基于單片機的LiFi計數(shù)裝置

張夕蕊 姚夏元

摘 ?要： 本系統(tǒng)以STC89C52單片機為運算控制中心，實現(xiàn)對顯示器、傳感器等模塊的精準控制，共同實現(xiàn)傳輸光信號的功能。在按鍵輸入模塊中，LED燈（發(fā)光二極管）發(fā)射的可見光信號為系統(tǒng)的輸入信號，由光敏電阻傳感器模塊將光信號采集并存儲于硬件系統(tǒng)中，將獲得的信號進行比較和轉(zhuǎn)換，在DO端口向單片機輸出高電平，光控制開關(guān)開啟，單片機程序觸發(fā)，達到在液晶顯示屏上進行計次的效果。該裝置操作簡單、穩(wěn)定性高、安全性強，實現(xiàn)了信號的超高速傳輸，具有很強的創(chuàng)新性和實用意義。

關(guān)鍵詞： 可見光通信技術(shù);STC89C52單片機; LCD1602顯示器;光敏電阻傳感器;LED燈;計數(shù)器

中圖分類號： TP27 ???文獻標識碼： A ???DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.018

【Abstract】： This system uses STC89C52 single-chip microcomputer as the operation control center to achieve precise control of the display， sensor and other modules， and jointly realize the function of transmitting optical signals. In the key input module， the visible light signal emitted by the LED lamp （light emitting diode） is the input signal of the system. The light signal is collected by the photoresistor sensor module and stored in the hardware system. The obtained signal is compared and converted at the DO port High level is output to the single-chip microcomputer， the light control switch is turned on， and the single-chip microcomputer program is triggered to achieve the effect of counting times on the liquid crystal display. The device is simple in operation， high in stability and strong in security， and realizes ultra-high-speed transmission of signals， which has strong innovation and practical significance.

【Key words】： LiFi; STC89C52 Single chip microcomputer; LCD1602 monitor; Photoresistor sensor; LED lights; counter

0 ?引言

LiFi，“光保真技術(shù)”（Light Fidelity），全稱是“可見光無線通信技術(shù)”，是一種利用可見光波譜（如燈泡發(fā)出的光）進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜聼o線傳輸技術(shù)，2012年，由英國愛丁堡大學(xué)電子通信學(xué)院移動通信系主席、德國物理學(xué)家哈拉爾德·哈斯教授發(fā)明[13]。LiFi技術(shù)的研究迄今已有十余年的歷史。目前已成為美日歐諸多國家在數(shù)據(jù)通信研究領(lǐng)域的必爭之地。因其所具備的當下的Wi-Fi技術(shù)所無法比擬的超高速率頻率、超長帶寬以及強大的安全性和節(jié)能性，LiFi的興起被認為可以推動一場通信革命。目前我國在可見光通信技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)取得了很多重要的研究成果。日常生活中或繁或簡的數(shù)據(jù)通信功能都可以嘗試使用LiFi技術(shù)來實現(xiàn)。

1 ?系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)以STC89C52單片機為運算和控制核心，主要由LCD液晶顯示模塊、光信號采集模塊、按鍵輸入模塊組成。LCD1602顯示器作為輸出部分的核心，與單片機、繼電器等配合，接受來自光信號采集模塊

的信號，完成數(shù)字的輸出任務(wù)。用戶按鍵輸入的計次信號由LED發(fā)光二極管發(fā)射，由光傳感器負責(zé)接收并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號高低電平，通過DO端口與單片機完成通信。按鍵模塊是獨立于輸出系統(tǒng)的輸入模塊，其原理簡單，易于進行替換和調(diào)節(jié)。系統(tǒng)總設(shè)計流程如圖1所示[1-2]。

2 ?硬件模塊設(shè)計

2.1 ?單片機系統(tǒng)

本裝置使用ATMEL公司開發(fā)的STC89C52單片機為核心控制器[3]，該單片機擁有32位串行I/O地址線，512bit的內(nèi)存，8k字節(jié)Flash，中斷結(jié)構(gòu)以及三個16位的定時器或計數(shù)器，片選信號單片機擁有內(nèi)外兩種中斷方式，包括4個外部中斷和一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)，中斷復(fù)位快速方便，可以直接使用串口下載。另外C52單片機擁有靜態(tài)邏輯操作模式，對于本系統(tǒng)來說，外部連接部件不繁重，算數(shù)不復(fù)雜時，可以運行在空閑模式下，達到了高效且節(jié)能的效果?？紤]到該系統(tǒng)中，核心單片機需要控制的液晶顯示器和傳感器，以上優(yōu)越的性能能夠支持本嵌入式操作運行系統(tǒng)

的正常運轉(zhuǎn)，軟件開發(fā)較為方便。如圖2是STC89C52單片機的最小系統(tǒng)，將系統(tǒng)按照該圖連接，即可在此基礎(chǔ)上開發(fā)所需的功能和應(yīng)用。單片機最小系統(tǒng)設(shè)計圖如圖2所示。

2.2 ?LCD1602顯示模塊

顯示模塊主要采用了LCD1602液晶顯示屏[4]，通過1602與單片機的密切配合共同完成輸出系統(tǒng)的搭建。LCD1602顯示器不需要連接其他工作電路、Flash和RAM等，其自身具有32位的超長交互界面以及高精度的AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將其按照單片機說明書直接與C52相連，即可直接通信。由于芯片高度集成，操作起來十分方便。LCD1602自帶的大存儲容量使得用戶可以自主設(shè)計顯示界面，自定義初始化顯示，只需找到使用的物理存儲地址，利用程序?qū)⒛J設(shè)置從I/O端口鍵入交互界面，其余地址分配給單片機通信顯示即可。為保證芯片的正常運行，接入可調(diào)電阻作為保護，當芯片正常運作時，指示燈亮起[4-6]。

LCD1602與單片機的連接是在單片機最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上布置的，1602液晶顯示芯片共有16個引腳， ?引腳1、2分別接地和5 V電源，引腳3VO經(jīng)滑動電阻后接地，調(diào)節(jié)液晶顯示器對比度。運行1602模塊 ?時，按照說明書將所有引腳同理接入，接通電源即 ?可。連接后，整個系統(tǒng)基本完成。系統(tǒng)總設(shè)計圖如圖3所示。

2.3 ?光信號采集模塊

該4線制光信號采集模塊以運算放大器LM393為核心，以光感電阻為接收器采集達到閾值的光信號，經(jīng)模擬電路在DO端輸出高電平，連接單片機和繼電器，同時AO端口連接AD模塊實現(xiàn)靈敏調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)的工作原理即檢測DO端口的高低電平，若成功采

集到光信號，則通過運放比較、整流改變輸出電平，單片機能精準識別電平的變化，從而輸出結(jié)果到顯示區(qū)。系統(tǒng)初始化的輸出端口為低電平，在此狀態(tài)下單片機和繼電器不會被觸發(fā)、AD轉(zhuǎn)換模塊不工作。電路連接圖如圖4所示[7]。

該模塊具有以下幾個優(yōu)點：

（1）雖然程序復(fù)雜但PCB板外形小巧，便于安裝和調(diào)試、界面簡單易于操作、I/O接口利用率高。

（2）寬電壓LM393比較器輸出的信號質(zhì)量高，幾乎不含諧波，且驅(qū)動電流超過15mA，驅(qū)動能力強。

（3）光敏電阻的感光性能極佳，配置的可調(diào)電位器可以輔助調(diào)節(jié)進出光線的亮度，為后續(xù)定量研究提供了可能。

（4）斜置安裝的排針使得光敏電阻與二極管之間的距離調(diào)節(jié)方便且易于觀察。

2.4 ?按鍵輸入模塊

輸入模塊包括按鍵和LED燈兩部分，通過與單片機相連組成閉合的二極管回路，當按動按鍵時，回路閉合，電流通過LED燈，二極管正向飽和，實現(xiàn)按次閃爍?；芈分薪尤腚娮杵鸬奖Ｗo作用，避免擊穿。該過程可用圖5簡單表示[8-9]。

3 ?軟件模塊設(shè)計

3.1 ?LCD1602顯示器程序設(shè)計

LCD1602內(nèi)部受繼電器和單片機的信號控制，顯示器對單片機發(fā)出的電信號進行分析，將模擬信號進行整流和AD轉(zhuǎn)換，使串行信號轉(zhuǎn)化為并行信號輸出，并且在程序作用下將二進制碼轉(zhuǎn)化十進制顯示。該過程完成后，顯示器將信號傳回單片機并進入等待狀態(tài)。該配合流程如圖6所示。

（1）顯示質(zhì)量高。字符型的顯示屏本質(zhì)上是點陣結(jié)構(gòu)，顯示器的每一個點在接收到外來信號之后會保持其色彩度和亮度，能夠恒定發(fā)光。不需要刷新新的亮點是的液晶顯示器能夠穩(wěn)定輸出，避免閃爍和模糊。

（2）數(shù)字型接口與單片機保持一致，操作方便，信息傳輸便捷。

（3）功耗更低。相比于其他類型的顯示器，LCD1602具有更低的能耗，其主要能量消耗在內(nèi)部的電極以及驅(qū)動IC。

（4）體積小，便于攜帶和改裝，相比于傳統(tǒng)的顯示器重量大大減輕，結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化。

3.2 ?光敏傳感器模塊設(shè)計

本系統(tǒng)采用靈敏型光敏電阻傳感器，工作電壓在3.3-5 V之間，此外還有運算放大器作為比較器和二極管整流器。當接通外部電源是，初始化的默認輸入輸出都為低電平，DO端口連接單片機和繼電器通信，AO端口連接AD轉(zhuǎn)換模塊。當系統(tǒng)發(fā)出光亮，光敏電阻被觸發(fā)，若強度達到閾值，則電流信號通過運放進行整流，最終在DO端口輸出一個高電平，光控開關(guān)打開，同時AO端口處AD轉(zhuǎn)換器運行，靈敏地檢測光線的強度。單片機的引腳與DO端相接，用以識別高低電平信號，若單片機片選引腳接收到高電平信號，則顯示系統(tǒng)隨機觸發(fā)。設(shè)計流程如圖7所示[10-12]。

4 ?系統(tǒng)運行測試

將裝置接通5V電源，按下開關(guān)，系統(tǒng)顯示屏亮起顯示處于待機狀態(tài)，液晶屏顯示“KE JIAN GUANG TX DATA：”提示數(shù)據(jù)輸入，初始計數(shù)值置零（不進行顯示）。首先對光檢測模塊進行測試，調(diào)整光敏二極管的位置足夠接近PCB板上的LED燈，保證LED燈閃爍時其光強度超過光感電阻的接受閾值，以開啟光檢測模塊的DO端口。按下按鍵使LED燈按次閃爍，光傳感器模塊接受電磁頻譜的可見光部分而向單片機和繼電器輸出高電平，顯示器累計次數(shù)實現(xiàn)疊加。顯示器的計次上限為兩位數(shù)，即01-99，計次頻率即按鍵頻率。按起開關(guān)后重新啟動，裝置計數(shù)清零。

多次重復(fù)測試過程中發(fā)現(xiàn)光信號能夠以非常快的頻率完成采集和傳輸，輸入輸出裝置之間幾乎沒有時延。實物裝置演示如圖8所示。

值得注意的是，測試過程中若嘗試使光敏電阻稍微移動遠離發(fā)光二極管，則光信號的采集往往會失敗。光線強度、傳輸距離與閾值之間的關(guān)系有待進一步研究和實驗。這在一定程度上顯著地反映了LiFi技術(shù)的應(yīng)用局限性。

5 ?創(chuàng)新點

（1）可見光通信技術(shù)，又稱光保真技術(shù)（Light Fidelity）的應(yīng)用，利用電磁波普的可見光部分作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，當下熱門研究的新領(lǐng)域。

（2）光傳感器模塊。光敏電阻作為接收器，通過光線強度與感光閾值比較器輸出高電平，在電路內(nèi)部實現(xiàn)簡潔的二進制信號傳輸，用戶操作簡單，高效節(jié)能。

（3）優(yōu)化的程序設(shè)計。主程序、LCD1602模塊程序以及光傳感器程序均由Visual C++6.0和Keil uVision4完成，易于理解和更改。

（4）顯示模塊LCD1602與單片機配合，能夠?qū)崿F(xiàn)32個字符的超長用戶提示。

（5）高阻電源提供低壓供電，能耗低，單片機外部連接可調(diào)電阻保護電路，避免了靜電短路，對整個電路實現(xiàn)良好保護。

（6）裝置輕巧便攜，方便演示和改良。

6 ?結(jié)語

該計數(shù)裝置以STC89C52單片機為控制中心，將LCD1602液晶顯示器、繼電器、DO端口、光敏電阻和LED燈等組件聯(lián)合成為相互配合的有機整體，結(jié)構(gòu)和程序較為簡單，但創(chuàng)新性強，良好地體現(xiàn)了光通信的高速和高效特性，完成度高。LiFi技術(shù)作為新興領(lǐng)域，是實現(xiàn)智能家居、電子通信新領(lǐng)域的重要突破方向。

該系統(tǒng)具有良好的拓展性，通過可見光建立信號基站，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)、文件以及視頻等任何信息載體的傳輸。將該裝置的輸入輸出接入其他系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字傳輸?shù)闹悄芑?。然而，光通信在享有Wi-Fi技術(shù)所無法比擬的超高速度、穩(wěn)定性以及安全性的同時，也存在著諸多的局限性，在本裝置中，LED燈與光敏電阻的距離需要嚴格控制，且無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)反饋和雙向傳輸，這也是當下可見光通信技術(shù)的崛起所面臨的主要困境。

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