51单片机利用光敏电阻实现光照自动控制系统

本人太懒了，有很多次想写博客，单只是想想罢了，要去备战考研了。等过了考研之后，我一定要多学东西，目前学的东西太少了。。。。看不起自己啊！废话不多说，由于有这个课程设计，所以一并写在这里吧！扬帆，启航！
51单片机利用光敏电阻实现光照自动控制系统，这个设计其实不难，难的是其中的各种状态逻辑，先看设计要求：
1、设计题目
单片机光照控制系统的设计。
2、设计要求
（1）基本要求
①单片机外接光电传感器或光敏电阻；（采用光敏电阻进行ADC采样输入）
②采集传感器输出的信号并进行显示；（LCD1602进行显示）
③光照度小于给定值时点亮其他的LED灯进行补光；（每0.5S监测周围亮度，调整补光）
④补光的级数为5级。（5个LED）
⑤校准输出，按照流明的单位进行显示。（这有点难度，懵逼（&））
OK！看一下设计的原理图：

文末有完整的AD版解决方案！！！！（原理图和PCB）
下面我们来简单说一下思路：
1.上电复位后，检测EEPROM是否有自定义的光照校准系数，若有：
（1）直接运行ADC采集，经过AD值到流明的处理，进行流明单位的输出，以后每间隔0.5S进行一次转换（采用定时器进行精确进行），输出到LCD1602上进行显示。
（2）自动检测亮度：将得到的流明与预设的常规亮度进行比较：若比其小，则控制LED进行补光，每次递增一颗灯进行补光；若比其大，则停止补光，继续输出流明。
2.若没有：则按下按键KEY1检测调整系数:可以按下KEY2和KEY3进行LED灯的补光，采集亮度不同时候的ADC值（最大亮度和最小亮度），计算校准系数，并显示在LCD1602上，再次按下KEY1进行写入到EEPROM的0x01地址。之后运行自动检测亮度程序。当然KEY1作为功能键，有以下功能:
(1)在自动检测亮度时，长按KEY1会进入“光照校准系数”的设定存储程序的设置最暗亮度界面，进行此时的AD采集；
(2)在“光照校准系数”的设定存储程序的设置最暗亮度界面按下KEY1后，保存采集的AD，并进入设置最亮亮度界面；
(3)在设置最亮亮度界面中按下KEY1,保存采集的AD，并进入光照校准系数的计算程序；
底层的I2C驱动就不说了，看看个个硬件如何协调工作
下面详细分析一下:
上电复位后

void run()
{
//初始化液晶显示
init_LCD();
//启动按键扫描:每隔10ms扫描
configTimer0(10);

//1.上电复位后，检测EEPROM是否有光照校准系数，
if(isExistCali())
{
//若有：
//先读校准系数
cali=getCali();

}else{
//若没有：进入系数校准状态
calibrationSetting();

}
//开始自动补光：以后每间隔500ms进行一次转换（采用定时器进行精确进行），输出到LCD1602上进行显示。
configTimer1(5);

}

main函数：

void main()
{

run();

while(1)
{
keyHandler();
}

}

Tips: 大部分流程有注释，没啥说的，上电复位后要用定时器T0来启动按键扫描,驱动整个按键状态机的运行，在程序整个运行期间不停止!!!注意配置定时器T1每隔500ms进行亮度检测输出。keyHandler用于处理按下键后的阻塞操作

24c01和校准系数的读写

//24C01的物理地址见原理图：1010000
#define E2P_ADRESS_READ  0xA1
#define E2P_ADRESS_WRITE 0xA0

//数据有效和校准系数在24c01的地址
#define Cali_Exsist_Adress  0x00
#define CaliPara_Adress 		0x01

/**
* @brief 判断EEP是否存有校准系数
* @param  void
* @retval void
*/
bit isExistCali(void);

/**
* @brief 	设置校准系数是否有效
* @param  effect:0代表无效，1代表有效
* @retval void
*/
void setCaliEffect(unsigned char effect);

/**
* @brief  读取校准系数
* @param  void
* @retval 校准系数
*/
unsigned char getCali(void);

/**
* @brief  写入校准系数
* @param  cali:校准系数
* @retval void
*/
void setCali(unsigned char cali);

Tips: 没啥说的，，，

按键状态机

#define LONGTIME 100//长按和短按的区分:20*(8~10ms)

//定义按键的状态枚举值：
typedef enum{
KEY_S1,   //空闲
KEY_S2,  //软件消抖中
KEY_S3,  //短按状态
KEY_S4,	//长按状态
KEY_S5,	 //释放按键
}key_states;

//按键的状态，以及对应状态所对应的回调
typedef struct{
unsigned char keycount;//检测的按键数量
unsigned char key;//代表有动作的一个键(1~3,0代表无按键)
key_states key_state;  //按键初始状态为空闲
unsigned char (*onNoStatus)(void* listener);//空闲的回调
unsigned char (*onShortPress)(void* listener);//短按的回调函数
unsigned char (*onLongPress)(void* listener);//长按的回调函数
unsigned char (*onReleaseKey)(void* listener);//按键释放回调

}KeyListener;

/**
* @brief  按键状态机，需要每隔8~10ms调用一次
* @param  key_listener:3个按键的状态
* @retval void
*/
void key_scan(KeyListener* key_listener);

void key_scan(KeyListener* key_listener)
{
unsigned char i;//记录3个按键的一个
static unsigned char press=0;  //持续按键的计数值：用于区分短按还是长按

for(i=1;i<=key_listener->keycount;i++)//依次检测三个按键
{

switch(key_listener->key_state)
{
case KEY_S1: //空闲状态 	key_listener->key记录当前检测的按键
key_listener->key=i;
if((P1 & (0x10<<key_listener->key))!= (0x10<<key_listener->key))  //当前键按下：进入消抖状态
{

key_listener->key_state = KEY_S2;
}else{//没有检测到按键：空闲状态
key_listener->key_state = KEY_S1;
key_listener->onNoStatus(key_listener);
}
break;

case KEY_S2:  //消抖状态（去干扰）,key_listener->key记录着上一次的按键:直接对这个按键进行判断，优化时间
if((P1 & (0x10<<(key_listener->key)))!= (0x10<<(key_listener->key))){  //确认有键按下：进入按键按下长短区分的状态
key_listener->key_state = KEY_S3;

}else { //按键检测的误操作：可能是干扰,则忽略干扰
key_listener->key_state = KEY_S1;
key_listener->key=0;//重置记录的动作按键
}
break;

case KEY_S3:  //按键按下长短区分的状态并进行回调处理
if((P1 & (0x10<<(key_listener->key)))!= (0x10<<(key_listener->key))){  //持续检测到按键未释放：计数值递增
key_listener->key_state = KEY_S3;
press++;
if(press>LONGTIME){ //超过短按的时间限制：此次为长按

key_listener->key_state = KEY_S4;

}
}else {// 没有超过长按的时间限制：此次为短按，进行短按的回调处理，进入释放状态
key_listener->onShortPress(key_listener);
key_listener->key_state = KEY_S5;
}
break;
case KEY_S4:
key_listener->onLongPress(key_listener);//回调处理,同时检测按键长按的释放
key_listener->key_state = KEY_S5;

break;

case KEY_S5:
if((P1 & (0x10<<(key_listener->key)))== (0x10<<(key_listener->key))){  //没有按键：进入空闲状态并清空此次按键计数值
key_listener->onReleaseKey(key_listener);
//在释放回调处理后，重置记录的动作按键（消耗了一次按键）
key_listener->key_state = KEY_S1;
key_listener->key=0;
press = 0;
}else{
key_listener->key_state = KEY_S5;
}
return; //（按键的完整生命周期结束）
}
//若有键有动作，立即跳出剩余按键检测以缩短扫描时间实现优化（即只对一个键进行检测,无法判断两个键）
if(key_listener->key_state!=KEY_S1)
{
break;
}

}

}

Tips: 注意其中的回调函数是在T0的中断中进行的，状态每10ms刷新1次，所以在这里的回调函数里不能有耗时和等待按键的操作，只能用于简单的IO开关等无阻塞的操作！！！！阻塞的操作放在keyHandler中处理
对应状态的回调处理如下：

/*************在此处进行按键回调的具体处理(！！！！此处不能再有检测按键和耗时的操作，只适用于简单无阻塞的操作！！！！！！)**************************/
static unsigned char onNoStatus(KeyListener* listener)//空闲的回调
{
//TODO:
return listener->key;

}
static unsigned char onShortPress(KeyListener* listener)//短按的回调函数
{
//TODO:
//KEY1作为复杂的多功能键，其处理方法在具体环境中，故不再此写出
//KEY2(补光)和KEY3（减光）作为简单单一功能键，所以在中断中处理
if(listener->key==2){
LedMgr.LED_AUTO(LIGHT);

}else if(listener->key==3){
LedMgr.LED_AUTO(DARK);

}

return listener->key;

}
static unsigned char onLongPress(KeyListener* listener)//长按的回调函数
{
//TODO:
if(listener->key==2){
LedMgr.LED_ON(LED_5);

}else if(listener->key==3){
LedMgr.LED_OFF();

}
return listener->key;

}
static unsigned char onReleaseKey(KeyListener* listener)//按键释放回调
{
//TODO:
return listener->key;

}

/********************按键回调的一般处理，任何场景使用****************************/

unsigned char keyHandler()
{
switch(key_listener.key)
{

//KEY1作为多功能按键：其中长按可以在单片机运行的任何时间都转到校准系数设置界面
case	1:
if(key_listener.key_state==KEY_S4)//长按处理
{

calibrationSetting();

}

}
return 0;

}

Tips: 任何界面长按KEY1进入校准系数设置界面

/*******************************/

unsigned char cali=0;//校准系数
unsigned char ad0=0;//采集到的第一次和第三次以后的AD
unsigned char ad1=0;//第二次采集的AD
unsigned int lm=0;//每次ad0通过校准系数计算而来的流明值
location mLocation={0,0};//显示在LCD1602的位置（0,0）

/**
* @brief  进入校准系数设置,清除EEP中的数据,同时停止自动补光
* @param  void
* @retval void
*/
void calibrationSetting(void)
{
//定时器1暂停计时和中断
timer1Pause();
//清除EEP中的数据
setCaliEffect(0);
Delay(5);//等待EEP写入
setCali(0);
Delay(5);//等待EEP写入
//LCD1602显示提示（设置“暗”的AD值）
LCDShowStrs(mLocation,darkStr);
//等待KEY1按下以确定
while((key_listener.key!=1)||(key_listener.key_state!=KEY_S3));

//直接运行AD转换，
ad0=getADCValue();

//LCD1602显示提示（设置“亮”的AD值）
LCDShowStrs(mLocation,lightStr);

//等待KEY1按下以确定(前后按下需要时间进行区分，可用延时)
Delay(1000);
while((key_listener.key!=1)||(key_listener.key_state!=KEY_S3));

//直接运行AD转换，
ad1=getADCValue();

//进行校准系数的计算
cali=calPara(ad0,ad1);

//保存校准系数
setCali(cali);
setCaliEffect(1);
//显示开始提示
LCDShowStrs(mLocation,runStr);
timer1Resume();//定时器1恢复计时和中断

}

Tips: 注意，进入设置前要把定时器T1关闭，以停止自动补光，退出后记得打开T1

LED灯的管理和自动补光

//定义5个LED的IO引脚
sbit LED1=P1^4;
sbit LED2=P1^3;
sbit LED3=P1^2;
sbit LED4=P1^1;
sbit LED5=P1^0;
//定义5个LED的总开关
sbit LED_Switch=P2^4;

//枚举LED的所有情况：0个灯亮，1个...
typedef enum{
LED_0=0,
LED_1,
LED_2,
LED_3,
LED_4,
LED_5
}LED_Num;

//定义开关状态(低电平三极管导通)
#define ON 	0
#define OFF 1

//定义LED的调整方向
#define DARK 	0
#define LIGHT 1

//5个LED的管理器：管理和设置LED的状态
typedef struct{

LED_Num ledNum;
void (*LED_OFF)();//关闭
void (*LED_ON)(LED_Num num);//打开指定数目的LED
void (*LED_AUTO)(unsigned char dir);//LED自动补光

}LED_Manager;

extern LED_Manager LedMgr;//声明一个LED管理器

/**
* @brief  直接关闭9012三极管，使所有的LED一起熄灭，并复位IO
* @param  void
* @retval void
*/
void LED_OFF();

/**
* @brief  设置要点亮的LED数目（LED0~LED5）
* @param  num:枚举数目(0-5个灯)
* @retval void
*/
void LED_ON(LED_Num num);

/**
* @brief  LED的自动补光（每次调整只按1颗灯进行递增）
* @param  dir: LIGHT: 补光，DARK：关闭
* @retval void
*/
void LED_AUTO(unsigned char dir);

Tips: 定义了一个管理器方便统一的管理LED的状态…

/**
* @brief  根据预设的正常流明自动校准当前亮度,预设值可以更改
* @param  void
* @retval void
*/
void autoCalibrate(void)
{
//得到系数后直接运行ADC转换
ad0=getADCValue();
//进行流明单位的输出，
lm=AD2LM(ad0,cali);
numToStr(lm,LMStr);
LCDShowStrs(mLocation,LMStr);
if(lm<=MIN_LM)//比预设的正常流明小,进行自动补光
{
LedMgr.LED_AUTO(LIGHT);
}

}

Tips: 自动补光也就这么回事嘛：实时监测当前亮度，比预设值小，就点亮一个LED，再检测，再点亮…

LCD1602要显示字符串和数字的处理

/********************LCD1602要显示的字符串*************************/
unsigned char code darkStr[]=		"Now_Dark:Set";
unsigned char code lightStr[]= 	"Now_Light:Set";
unsigned char code runStr[]= 		"Run....";
unsigned char LMStr[14]=				"NOW__LM:";//LMStr[8]开始设置值，记得末尾加'\0'
/**
* @brief  把数字加入到字符串
* @param  lm:流明值，str:被插入的字符串(str[8]开始添加)
* @retval void
*/
void numToStr(unsigned int lm,unsigned char* str)
{
str[8]=lm/10000+0x30;//第5位
str[9]=lm%10000/1000+0x30;//第4位
str[10]=lm%10000%1000/100+0x30;//第3位
str[11]=lm%10000%1000%100/10+0x30;//第2位
str[12]=lm%10000%1000%100%10+0x30;//第1位
str[13]='\0';
}

Tips: 显然，这没啥说的，记得字符串末尾加’\0’结束字符串。

ADC和校准系数的计算，流明的转换

#define ADCHANNEL 0		//模拟输入通道0
#define PCF_READ_ADRESS 	0x91	//PCF8591的读地址
#define PCF_WRITE_ADRESS 	0x90	//PCF8591的写地址

/**
* @brief  读取一次当前的ADC转换值
* @param  void
* @retval void
*/
unsigned char getADCValue();
/**
* @brief  通过不同亮度下的2个AD值计算校准系数
* @param  ad0：“暗”的AD，ad1:“亮”AD
* @retval 计算得到的校准系数
*/
unsigned char calPara(unsigned char ad0,unsigned char ad1);

/**
* @brief  AD值通过校准系数来转换为流明
* @param  ad:当前采集到的AD,cali:校准系数
* @retval 转换得到的流明
*/
unsigned int AD2LM(unsigned char ad,unsigned char cali);

Tips: 把地址和通道定义成宏，方便以后硬件改变容易修改程序

Tips: 好了，差不多了，再总结一下流程：
上电复位–>>启动T0来运行按键扫描–>>检测EEP是否有校准系数–>>没有就进入设置界面进行设置–>>最后启动T1进行亮度检测和自动补光
proteus仿真图，Keil项目和AD项目在这里
提取码：65z7