便携式光照强度检测仪系统的设计

本科生毕业论文（或设计）

（申请学士学位）

论文题目便携式光照强度检测仪系统的设计

作者姓名赵志强

专业名称自动化

指导教师刘立

2013年6月

学生：（签字）学号：2009210399

答辩日期：2013年6月16日

指导教师：（签字）

目录

摘要 (1)

Abstract (1)

1 绪论 (2)

1.1 课题的选题背景及意义 (2)

1.2 国内外研究发展现状 (2)

1.3 课题的主要研究内容及章节安排 (3)

1.3.1 主要研究内容 (3)

1.3.2 章节安排 (3)

2 系统总体方案设计 (3)

2.1 光照强度对蔬菜种植、动物养殖、居室环境的影响 (3)

2.2 系统的任务和功能 (4)

2.3 系统总体结构设计 (4)

3 系统硬件电路设计 (5)

3.1 电源模块 (5)

3.2 单片机 (5)

3.3 采集模块 (7)

3.4 语音模块 (7)

3.5 时钟模块 (8)

3.6 串口通信模块 (8)

4 系统的软件流程图 (9)

5 实物的展示及性能测试分析 (11)

5.1 系统整体实物图 (11)

5.2 光强传感器模块实物图 (12)

5.3 彩屏模块实物图 (12)

5.4 系统测试及结果数据分析 (13)

结论 (13)

参考文献 (14)

附录1 便携式光照强度检测仪整体设计图 (15)

附录2 设备及元器件清单 (16)

附录3 系统主程序图 (17)

致谢 (20)

便携式光照强度检测仪系统的设计

摘要:随着现代生活和生产对光照强度的要求越来越严格，因而便携式光照强度检测仪具有广泛的应用前景。便携式光照强度检测仪系统是以单片机STC89C52RC和光强传感器为技术核心，由单片机最小系统、电源模块、时钟模块、串行通信模块、WTV020语音模块、光强传感器模块、电源模块、显示模块组成。主要通过单片机对光强的转换来实现整个系统的工作。实验测试表明，基本上实现了便携式光照强度检测仪系统的整体功能，可显示当前光照并语音播报当前光照强度。

关键词：单片机STC89C52RC；TSL2561光强传感器；WTV020语音模块

Design of the Portable Light Intensity Detector System Abstract:With the development of modern life and production, the light intensity is required more and

more stricter, so that the portable light intensity detector has the widespread application prospect.Portable light intensity detector system is taken the single chip microcomputer (SCM) STC89C52RC as the core, including the smallest SCM system, power module, clock module, serial communication module, WTV020 module, voice light sensor module, power module, display module.The whole system work is realized by mainly the conversion of light intensity with SCM. The experimental tests show that the whole function of the portable light intensity detector system is basically realized and is displayed the current light and voice broadcast the light intensity.

Key words:SCM; STC89C52RC; Sensor TSL2561 Light Intensity; WTV020 Voice Module

1绪论

1.1 课题的选题背景及意义

随着改革开放的不断深化和城镇化的不断发展，越来越多的人移居到城市生活，而这需要足够的食物作为支撑。同时随着工业化的不断发展，人们对自身的健康越来越关注，对居室的环境要求也越来越高。而携带方便，能够及时准确的显示并播报的光照强度检测仪的产生是人们的迫切需求。

便携式光照强度检测仪是现代社会的产物，是以后发展的方向。它是一个集光照强度感知，语音播报，自动提示与一体的综合系统。如图1-1所示，大棚种植、牲畜养殖以及人们对生活的需求凸显了本系统拥有广泛的应用前景。其中，蔬菜需要控制光照强度,以利于生长素的产生，从而加快蔬菜的生长速度，创造出更高的经济效益和社会效益。而人们的生活环境（学生的学习环境,办公室，工厂等）需要控制光照强度，使人们有一个好学习生活环境。同时需要控制居室光照强度，以便人们健康的生活。便携式光照强度检测仪也可以用于太阳能的研究和利用，农作物生长方面，太阳能能源使用，气象研究，建房朝向等等。因此，本课题开展便携式光照强度检测仪系统的设计具有一定的应用价值及实际意义。

图1-1 便携式光照强度检测仪的应用范围

1.2 国内外研究发展现状

在国内的研究中，光强度检测用感光元素，产生一个电压信号，然后放大并由模拟到数字转换成数字的能力。该A/D转换器生成一个变量引入到一个微处理器平信号，其中，信号电平进行比较参考信号，以便与预定的相关的职权收集信号“读”的样本。利用光的强度取样，以确定样本的条件，产生了不同程度的转换，相应的数字信号沿线的A/D转换器，以确定已知的光强度测量设备光的强度。现以光照强度对雨生红球藻叶绿素相对含量及细胞密度的影响为例，在其他条件不变的情况下，用相同光照强度照射雨生红球藻，在前3天，光照强度对雨生红球藻叶绿素相对含量的影响均差异不显著。从第4天开始光照强度对雨生红球藻叶绿素相对含量的影响差异显著。与接种时相比，培

养结束时，藻液叶绿素的含量有不同程度的增加。

在国外的研究中，欧洲专利申请由R-Flip等人于8月7日提出，公开了一种方法和分析物的测定仪器。A光源是为了一个样本及一个探测器所发出的光的收集。光照强度的排放水平是用来确定样本的条件。由于该应用程序显示，所发出的光被转换成模拟信号，然后放大并转换成一个数字信号通过一个A/D转换成数字输出，被介绍到微处理器。第4766083题为：为生物凝集光度测定法等。8月23日，1988年，公开了一种测量生物样品凝集反应系统测试使用的凝集实验检测样本散射光激光束源和探测器1光度法和器具。由光敏元件收集的光线是从模拟信号转换为数字信号处理前[4]。

虽然这些设备提供准确的抽样技术，并模拟向数字转换计划是适合实现预期的效果，但依然存在弊端。综上所述，利用光的强度取样，以确定样本的条件，产生了不同强度的转换。目前，光照强度检测，经过不断地研究和发展，检测仪器将朝着快速便捷，低成本，低功耗以及自动化的方向发展。

1.3 课题的主要研究内容及章节安排

1.3.1 主要研究内容

本课题主要是研究一个能自动检测和显示光照强度并能语音播报的便携式光照强度检测仪。核心单片机是STC89C52RC，是主要的控制端，通过接收外部信号并对信号作出处理，来控制各个模块。结合单片机最小系统和光敏二极管设计一个基于单片机的便携式光照强度检测系统。实现单片机最小系统及光敏网络的设计。编写单片机的程序，将获得的电信号转换成光照强度单位下的数值，并用数码管显示。

1.3.2 章节安排

本文共分为5章，各章节安排如下：

第1章绪论。介绍了本课题的背影及研究意义，并介绍了光照强度测试仪的应用范围。给出了光照强度检测仪的研究现状，并概述了本文的主要研究内容。

第2章系统总体设计方案。介绍了光照对蔬菜种植等的影响，并给出了系统的技术要求和整体设计框图。

第3章系统的硬件电路设计。详述了光照强度检测仪各模块的结构和工作原理，阐述了各模块的相互关系和作用。

第4章系统软件流程图。给出了该系统的工作流程。

第5章实物的展示及性能测试。介绍了系统的各个实物部分，并对不同环境下光强的数值进行分析和整理。

2 系统总体方案设计

2.1 光照强度对蔬菜种植、动物养殖、居室环境的影响

光合作用是生物化学反应，在较低的光照强度下，光合速率增加显著；当光量子通量密度达到500umol/m2·s后，光合速率上升缓慢并逐渐达到光饱和点。同时研究还发现，当光强达到800umol/m2·s

以后，光合速率虽有增加，但增加量较少，基本在10％左右，一般机器难以测出。然而在到达单叶的饱和点以后，增加光强，植株群体的光合速率仍然缓慢增加。在冬春季保护地栽培中，光照强度本来就弱，加上覆盖物，光照变的更加不足。试验结果表明，冬春季温室的光照远远不及夏季的40％，光照的时间也短得多，光照量严重不足，导致植株生长缓慢，产量明显低于夏季。在弱光处理后的植株，即使给予充足光照，在相当长的一段时间内光合速率也难以恢复到正常水平。因而，只有给以充足的光照量，植株才能健康成长，获得高产。

研究光照强度对动物养殖的作用，以家兔的繁殖为例来探究光照对繁殖的影响。法国国家农业科学院的实验表明，兔舍光照时间为每天13～15小时，光照强度每平方米不低于5瓦，有利于繁殖中的母兔正常的生育。而公兔对光照时间要求不高，一般为11～13小时，如果超过17个小时，则会导致公兔睾丸重量的减轻和精子数亮的减少，从而影响生育能力。又据资料显示，在20～24℃和全暗的条件下，每平方米补充2瓦光照1小时，母兔虽然有一定的繁殖能力，但受胎率却很低，一次配种的受胎成功率只有30%左右；如果将光照增加到每平方米15瓦和光照12小时，则一次配种受胎成功率可达50%左右。在相同光照下连续照射16小时，母兔的受胎率则可达65%～70%，仔兔成活率也得到可明显的提高。因而，增加光照强度和光照时间可明显提高母兔的受胎成功率和仔兔的成活率。光照强度对家兔繁殖的影响与营养有着协同作用。研究结果发现，在短日照的冬季（日光照时间10～12小时），母兔将长期处于乏情期，而正常发情的母兔低于20%.当增加光照时间达到14～16小时后，母兔的发情率能够增加到60%左右。在增加光照强度的同时增加营养，特别是补充维生素A和维生素E，并使它们分别达到10000毫克/千克和50毫克/千克，母兔的发情率将能达到90%左右。

光照对居室环境的影响，以人的睡眠为例。现代的医学研究表明，视觉系统不仅仅传递给大脑光的信号，并且能把外界光环境的信息传递给大脑的松果体。引起松果体产生褪黑激素进入血液、脑脊液、细胞内外液中，从而控制了人的睡眠水平的高低。光强的变化是外界环境中影响褪黑色素合成的最主要的因素。其中，褪黑素分泌与黑暗期的长短成正比。因此，光暗周期通过对褪黑素合成昼夜节律性地影响进而调整机体的内在生物节律。在夜间光照能够抑制褪黑素的合成，同时，光照波长和强度均对褪黑素合成产生不同的影响，从而影响了人的睡眠质量[5]。

2.2 系统的任务和功能

设计一个便携式光照强度测试的系统，对当前环境的光照强度能够检测，通过语音播报工作模式、时间和适宜的光强范围；TFT彩屏显示检测的光强，进行比较得出当前环境下的光强是否偏高、适宜还是偏低；通过按键调整时间、控制语音播报内容。

2.3 系统总体结构设计

如图2-1所示为光照强度检测系统设计总体框图，本系统通过光强传感器采集光照，输送给主控单片机。主控单片机通过内部的运行，完成以下的步骤：将采集信息反馈给光强传感器；驱动实时时钟模块工作并接收时钟模块反馈的信号；驱动语音模块播报当前光照强度和时间；驱动彩屏模

块显示当前光照强度和时间。

图2-1 系统总体设计图

3 系统硬件电路设计

3.1 电源模块

电子电路与电子设备都需要有一个稳定的直流电源提供能量，而且对于我们通常所接触的控制器而言，一般都是利用电网提供的交流电源，经过整流、滤波、稳压后，滤去其不稳定的脉动、干扰成分，提供一个稳定的直流电压，来使电子电路与电子设备保持正常的工作。本模块主要采用AMS1117稳压器。AMS1117系列稳压器有多种固定电压版与可调版，设计用于提供1A输出电流且工作压差可低至1V。在最大输出电流时，保证AMS1117器件的压差最大不超过1.3V，并随负载电流的减小而逐渐降低。

在AMS1117上微调把基准电压调整到1%的误差内，而且相应调整限制电流，减少由于稳压器和电源电路超载而造成的压力。

三端口可调节或固定输出电压。

1.5V，1.8V，

2.5V，2.85V，

3.3V和5.0V输出电流1A工作压差低至1V线荷载调节：0.2% Max。负载调节：0.4% Max。可选SOT-223,TO-252和SO-8封装。电源模块如下图3-1所示。

图3-1 电源模块

3.2 单片机

STC89C52RC系列单片机是高速/低功耗/抗干扰的新一代8051单片机，与传统8051单片机指令

代码完全兼容,速度却是前者的8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S)。

各引脚功能简单介绍如下：

（1）VCC：供电电压；

（2）GND：接地；

（3）P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个管脚可吸收8TTL门电流。

（4）P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。

（5）P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL 门电流，当P2口被写“1”时，其管脚电位被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

（6）P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)，也是由于上拉的缘故。P3口也可作为STC89C52RC的一些特殊功能口：P3.0 RXD(串行输入口)；

P3.1 TXD(串行输出口)；

P3.2 INT0(外部中断0)；

P3.3 INT1(外部中断1)；

P3.4 T0(记时器0外部输入)；

P3.5 T1(记时器1外部输入)；

P3.6 WR (外部数据存储器写选通)；

同时P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信；

（7）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高平时间；

（8）ALE / PROG ：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节；

（9）PSEN：外部程序存储器的选通信号；

（10）EA/VPP：当EA保持低电平时，访问外部ROM；注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，访问内部ROM。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)；

（11）XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入；

（12）XTAL2：来自反向振荡器的输出。

单片机模块如图3-2所示[6-8]。

图3-2 单片机模块

3.3 采集模块

TSL2561光强数字转换芯片，具有高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置等优点。TSL2561具有直接I2C接口，用于将光照强度转换成数字信号输出。其内部结构如图3-3所示。TSL2561内部连接一个光敏二极管（通道0）和一个红外响应光敏二极管（通道1）。这个集成电路具有提供20位动态范围内近适光响应的能力。两个集成的积分式A/D转换器，可将光敏电流转换成一个数字输出，并存入芯片内部通道0和通道1各自的寄存器中。数字输出表示测量每一个通道的光强，可以是微处理器的输入。TSL2561可直接通过I2C总线协议由微控制器访问，微控制器则通过对其内部的16个寄存器的读写来实现对TSL2561的控制。采集模块如下图3-3所示[9-10]。

图3-3 采集模块

3.4 语音模块

WTV020是一款功能强大的一次性可编程语音芯片，音频输出为PWM 或DAC模式。可选控制方式有按键控制模式、并口控制模式、串口控制模式等。按键控制模式的触发方式灵活；串口模式下可控制音量、打开或关闭功放、有循环播放和停止功能。且支持万年历功能，外接32768K晶振能精准计算年、月、日、时分秒等，功能十分强大，性价比很高。WTV020芯片内建16位DA音频

输出，且自带内部滤波功放，可以直接驱动0.5W的喇叭，内建PSG可编程语音合成技术，真正具有高音质和低噪声的特点。与WTV系列语音芯片配套的专业语音编程软件操作界面简单、容易操作，功能齐全，充分利用芯片内部的资源，可以大大缩短芯片的制作周期。此芯片具有众多单元电路，且有极强的可编程能力。语音模块如下图3-4所示[10]。

图3-4 语音模块

3.5 时钟模块

时钟电路作用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在惟一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。该时钟电路由两个电容和一个晶体振荡器组成。DS130可以计时到秒，且具有闰年补偿等功能。该芯片有接口简单、价格低廉、使用方便的优点。其主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。每个单片机系统里都有晶振，全程是叫晶体震荡器，在单片机系统里晶振的作用非常大，它结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的。

晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。时钟模块如下图3-5所示。

图3-5 时钟模块

3.6 串口通信模块

串口通信模块式由MAX232主打的，MAX232内部结构基本可分三个部分：

第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚

（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN 输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。串口通信模块如下图3-6所示。

图3-6 串口通信模块

4 系统的软件流程图

检测器的光照强度检测、液晶显示和语音播报均是在硬件电路测试安装好后，通过手动调节和自动检测共同完成的。软件程序下载到单片机后，手动拨动电源开关到开的位置，随后光强传感器开始检测变量，并将得到的数值进行初始化。同时液晶开始初始化并进行背景色设置。然后，光强传感器将光强强度输送给主控单片机，主控单片机对数值进行分析和转换，并将处理后的数据传给液晶显示器显示在屏幕上，同时语音播报器播报当前光照强度和时间，并提示当前光照是否适宜。其流程如图4-1所示。

时间设置和环境切换及环境标准值的设定均是在液晶显示屏上进行的。通电后，液晶显示系统开始初始化并显示背景色。然后手动触屏，选中不同环境，进入不同的工作模式，同时语音播报。流程如下图4-2所示。时间设置是按显示器左上角键进行调节年、月、日、时、分、秒，并语音播报，其流程图如图4-3所示。环境标准值设定通过左下键进行调节，其流程图如图4-4所示。

图4-2 环境设置流程图

图4-1 系统主流程图

5 实物的展示及性能测试分析

5.1 系统整体实物图

该设计的特点为：(1)光强测试仪要便携式方便移动；(2)光照强度采集要有时钟记录；(3)光照强度能够在彩色液晶上显示；(4)光照强度的高低阈值可由用户手动设定；(5)分动物养殖、蔬菜种植、居室环境；(6)能够语音播放当前光照强度值。系统整体实物图如下图5-1所示。

图5-1 系统整体实物图

图4-3 时间设置流程图

图4-4 环境标准值范围调节

5.2 光强传感器模块实物图

光强传感器是一种感应光的强弱并进行显示、处理的测量装置。使它可以完成多种光学实验，诸如比较光强和距离的关系；研究光的干涉、衍射、偏振；在不同光源下测量光的相对强弱；TSL2561是一种高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置的光强度数字转换芯片。该芯片广泛应用于各类显示屏的监控上，目的是在多变的光照条件下，使得显示屏提供最佳的显示亮度并尽可能降低电源功耗。光强传感器模块实物图如下图5-2所示。

图5-2 光强传感器模块实物图

5.3 彩屏模块实物图

彩屏显示模块是有源矩阵类型液晶显示器(TFT)中的一种，采用“背透式”照射方式。液晶平板显示器，特别的TFT，是目前唯一在亮度、对比度、功耗、寿命、体积和重量等综合性能上全面赶上和超过CRT的显示器件，它的性能优良、大规模生产特性好，自动化程度高，原材料成本低廉。彩屏模块实物图如下图5-3所示。

图5-3 彩屏模块实物图

5.4 系统测试及结果数据分析

将程序导入单片机，然后上电复位，通过触屏来调整时间，模式，并能语音自动播报。用仪器来测量不同环境下的光照强度，得到以下结果如表5-1所示。

表5-1 光照强度测量值

显示播报适宜度

蔬菜种植环境435 435 偏低5431 5431 适宜9014 9014 偏高

动物养殖环境453 453 偏低1123 1123 适宜2412 2412 偏高

居室环境836 836 偏低3423 3423 适宜5430 5430 偏高

当光强在8000-4000时适合蔬菜种植；当光强在1500-800时适合动物养殖；当光强在4000-1000时适合居住；测试结果符合程序设定的阈值。

结论

本文设计了一个基于单片机的便携式光照强度检测仪系统，包括检测仪的硬件构成、软件逻辑及程序代码；以STC89C52RC作为系统硬件核心，采用光强传感器检测信号，将检测到的光照强度传送给主控单片机进行分析和转换。同时实时时钟将能够记录时间并在显示器上显示。而显示屏为触屏显示器，可以通过手动触屏来改变日期和环境。单片机将处理后的数据传送给显示器，同时语音播报当前的光照强度和日期。实现了携带方便，检测准确的特点。同时本装置应用广泛，人们的生产种植和居室环境均需要考虑到光照的因素，而便携式体现了它的特点，因此具有广阔的应用。

未来的发展趋可能为体积更小、价格更便宜并能够给出特定环境下最适宜的光照强度。同时由于现场设备和本人水平有限，因此存在以下的缺陷：（1）系统上电后显示屏会出现异常，不能正常显示，需多次上电复位；（2）显示屏有时会接触不良。这些有待以后的研究。

参考文献

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报, 2009, 5(1): 32-35.

[4] Yang ,YI. J. Woo, Y.Y. and Kim. B. …Optimum design for line arity and efficiency of microwave

Doherty amplifier using a new load matching technique?, 2007, (44), pp. 20-36.

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附录1 便携式光照强度检测仪整体设计图

附录2 设备及元器件清单

序号名称型号数量

1 单片机STC89C52RC 1

2 电源AMS117 1

3 光强传感器TSL2561 1

4 语音芯片WTV020 1

5 晶体振荡器DS130 1

6 电平转换芯片MAX232 1

7 显示器HEAD20D 1

8 排阻RESPACK-3 5

9 排阻RESPACK-9 2

10 电阻金属氧化层9

11 电容CAP 11

12 晶振CRYSTAL 2

13 LED RED 2

14 按键BUTTON 1

15 干电池UM-4 1

16 开关SW-SPDT 1

附录3 系统主程序图

main()

{

uchar jiance; //光强检测变量

write_isc(0x80,0x03);

init_ds1302(); //ds1302初始化数据

tftlcd_init(); //液晶初始化

clearscreen（Black); //设置背景色

show_RGB(0,240,0,320,Black); //显示RGB颜色

write_string(56,0,"求精电子"，Green,Black);

write_string(40,32,"光强测试仪"，Green,Black);

write_string(0,64,"环境"，Green,Black);

write_string(80，64,"居室"，Green,Black);

write_string(0,96,"适宜范围"，Green,Black);

write_string(176,96,"-"，Green,Black);

write_string(0,128,"光照强度"，Green,Black);

write_string(16,160,"时"，Green,Black);

write_string(64,160,"分"，Green,Black);

write_string(112,160,"秒"，Green,Black);

write_string(16,192,"年"，Green,Black);

write_string(64,192,"月"，Green,Black);

write_string(112,192,"日"，Green,Black);

while(1)

{

readlight(); //注意硬件地址匹配

writelcd_shuzhi(144,128,date0,Green,Black); //显示光照强度

lcd_ds1302();

if(!play) bobao; //播报当前时间和光照

if(nian) bo_nian(); //播报日期

if(!mode)