李震球

摘? 要：本文設計了一種單片機為主控芯片的室內(nèi)光線調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可通過手動和自動兩種模式控制步進電機的正反轉，從而控制窗簾的升降來調(diào)節(jié)室內(nèi)光線。該系統(tǒng)使用了BH1750FVI環(huán)境光強度傳感器和DHT11溫濕度傳感器，自動模式時單片機按照程序對比當前光照強度和程序所設置的閾值控制窗簾升降，手動模式時可通過兩個按鍵人為控制，同時系統(tǒng)能夠通過液晶屏顯示所處環(huán)境的光照強度、溫度和濕度的具體數(shù)值，可以為手動控制提供參考，對正常的室內(nèi)工作和休息提供很大的便利。

關鍵詞：單片機;光強度檢測;溫濕度檢測;步進電機

本文研究目標是設計一套操作簡單、功能豐富、性價比高的室內(nèi)光線調(diào)節(jié)系統(tǒng)，系統(tǒng)以51單片機為主控核心，根據(jù)采集到的光照信息自動控制窗簾的升降，也可參考光照強度和溫濕度的顯示值，手動按鍵控制窗簾升降，使室內(nèi)光線達到令使用者滿意的效果。具體內(nèi)容要求如下。

1.本系統(tǒng)采用單片機作為控制器，控制電機的正反轉，以此來控制窗簾的升降，從而調(diào)節(jié)室內(nèi)光線的亮度。

2.選擇合適的傳感器，分別采集光照強度、溫度和濕度的信息，并用液晶屏顯示出具體的數(shù)值。

3.該控制系統(tǒng)分為自動控制模式和手動控制模式。選擇自動控制升降模式時，單片機按照程序對比當前光照強度和程序所設置的閾值，光線過強時和夜晚光線很弱時自動降下窗簾，光線昏暗時自動升起窗簾，系統(tǒng)完成自動調(diào)節(jié)室內(nèi)光線的任務。選擇手動控制升降模式時，可以參考顯示的光照強度、溫度和濕度的數(shù)值，根據(jù)使用者個人的判斷和需求，通過按下兩個按鍵來分別控制卷簾的升降任務，使室內(nèi)光線達到滿意的效果。

一、系統(tǒng)的總體設計方案

該控制系統(tǒng)以51單片機為控制核心，采用光強度傳感器和濕度傳感器為執(zhí)行部件，通過液晶顯示器實時顯示采集到的數(shù)據(jù)，使用鈕子開關完成模式選擇的任務。選擇自動模式時，單片機處理環(huán)境光強度傳感器采集到的數(shù)據(jù)，判斷光線是否需要調(diào)節(jié)，決定步進電機是否執(zhí)行任務。選擇手動模式時，單片機對兩個按鍵進行掃描，判斷按鍵按下狀態(tài)，控制步進電機完成對應的操作。

二、系統(tǒng)的硬件設計

根據(jù)設計目標和可行的總體設計方案，從硬件設計開始具體方案的實施工作，硬件的設計和搭建為整個系統(tǒng)的運行奠定基礎，也為之后系統(tǒng)的軟件設計提供準確的依據(jù)。

1.單片機系統(tǒng)選擇

單片機最小系統(tǒng)是指滿足能夠使單片機正常工作的前提下，用最少的元件組成的系統(tǒng)，單片機最小系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。

2.光照采集模塊選擇

本設計光照強度的采集使用GY-30數(shù)字光強度模塊，該模塊由BH1750FVI芯片、低功耗3.3V穩(wěn)壓器和電平轉換電路組成。BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器集成電路，可檢測1lx-65535lx大范圍的光照強度變化，能夠輸出對應光照強度的具體數(shù)值。模塊內(nèi)部的通信電平轉換電路可使模塊直接與單片機I/O口相連接，使用方便。

3.溫濕度采集模塊選擇

選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器為本設計實現(xiàn)溫濕度采集功能，該傳感器輸出的信號是經(jīng)過校準后的數(shù)字信號，內(nèi)部是將一個電阻式濕度感測元件和一個NTC溫度測量元件與一個8位高性能的單片機連接起來，并用4針單排引腳封裝，20米以上的距離也可接收到傳感器的信號，不論是引腳連接還是數(shù)據(jù)使用都顯得格外方便。

4.顯示模塊

本系統(tǒng)采用LCD1602液晶屏進行顯示。LCD1602液晶實際上是由許多7行5列或者11行5列的點陣組成的液晶模塊，外部共有16個引腳。

5.步進電機驅動模塊

28BYJ48步進電機通過四根線與ULN2003驅動模塊的四個OUT引腳對應連接，ULN2003步進電機驅動模塊的四個IN引腳與單片機的P2.4～P2.7引腳對應連接，四個引腳的不同電平排列驅動單片機執(zhí)行對應的正反轉和轉動的步數(shù)。

三、軟件設計方案

硬件設計的完成相當于系統(tǒng)有了整體的框架，框架需要軟件的內(nèi)容來填充配合才能構成一個整體，硬件和軟件的呼應維持整個系統(tǒng)的運轉。在對軟件設計時，考慮到本設計使用到較多的模塊，如果全部編寫在一個程序中，不僅要定義很多不同的變量，使整個程序很長不利于編寫，而且在編譯過程中出現(xiàn)問題會難以排查和調(diào)試，所以將不同模塊編寫自己的子程序，最終在主程序中調(diào)用，這樣會降低軟件設計的難度和出錯率。

1.液晶顯示部分軟件設計

液晶顯示部分的程序需要包含寫命令子函數(shù)、寫數(shù)據(jù)子函數(shù)、初始化子函數(shù)、延時子函數(shù)和顯示函數(shù)，使用LCD顯示模塊，LCD1602是沒辦法辨認出ASCII碼以外的數(shù)據(jù)，若要顯示的數(shù)據(jù)不是ASCII碼的形式，必須要提前轉換。

2.光照強度采集模塊軟件設計

BH1750光照強度采集模塊上電后經(jīng)過短暫的延時初始化，連續(xù)讀出數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)合成光照強度數(shù)據(jù)，之后計算數(shù)據(jù)并通過LCD1602顯示出來。需要注意的是LCD1602只能識別ASCII碼數(shù)據(jù)，所以需要把數(shù)據(jù)先轉換成其對應的ASCII碼，否則無法顯示正確的數(shù)值。

傳感器采集到的光照強度數(shù)據(jù)還要在自動模式時對電機進行控制，由于不同的室內(nèi)場景需要的光照強度不同，根據(jù)搜集到的測試資料顯示，一般的閱覽室、研究室需要150lx～300lx的光照強度，辦公室、會議室、營業(yè)廳需要100lx～200lx的光照強度，一般家庭臥室需要50lx～300lx的光照強度，考慮到方便該系統(tǒng)的購買者購買后可直接安裝使用，省去自己調(diào)整合適光線的過程，程序默認使用一般家庭臥室適合的光線強度范圍，當傳感器檢測到光照強度高于300lx時窗簾會自動降下，光線在50lx～300lx之間時自動升起，若光照強度低于50lx，則說明外面光線很暗或者到了夜晚需要室內(nèi)開燈來調(diào)節(jié)，這時候需要降下窗簾。

3.溫濕度采集模塊軟件設計

DHT11溫濕度采集模塊在通電后，單片機上連接該模塊的引腳低電平輸出，經(jīng)過短暫的延時該引腳輸出高電平，再次延時后讀取數(shù)據(jù)，最后用液晶屏顯示讀出的數(shù)據(jù)。

4.按鍵部分軟件設計

鈕子開關中間引腳接單片機的P1.7口，另外兩端分別接電源線和地線，單片機通過判斷接收高低電平來對應執(zhí)行自動或手動模式的選擇，兩個按鍵一端接地，對角線一端分別接單片機的P3.4和P3.5口，單片機在手動模式時接收到低電平信號則對應執(zhí)行升降的命令。

5.步進電機模塊軟件設計

通過控制ULN2003步進電機驅動模塊連接單片機的四個引腳的電平排列，按照表1和表2所示的正轉表和反轉表編寫程序，步進電機對應轉動期望的方向和步數(shù)。

四、系統(tǒng)的調(diào)試與測試

1.系統(tǒng)的調(diào)試硬件

原理圖設計完畢后，要先對各個模塊及元器件進行檢測，如果出現(xiàn)不能正常使用的元件要及時更換，尤其是電源部分要仔細調(diào)試，穩(wěn)壓模塊要確保輸出正常，否則通電后可能會損壞大量元件。調(diào)試前先把單片機最小系統(tǒng)焊接完成，在焊接時要仔細核對好引腳連接，整理好思路，保證每一個焊點的有效性，盡量避免焊接錯誤而返工，焊接完成后要用萬用表檢測每條線路的連接，對線路進行全面的檢查。

2.系統(tǒng)整體測試。

各個模塊和器件測試完畢，開始將所有的模塊和元器件按照原理圖整合焊接，焊接完成后再進行整體的調(diào)試。

電路焊接完畢后，進行程序下載。用萬用表再檢測一遍電源輸出電壓，之后給單片機上電，液晶屏會顯示當前光照強度和溫濕度值，先把鈕子開關打到手動擋，測試兩個按鍵能否控制電機正反轉，用加熱過的電烙鐵靠近DHT11傳感器，觀察溫度顯示變化，再用噴霧器對該傳感器附近噴灑少量的水，此時顯示的濕度也發(fā)生變化，說明溫濕度傳感器和顯示模塊測試成功。把鈕子開關打到自動擋，增加和遮擋GY-30傳感器模塊附近的亮度，看液晶屏顯示值，以及電機對應亮度變化的轉動情況，符合設定要求即表示系統(tǒng)整體運行成功。

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