基于BH1750FVI的室內光照強度測量儀※

云中華，白天蕊

（西南交通大學信息科學與技術學院，成都610031）

引 言

傳統的光照傳感器主要采用光敏電阻，光敏電阻的光電流與光照度之間的關系稱為光電特性。光敏電阻的光電特性呈非線性，因此不適宜作檢測元件，在自動控制中它常被用作開關式光電傳感器。光敏電阻需要用A／D轉換器將其信號轉換為數字信號，電路復雜，費用高。而且，光敏電阻進行光強度采集不夠理想。針對光敏電阻的諸多缺點，提出了一種利用16位高精度數字光強度傳感器BH1750FVI進行光強度檢測儀的設計方案，利用I2C總線接口數字型光強度傳感器，可以避免A／D轉換系統帶來的誤差，可在NOKIA5110液晶顯示器上進行測量數值的顯示。該系統具有光強度采集精度較高、實時性較強等優點，并且電路設計較為簡單，容易實現與集成。

1 光強度傳感器BH1750FVI

不區分光源數字型環境光強度傳感器BH1750FVI是日本RHOM株式會社近些年推出的一種兩線式串行總線接口的集成電路，可以根據收集的光線強度數據來進行環境監測，其具有1～65 535lx的高分辨率，可支持較大范圍的光照強度變化。BH1750FVI結構框圖如圖1所示。

從結構框圖可容易看出，外部光照被接近人眼反應的高精度光敏二極管PD探測到后，通過集成運算放大器將PD電流轉換為PD電壓，由模數轉換器獲取16位數字數據，然后被邏輯和IC界面進行數據處理與存儲。OSC為內部的振蕩器提供內部邏輯時鐘，通過相應的指令操作即可讀取出內部存儲的光照數據。數據傳輸使用標準的I2C總線，按照時序要求操作起來也非常方便。

2 監測數據的液晶顯示方案

NOKIA5110是一款價廉的液晶顯示器，該顯示器可以顯示15個漢字、30個字符，僅僅需要4根I／O數據線，其工作電壓為3.3V。它采用NXP公司的PCD8544顯示驅動芯片，NOKIA5110可以使用沒有MISO只有MOSI的SPI協議，可以利用硬件SPI，但通常只需要軟件程序模擬即可，數據傳輸需要嚴格按照手冊中串行接口時序圖編寫。其運行速度十分理想，是LCD12864顯示器的20倍，LCD1602顯示器的40倍，適用于對反應靈敏度有要求的場合。

圖1 BH1750FVI結構框圖

2.1 NOKIA5110液晶顯示器的初始化

接通電源后，NOKIA5110液晶顯示器的內部寄存器和RAM的內容是不確定的，這時需要沖進行復位。當VDD變為高電平，達到或高于VDD的最小值之后，給NOKIA5110顯示模塊的復位端RST引腳輸入低電平（要求復位電平＜0.3VDD），便進行了NOKIA5110液晶顯示器的復位。圖2為NOKIA5110液晶顯示器的復位時序圖。

圖2 NOKIA5110復位時序圖

2.2 設置NOKIA5110液晶顯示器的坐標

通過查詢NOKIA5110液晶顯示器的指令集與手冊可以知道其功能設置命令的H和V。其中:H＝0使用基本指令集命令，H＝1使用擴展指令集命令，V＝0水平尋址，V＝1垂直尋址。數據以字節8位為單位下載到PCD8544的48×84位顯示數據RAM矩陣。列通過地址指針尋址，地址范圍為X:0～83（1010011）；Y:0～5（101）。

在垂直尋址模式時（V＝1），Y地址在每個字節之后遞增，經最后的Y地址（Y＝5）之后，Y繞回0，X遞增到下一列的地址。在水平尋址模式時（V＝0），X地址在每個字節之后遞增，經最后的X地址（X＝83）之后，X繞回0，Y遞增到下一行的地址。經每一個最后地址之后（X＝83，Y＝5），地址指針繞回地址（X＝0，Y＝0）。

2.3 顯示方式

顯示漢字可以采用兩種點陣方式，一種是12×12點陣，一種是16×16點陣。采用12×12點陣漢字時，由于不是8的整數倍數，因此行與行之間只能隔開，這樣才能完整顯示一個漢字。英文字符占用6×8個點陣，可以通過建立一個ASCII的數組來進行尋址。

3 監測系統結構設計

利用BH1750FVI和NOKIA5110液晶顯示器進行系統結構的設計，其中NOKIA5110需要使用5個I／O口，RST復位端、SCE芯片使能端、DC模式選擇端、DIN數據線、CLK時鐘線分別接到單片機的P2.1～P2.5口。由于BH1750FVI使用低電壓3.3V，而傳統單片機使用的是5V電壓，故需要一個3.3V電源芯片662k輸出穩定的3.3V電壓，BH1750FVI光強度傳感器的ADDR端口接地，另需使用兩個I／O接口，其中時鐘端SCL，數據端SDA分別外接到了單片機的P3.1和P3.2口（此處單片機未畫入圖中）。測量儀電路圖如圖3所示。

圖3 測量儀電路圖

4 系統軟件驅動設計

軟件部分包括BH1750FVI數據采集、NOKIA5110液晶顯示器、I2C數據總線、單片機控制等幾部分。限于篇幅本文僅給出其重要驅動模塊的程序代碼。

4.1 光強度傳感器BH1750FVI數據采集部分

光強度傳感器采集過來的數據被存儲在數據寄存器中，將數據讀出后要進行數據轉換，把個十百千萬每位數據換算出來，然后用于程序調用。

（1）數據轉換程序段

4.2 液晶顯示器NOKIA5110液晶驅動部分

NOKIA5110液晶操作首先需要初始化，然后執行清屏、寫入數據等操作。NOKIA5110初始化程序如下:void initNokia5110（void）｛

結 語

本文利用16位數字光強度傳感器BH1750FVI和普通的51單片機設計了數字光照強度的數據實時采集與顯示。由于光強度傳感器精度高，I2C總線接口簡單易用，NOKIA5110液晶顯示器使用方便、體積較小等特性，較為價廉地實現了高精度數字光照強度的實時采集。經過實驗證明其反應速度非常靈敏，測量精度高，適合于對精度要求較高的場合。

編者注:本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

［1］ROHM.BH1750FVI光強度傳感器數據手冊［EB／OL］.［2012－02－07］.http:／／www.rohm.com.

［2］Philips.PCD8544 48×84點矩陣LCD控制／驅動手冊［EB／OL］.［2012－02－07］.http:／／www.semiconductors.philips.com.

［3］馬忠梅，張凱.單片機的C語言應用程序設計［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2007.

［4］商麗娟.I2C總線在監控檢測系統中的應用［J］.計算機與網絡，2001（18）.

［5］鄔寬明.單片機外圍器件實用手冊［M］.北京:北京航空航天大學出版社，1998.