相對來說比較方便操作。每個(gè)按鍵直接連接到單片機(jī)的I/O口形成單個(gè)按鍵電路，三個(gè)按鍵互不影響輸入輸出。不過在編寫程序時(shí)要注意添加相應(yīng)的消除抖動程序，換言之，即通過添加10ms的延時(shí)程序滿足在按下獨(dú)立式按鍵后在數(shù)碼管上正常顯示，光照閾值可以通過K1—K4按鍵調(diào)節(jié)并保存，其中K1為系統(tǒng)設(shè)置按鍵，K2實(shí)現(xiàn)增加數(shù)字功能，K3實(shí)現(xiàn)減少數(shù)字功能，K4為特殊天氣按鍵。按鍵電路如圖3-5所示。

2.6 晶振模塊

晶振電路為電路中其它元器件（如控制電路、無線發(fā)射接收電路）的工作提供一個(gè)固定的時(shí)鐘頻率 晶振工作原理是以一個(gè)固定的頻率與外電路發(fā)生諧振，晶振的頻率就是在它提供的負(fù)載電容下測得的，能最大限度的保證頻率值的誤差。也能保證溫漂等誤差。在系統(tǒng)中有著必不可少的作用。在此為了提供合適的時(shí)鐘頻率，兩個(gè)負(fù)載電容的取值都是相同的，或者說相差不大，如果相差太大，容易造成諧振的不平衡，容易造成停振或者不起振。因此在晶振引腳處串聯(lián)兩個(gè)30pF的電容來滿足諧振條件，晶振電路如圖2-6所示。

2.8 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊，是一種集成藍(lán)牙功能的PCBA板，用于短距離無線通訊，按功能分為藍(lán)牙數(shù)據(jù)模塊和藍(lán)牙語音模塊。這里使用藍(lán)牙數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行短距離數(shù)據(jù)輸出。藍(lán)牙信號會被手機(jī)的藍(lán)牙模塊識別，通過對此信號的解讀來顯示當(dāng)前的補(bǔ)光模式以及光照強(qiáng)度。藍(lán)牙模塊電路如圖2-8所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1光照傳感器流程設(shè)計(jì)

智能補(bǔ)光系統(tǒng)通過光敏電阻對外界光照進(jìn)行感知，外界光照強(qiáng)度的變化會引起阻值的變化，外界光照越強(qiáng)，光敏電阻阻值越低，反之，外界光照越弱，光敏電阻阻值將升高。由于光敏電阻阻值變化會引起電流變化。在數(shù)控直流電流源中，ADCO832主要就是用在了電流的檢測，把檢測到的電流值送給單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理，通過LCD1602顯示器顯示出來，同時(shí)用簡單的計(jì)算得出電壓值。數(shù)控的含義就是通過D/A和

A/D

進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，這里采用后者實(shí)現(xiàn)用單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制。通過A/D轉(zhuǎn)換模塊對該電流信號的變化進(jìn)行收集與轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換出的數(shù)字信號與對應(yīng)的光電對應(yīng)值進(jìn)行核對，即可將當(dāng)前的光照強(qiáng)度通過數(shù)字信號展示出來，隨后將數(shù)字信號輸出至單片機(jī)與設(shè)定好的閾值對應(yīng)的數(shù)字信號進(jìn)行分析比較處理，從而判斷是否能夠進(jìn)行補(bǔ)光操作并完成對應(yīng)操

3.2按鍵電路流程設(shè)計(jì)

通過按鍵電路實(shí)現(xiàn)對硬件電路閾值的設(shè)置以及補(bǔ)光模式的選擇。按下K1菜單鍵可以進(jìn)入到各季節(jié)的光照強(qiáng)度閾值設(shè)定模塊以及季節(jié)設(shè)定模塊，通過K2和K3按鍵可以實(shí)現(xiàn)閾值數(shù)值的增加和減少。在菜單設(shè)置界面設(shè)定完閾值后，再按下K1即可退出菜單界面。并在顯示屏上顯示當(dāng)前的季節(jié)以及光照強(qiáng)度。最后通過特殊天氣按鍵K4可以實(shí)現(xiàn)特殊天氣下亮黃色霧燈的操作。流程圖如圖3-2所示。

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