基于51單片機的電子智能補光器設計方案

引言

如今科技的飛速發展，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，很多照明設備都局限于路燈。而且由于不能實現智能控制，經常會導致使用壽命減少，容易損壞從而增加使用成本。

為了響應我國綠色發展的號召，智能補光器的發展自然也在其中。隨著當今社會科技的高速發展以及人們對生活質量的越發重視、生活安全意識的顯著提高，更加智能、有效的照明控制系統自然應運而生。為應對更加節能環保高效的照明需求，設計了基于單片機的智能補光器，根據不同季節的日照強度以及時長的不同采用對應的補光模式。滿足照明強度的同時兼顧智能控制，延長使用壽命降低成本。

1 系統方案設計

1.1 系統整體設計

電子智能補光器的設計思路：首先通過單片機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上顯示出來。確定特殊天氣模式沒有啟用時，通過季節模塊判斷當前月份對應的季節來確定補光模式。通過光照傳感器將外界光照強度與對應季節設定光照閾值進行比較，當外界光照強度大于設定閾值時進行補光操作，并通過藍牙連接在手機上顯示當前補光模式以及光照強度。

圖1-1 系統框圖

1.2 設計任務

主要任務簡述：以單片機為核心，設計電子智能補光器，以滿足各種不同情境下對光照需求的差異。

要求簡述：

（1）在外界光照強度大于所設定閾值時補光器保持不工作狀態，光照強度小于設定閾值時開始補光；

（2）可選擇春、夏、秋、冬四種模式，分別對應四種不同的閾值電壓；

（3）設置特殊天氣模式，開啟特殊天氣模式后亮起黃色霧燈；

（4）通過藍牙連接手機，顯示當前的模式和光照強度。

1.3 模塊方案選型

1.3.1主控方案選型

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

主要特性如下：

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

（2）工作電壓：5.5V～3.3V（5V單片機）。

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

（4）一共具有3個16位定時器，也就是定時器T0、T1、T2。

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

1.3.2光電 轉換器的選擇

ADC0832是NS(National Semiconductor)公司生產的串行接口8位A/D轉換器，通過三線接口與單片機連接,功耗低,性能價格比較高,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轉換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。芯片具有雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件連接和處理器控制變得更加方便。通過DI 數據輸入端，可以輕易的實現通道功能的選擇。其主要特點如下:

（1）8位分辨率，其最高分辨可達256級;

（2）雙通道A/D轉換;

（3）電源供電時光電轉換器的輸入電壓在0~5V之間;

選擇該A/D轉換芯片，不僅因為其體積小、功耗低，而且可以適應一般的模擬量轉換要求，完全滿足系統的要求。另外，其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得轉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滿足51單片機和該芯片的共同使用。除此之外該芯片的轉換時間極短，僅為32μS，反應非常迅速，另外該芯片具有雙數據輸出可作為數據校驗的工具，以此來減少實驗數據誤差，轉換速度快并且穩定性能出色。單獨工作的芯片的使能輸入，可以更輕松地對多元件進行連接，同時也可以更加方便地控制處理器。通過DI 數據輸入端，使得實現通道功能的選擇變的易如反掌。除此之外，價格上的優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字符型液晶顯示模塊。由字符型液晶顯示器（LCD）、控制驅動主電路HD44780及其擴展驅動電路HD44100，以及少量電阻、電容元件和結構件等裝配在PCB板上而組成，能夠同時顯示16x02即32個字符。（16列2行）。但寄存器不止32個，有一些顯示效果，如字符一個個顯示、字符從左到右或從右到左顯示等等，顯示效果簡單。當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：光標顯示、畫面移位、睡眠模式等。

其實綜合來說，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，因為該顯示器顯示更全面，字符也更多，需要進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液晶顯示器也能實現設計的要求，而且相對來說更重要的原因就是1602液晶顯示器比較廉價，網上購買也比較便宜，最低五六塊錢左右。而12864液晶顯示器網上購買最便宜的也要在二三十左右。所以從造價方面以及使用方面考慮，當然是價格低廉而且功能也不欠缺的優先。因此選擇1602液晶顯示器作為顯示器件。

2 硬件設計

2.1 單片機模塊

單片機的主要特點有：

（1）有出色的性能單價比，高效能、低電壓，易于制作便攜式產品。

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

（3）控制功能強。為求滿足工業控制的要求，通常單片機的指令系統中均

有極多樣的轉移指令、I/O口的邏輯操作和位處理特性。單片機的邏輯控制功能及運轉速度均遠高于同一等級的微機。

（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，精簡了構造。單片機的系統擴展、系統配置較典型、規范，容易構成各種規模的應用系統。

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

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

PORT2（P2.0～P2.7）：端口2是具有內部提升電路的雙向I/O端口，每一個引腳可以推動4個LS的TTL負載，若將端口2的輸出設為高電平時，此端口便能當成輸入端口來使用。P2除了當做一般I/O端口使用外，若是在STC89C52擴充外接程序存儲器或數據存儲器時，也提供地址總線的高字節A8～A15，這個時候P2便不能當做I/O來使用了。

PORT3（P3.0～P3.7）：端口3也具有內部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個TTL負載，同時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、計時計數控制及外部數據存儲器內容的讀取或寫入控制等功能。單片機的引腳圖如圖3-1所示。

2.2

最小系統

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

2.3 傳感器模塊

正常情況下 ADC0832 與單片機的接口應為4條數據線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于 DO 端與 DI 端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將 DO 和 DI 并聯在一根數據線上使用。由于 ADC0832 的數據轉換時間僅為 32μS，所以 A/D 轉換的數據采樣頻率可以很快，從而也保證的某些場合對 A/D 轉換數據實時性的要求。當ADC0832未工作時其CS輸入端應為高電平，此時芯片禁用，CLK 和DO/DI 的電平可任意。當要進行A/D轉換時，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉換完全結束。此時芯片開始轉換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK 輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數據信號。在第1 個時鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示起始信號。在第2、3個脈沖下沉之前DI端應輸入2 位數據用于選擇通道功能，數據讀取程序以子程序調用的形式出現，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，能夠同時顯示多種字符。16級LCD驅動電壓調整電路內置上電復位電路(POR)液晶顯示器通過顯示器上的電極控制液晶分子狀態來達到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統顯示器要輕得多。其性能如下。

（1）指令功能強，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，可靠性高。壽命為50,000小時（25℃）；

顯示器電路如圖3-4所示。

器電路

2.5 按鍵電路設計

按鍵的一端接到單片機I/O端口，另一端并聯接地，這樣設計相對來說比較方便操作。每個按鍵直接連接到單片機的I/O口形成單個按鍵電路，三個按鍵互不影響輸入輸出。不過在編寫程序時要注意添加相應的消除抖動程序，換言之，即通過添加10ms的延時程序滿足在按下獨立式按鍵后在數碼管上正常顯示，光照閾值可以通過K1—K4按鍵調節并保存，其中K1為系統設置按鍵，K2實現增加數字功能，K3實現減少數字功能，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、無線發射接收電路）的工作提供一個固定的時鐘頻率晶振工作原理是以一個固定的頻率與外電路發生諧振，晶振的頻率就是在它提供的負載電容下測得的，能最大限度的保證頻率值的誤差。也能保證溫漂等誤差。在系統中有著必不可少的作用。在此為了提供合適的時鐘頻率，兩個負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兩個30pF的電容來滿足諧振條件，晶振電路如圖2-6所示。

2.8 藍牙模塊

藍牙模塊，是一種集成藍牙功能的PCBA板，用于短距離無線通訊，按功能分為藍牙數據模塊和藍牙語音模塊。這里使用藍牙數據模塊進行短距離數據輸出。藍牙信號會被手機的藍牙模塊識別，通過對此信號的解讀來顯示當前的補光模式以及光照強度。藍牙模塊電路如圖2-8所示。

3系統軟件設計

3.1光照傳感器流程設計

智能補光系統通過光敏電阻對外界光照進行感知，外界光照強度的變化會引起阻值的變化，外界光照越強，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進行相應的處理，通過LCD1602顯示器顯示出來，同時用簡單的計算得出電壓值。數控的含義就是通過D/A和

A/D

進行相應的轉換，這里采用后者實現用單片機進行相應的控制。通過A/D轉換模塊對該電流信號的變化進行收集與轉換，將轉換出的數字信號與對應的光電對應值進行核對，即可將當前的光照強度通過數字信號展示出來，隨后將數字信號輸出至單片機與設定好的閾值對應的數字信號進行分析比較處理，從而判斷是否能夠進行補光操作并完成對應操

3.2按鍵電路流程設計

通過按鍵電路實現對硬件電路閾值的設置以及補光模式的選擇。按下K1菜單鍵可以進入到各季節的光照強度閾值設定模塊以及季節設定模塊，通過K2和K3按鍵可以實現閾值數值的增加和減少。在菜單設置界面設定完閾值后，再按下K1即可退出菜單界面。并在顯示屏上顯示當前的季節以及光照強度。最后通過特殊天氣按鍵K4可以實現特殊天氣下亮黃色霧燈的操作。流程圖如圖3-2所示。