基于BH1750芯片的測光系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王 建，毛騰飛，陳英革

（常熟理工學(xué)院 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇，常熟 215500）

目前，大多數(shù)測光系統(tǒng)的光強采集元件都是使用光電三極管或光電池.由于信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等是這兩類采集元件必不可少的部分，其系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度較高.高級的測光系統(tǒng)還需要設(shè)計多檔放大電路來實現(xiàn)大量程測光.這些電路無疑增加了傳統(tǒng)測光系統(tǒng)的能耗和空間開銷，降低了其靈活度.并且傳統(tǒng)的測光系統(tǒng)非常容易受到如紅外線、紫外線等非可見光的干擾.

本系統(tǒng)采用新型單片測光芯片BH1750，較好地解決了傳統(tǒng)測光系統(tǒng)的弊端[1].BH1750是半導(dǎo)體制造商ROHM為適應(yīng)以移動電話手機為首的便攜式機器和液晶電視等的要求而開發(fā)出的具有優(yōu)良光譜靈敏度特性、16bit串行輸出的單片數(shù)字照度傳感器.由于其面世不久，關(guān)于它的資料十分稀少，目前有關(guān)BH1750的實用資料僅有一份其官方網(wǎng)站發(fā)布的英文版芯片手冊.本文在參考該手冊基礎(chǔ)上，結(jié)合筆者的實際測試經(jīng)驗，主要以源程序并適當解釋為讀者呈現(xiàn)出用51系列單片機[2,3]配合BH1750的簡單使用實例，為相關(guān)開發(fā)人員提供一定的借鑒參考.

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件框架

在該系統(tǒng)中，主控器為宏晶公司的51系列單片機STC12LE5A60S2，光強傳感器使用BH1750，人機界面為顯示部分+控制按鍵.顯示部分采用2.0寸176×220分辨率TFT彩色液晶屏.由于本文的重點在BH1750部分，其他部分如顯示屏驅(qū)動等從略.

圖1是系統(tǒng)的硬件框架圖.主控器通過IIC（Inter－Integrated Circuit）通訊接口讀取BH1750采集到的數(shù)據(jù)，然后按照用戶要求的形式通過界面將數(shù)據(jù)呈現(xiàn).從系統(tǒng)的框架圖可以看出，使用BH1750搭建測光系統(tǒng)相對比較簡單.因此，開發(fā)人員可以很容易地將此IC嵌入到其他需要測光功能的系統(tǒng)中，從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜度.

圖1 系統(tǒng)硬件框架圖

1.2 BH1750與單片機的接線圖

如圖2所示，BH1750只需占用主控器的3個I/O端口就可以正常工作.如果系統(tǒng)需要是采用多片此IC，則每兩片BH1750可以共用這3個I/O端口，只需將其中一片的地址腳ADDR接高電平，另一片接低電平就可以互不干擾.主控器將通過不同地址訪問不同IC.文中系統(tǒng)評估部分的兩片BH1750就是使用這種接法.

圖2 BH1750接線圖

1.3 BH1750的通訊協(xié)議及過程

BH1750與主控器之間的通訊使用標準的IIC通訊協(xié)議.IIC總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備.IIC總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號，它們分別是：開始信號、結(jié)束信號和應(yīng)答信號.

主控器通過IIC接口向BH1750發(fā)送各種控制命令以及讀取測量數(shù)據(jù).

（1）主控器向BH1750發(fā)送控制命令步驟：①主控器產(chǎn)生通訊啟動信號；②主控器發(fā)送8bit的地址數(shù)據(jù)（其中地址的最后一位應(yīng)為0，表示寫命令）；③主控器讀取BH1750的應(yīng)答信號；④主控器發(fā)送8bit的命令數(shù)據(jù)；⑤主控器讀取應(yīng)答；⑥主控器產(chǎn)生停止信號.

（2）主控器從BH1750讀取數(shù)據(jù)步驟：①主控器產(chǎn)生通訊啟動信號；②主控器發(fā)送8bit的地址數(shù)據(jù)（其中地址的最后一位應(yīng)為1，表示讀命令）；③主控器讀取應(yīng)答；④主控器讀取高8位數(shù)據(jù)；⑤主控器產(chǎn)生應(yīng)答信號；⑥主控器讀取低8位數(shù)據(jù)；⑦主控器產(chǎn)生應(yīng)答信號；⑧主控器產(chǎn)生停止信號.

1.4 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作時要先進行各部分的初始化，完成后開始接收用戶命令，根據(jù)用戶的不同操作執(zhí)行不同的任務(wù).具體流程如圖3所示.

1.5 系統(tǒng)核心代碼

下面給出主控器發(fā)送命令、讀取數(shù)據(jù)的函數(shù)實例代碼：

以上兩段代碼都是按照圖3所示的通訊時序?qū)懗龅模⑼ㄟ^實際測試.至于其中的IIC控制信號函數(shù)都是標準的控制函數(shù)，限于篇幅，這里不再給出.

以上面的核心代碼為基礎(chǔ)，下面給出主控器調(diào)用這兩個函數(shù)完成測光功能的使用實例.

圖3 系統(tǒng)工作流程

BH1750具有可改變測量時間的功能，由此來改變測量精度，最高可達0.11Lx，限于篇幅有限，這里不作討論.

2 系統(tǒng)測試評估

下面分三方面對BH1750的性能進行實測評估.所有的數(shù)據(jù)都是直接從BH1750讀取過來的，并沒有做任何濾波處理，因此下面的數(shù)據(jù)能較好地反映出BH1750的性能.

2.1 與照度計測量比較

圖4中使用的參照照度計是深圳市金達通儀器儀表公司生產(chǎn)的數(shù)字式照度計1010B.從圖4中可以看出，在不同光強級別，BH1750的測量結(jié)果與標準照度計的測量結(jié)果的相對偏差都很小.

圖4 BH1750與照度計測量結(jié)果對比圖

2.2 兩片BH1750對比測量

圖5與圖6是本系統(tǒng)內(nèi)部自行繪制的同時使用兩片BH1750在相同條件下（晚間日光燈下）的測量結(jié)果對比.圖5是用透明元件袋遮住其中一片IC時的對比圖，因為遮蓋物使得對應(yīng)IC的探測端光線減弱，所以從圖中可以清楚地分辨出兩片IC的曲線；圖6則是兩片IC在相同環(huán)境下測量所得到的曲線圖，從圖中可以看出兩條曲線基本重合，這說明BH1750的線性關(guān)系是很好的，同一型號不同芯片的測量誤差比較小.

2.3 不同環(huán)境下的多次測量對比

使用一片IC在同一環(huán)境中進行多次測量，結(jié)果如表1所示.

表中共有3組數(shù)據(jù)，每組8個照度值：

圖5 IC-1被遮住實測圖

圖6 兩片IC在相同環(huán)境中實測圖

表1 不同環(huán)境下的多次測量照度（單位：Lx）

第一組的8個數(shù)據(jù)中最大值與最小值的差值為1Lx，相對偏差0.43%；第二組的8個照度值中，最大值與最小值的差值為8Lx，相對偏差0.37%；第三組的8個照度值中，最大值與最小值的差為43Lx，相對偏差3.5%.三組數(shù)據(jù)的相對偏差均不到0.5%.這說明BH1750在弱光、正常光照和較強光照條件下的測量穩(wěn)定性都很好.

從上述幾方面的對比可以看出，BH1750的性能是相對較為優(yōu)越的.但其測量時間較長，典型的測量時間為120ms，所以它不適合作為快速采集或瞬間采集光強的采集器.

3 總結(jié)

本文針對傳統(tǒng)測光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、容易受到紅外、紫外等干擾光線的影響等弊端，改選新型單片測光芯片BH1750作為光強采集器，設(shè)計并實現(xiàn)了一個測光系統(tǒng).通過對BH1750進行多方面的對比評估，驗證了其可靠性.

[1]ROMH公司.BH1750FVI手冊[EB/OL].http://cnpdf.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/350139/ROHM/BH1750FVI.html.

[2]趙建領(lǐng).51系列單片機開發(fā)寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3]鄭步生，吳渭.Multisim2001電路設(shè)計及仿真入門應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.