【《基于STC12C5A60S2单片机的太阳光辐照测量系统设计》9800字】

前言1.1研究背景一直以来，我们大量的使用传统化石能源，虽然使得社会经济取得了巨大进步，但也消耗了相当庞大的环境资源，与此同时，环境也受到了严重的污染，对我们赖以生存的地球造成了恶劣影响。日益严重的环境灾害对人们生活的影响也愈来愈大。绿色无污染、清洁可再生等是新能源相比传统能源显著的优点。新能源的发展和推广可以有效减少人们对煤炭等传统化石能源的需求。它能够使生态环境得到有效的发展，针对多变的气候也能发挥有效的作用，有利于改善能源结构，控制碳排放，以减少对环境的污染。目前，传统化石能源还在面临资源紧缺和供给不足等问题。面对资源的短缺与对环境污染的不利影响，人们逐渐在减少对该种能源的使用，同时不断的开发新型能源，如太阳能、风能等大部分的新能源，都来自于大自然，合理的使用它们，不仅不会污染环境，并且还能够做到无穷无尽的开发利用。如今随着世界范围内的能源短缺和人们愈发重视对环境的保护，开发新能源来替代不断减少的传统能源已经刻不容缓。太阳能是一种非常具有代表性的新能源，是经典的可再生能源。其最大的特点就是能量巨大，对于人类来说，太阳能相当于是无穷无尽的。最为重要的是，太阳能不会产生任何污染，也是唯一一种可以不造成气候变暖的能源，完全洁净，安全可靠。由此可见，太阳能这一新能源的充分利用，对国家和社会的发展具有重要意义。1.2国内外发展现状目前，太阳辐射的测量主要在大气光学、气象学、空气污染监测、光伏光热等研究领域。在这些领域中,用于测量太阳辐射的仪器主要有直接辐射表、总辐射表、净辐射表等,比较常见的是测量直接辐照度的直接辐射计，即太阳辐射计。第一台用来测量太阳辐射的仪器是由一位名叫pouillet的法国人在1837年设计制造的,但其设计简单,测量并不精细。此后出现的相当一部分的仪器，都是在Pouillet仪器的基础上改进的。随着科学技术的不断发展,到了20世纪70年代末,美国、意大利等国家已经相继研制出了新一代的太阳辐射计,我国的许多高校和科研机构也在太阳辐射计的研究方面取得了很大的成果。其中，安徽光学精密机械研究所设计开发的名为DTF系列的太阳辐射计，由于多种新技术的采用,在测量太阳直接辐射以及散射辐射的光谱特性方面性能十分强大，在国内处于领先地位,可与欧美同类型的产品相媲美，具有代表性意义[1]。1.3目的与意义社会经济的发展给人们带来了富足的生活，也带来了很多的负担。人口的数量暴涨，同时能源的消耗也越来越剧烈，人类对能源的需求相比以前更为巨大。能源危机已经成为国家发展进程中不容忽视的重要问题。各种新型能源正在持续不断地被研究和开发。太阳能作为一种新型清洁能源，已经成为国家可持续发展中值得推广的新能源。充分利用太阳光这种源源不断的可持续的自然资源，不仅可以降低能源的使用成本，还可以使国家持续发展。这对国家未来的发展有着重大意义。1.4设计内容设计一种基于单片机的太阳光辐照测量系统。该系统采用单片机作为硬件核心控制器，利用硅光电池把光照度通过电路转换变成电流。转换后产生的微电流再通过I-U转换放大电路进行放大，再经由A/D转换器处理，处理后获得的数据通过无线模块进行传输，最终在屏幕上显示测量结果。由于硅光电池等器件价格昂贵，成本较高，本系统采用光敏传感器、单片机、无线传输模块等完成设计。由光敏传感器采集光照度生成模拟信号，经过单片机自带的A/D转换器处理后变成数字信号，然后通过无线通信模块进行数据传输，最终实现在屏幕上显示。 该设计的主要研究问题有以下几方面： 1）光照的采集和处理； 2）单片机对外围电路的控制和设计； 3）单片机软件编程部分。

方案论证与选择2.1设计思路本系统采用STC12C5A60S2单片机作为硬件核心控制器，负责整个系统的控制和处理，主要通过组成两大部分来实现设计内容。采集传输部分由光敏传感器、单片机和无线传输模块组成，负责的工作内容为采集光照和数据传输。由单片机、显示屏、无线模块共同组成接收显示部分，负责的工作是接收数据并把测得的太阳光照显示再屏幕上。电源模块方面，由于系统工作电压为5V，且功耗较低,因此采用USB电源给系统供电。2.2整体方案设计本课题所设计的基于单片机的太阳光辐照测量系统的功能结构框图如图1所示。该系统由采集传输和接收显示两大部分构成。采集传输部分的结构包括光敏传感器、单片机和无线模块。单片机负责控制其他模块以及进行数据操作，无线模块负责连接两个部分从而进行数据传输。接收显示部分用单片机、显示模块和无线模块一起组成，其中显示模块用于输出数据，展示结果。采集到的光强数据由光敏传感器负责传输到单片机，由于是模拟信号，经过单片机的处理变成数字信号后再由无线传输模块发送出去。发送出去的数据被接收显示部分的无线模块收到后，经过单片机的控制处理最后在显示屏上展现出来。图1功能结构框图2.3各功能模块方案论证与选择2.3.1单片机方案论证与选择单片机的种类很多，目前来说比较常见的单片机主要有下面几种：STM32单片机、8051单片机、STC12C5A60S2单片机、AVR单片机以及MSP430单片机等。它们各有优势，其中8051单片机的开发相对简单，AVR单片机有着比较强的抗干扰能力，MSP430单片机的功耗低，STM32单片机的性能优异，STC12C5A60S2则是新一代8051单片机，具有高速、低功耗、抗干扰能力强的特点。与普通51单片机相比，STC12C5A60S2单片机的特点如图2所示:图2STC12C5A60S2单片机的特点在本次基于单片机的太阳光辐照测量系统设计中，所用的模块数量不是太多，数据运算量也比较小，经过综合考虑，选择了性能强悍、功能丰富的STC12C5A60S2单片机作为主控制器。这款单片机与传统8051单片机相比，不仅指令代码完美兼容,而且运行速度也要快得多。单片机内部集成双串口、8路10位ADC和2路8位PWM，系统通过USB供电以及程序下载,使得电路大为简化,通用性大大增强。STC12C5A60S2单片机经过多年发展，资料众多，易于上手开发。而且价格便宜，容易买到，性价比极高。2.3.2光敏传感器方案论证与选择光敏传感器的功能作用是把光信号转换为电信号，有相当多的种类，比如光敏电阻、光敏二极管、光电池、热释电红外热敏器件、\t"/item/%E5%85%89%E6%95%8F%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"CMOS图像传感器等。光敏传感器的主要组成部分有光源、光学通路、光敏器件以及检测处理电路。光敏传感器不需接触，响应速度很快，性能方面也可圈可点，非常可靠。在自动控制等技术中起着非常重要的作用，产量大、用途广。光敏传感器应用在在工业上可以分为四种基本形式：辐射式(或者直射式)、吸收式、遮光式和反射式。一众光敏传感器中最简单的就是光敏电阻，只要光子在接合处产生冲击就会产生电流[2]。光敏电阻传感器的优点如图3所示：图3光敏电阻传感器的优点

本系统设计采用的便是光敏电阻传感器，其工作原理是基于内光电效应，光照越强，阻值就越低，光照强度升高的同时，电阻值快速降低，此时光电流就会随之增加，亮电阻值可小至千欧甚至更低。光敏电阻对于光线非常敏感，在没有光照的时候表现为高阻状态，暗电阻一般情况下可以达到兆欧级[3]。2.3.3显示模块方案论证与选择显示方案的选择有很多，其中最常用的有数码管、LCD屏、电子墨水屏、TFT彩色显示屏、OLED屏等。本系统设计中需要显示的内容不仅仅只有数字，因此数码管不适用于本设计；又因需要显示的内容不多，所以TFT彩屏也可排除；但是需要在屏幕上快速刷新数值，所以电子墨水屏亦不适用；LED和LCD是最常见的显示屏，OLED又称有机发光二极管，与LCD相比，采用的显示技术有着本质的不同。其特性是不用依靠背光灯而自己发光，因此可视角度和亮度都比较高。OLED的功耗也要比LED低很多，更为省电。而且反应灵敏，非常轻薄，应用起来也比较简单，容易上手，且成本也低。由于OLED屏幕的诸多优点，经过分析，最终决定选用OLED12864这款应用广泛的大视角低功耗OLED屏幕。该屏幕的尺寸为0.96寸，分辨率为128x64，由于其较小的尺寸和比较高的分辨率，不仅显示效果良好，更是有着很好的便携性。OLED的低功耗使之更加适合用于小系统，屏幕供电方面采用3.3V或者5V都可以，一般采用5V。OLED12864显示屏具有多个控制指令，功能多的同时也非常好操作，应用起来十分方便。2.3.4无线通信模块方案论证与选择无线通信模块主要分为模拟无线通信模块和数字无线通信模块，其中后者又能在协议方面分为有协议型和无协议型。常见的无线模块有红外传输模块、蓝牙透传模块、无线串口模块、NRF24L01无线模块和WIFI透传模块等。鉴于本设计要传输的对象是测量得到的数据，因此需要数字无线通信模块。考虑到需要传输的数据量比较小，故选用成本相对较低的NRF24L01这款主打高速低功率、应用简单的无线传输模块。该模块性能强大稳定，是一款工作在2.4-2.5GHz世界通用ISM频段的无线收发器芯片，可设置成待机、掉电、发送以及接收四种模式。。输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。可以与多种单片机芯片连接，进行无线传输数据的工作，并且有着极低的电流消耗[4]。该模块的性能和特点如图4所示：图4NRF24L01性能及特点2.3.5电源模块本系统工作需要5V供电且功耗较低,所以采用USB电源供电即可满足系统需求。

硬件设计与实现3.1检测部分设计3.1.1单片机最小系统电路设计能使单片机工作的最简单的接线方式就是单片机的最小系统。本系统采用的主控芯片是STC12C5A60S2单片机，这款单片机的运算速度快，有着十分齐全的接口种类，而且内部资源丰富，调试起来方便，为开发过程带来极大的便利。该单片机的部分参数如表1所示。表1STC12C5A60S2参数表序号项目数值1Flash程序存储器60K2SRAM字节12803定时器4个4内置复位有5I/O数量44个6A/D8路10位7工作频率范围0~35MHz8工作电压5.5~3.5V9工作温度-40~+85℃STC12C5A60S2单片机的特点以及优势在2.3.1单片机方案选择论证部分已详细说明，这里补充一点：STC12C5A60S2单片机有外置的晶体/时钟，且精度相当之高。内部置有R/C\t"/item/STC12C5A60S2/_blank"振荡器，进行开发时可以选择使用内置的R/C振荡器或者外置的晶体/时钟，如果对精度要求不高，采用内部的R/C\t"/item/STC12C5A60S2/_blank"振荡器即可满足要求[5]。STC12C5A60S2引脚如图5所示：图5STC12C5A60S2引脚STC12C5A60S2单片机部分引脚功能如图6所示：图6STC12C5A60S2部分引脚功能STC12C5A60S2单片机最小系统电路如图7所示。图7最小系统电路原理图其中VCC脚接5V电源作为供电电路，RET端口与复位电路相连，在复位引脚处的电源上连接一个22UF的电容，同时连接1个8.2K的下拉电阻，如果有手动复位的需求，可以在电阻两端并联一个按钮，当接通电源或按下按钮之后，电容会通过电阻进行充电，在复位引脚上产生一个由低至高的电平复位。STC12C5A60S2芯片自带复位电路，外部晶振低于12MHz时，RET复位脚可以直接电阻到地，无需电容。P1口与光敏传感器端口相连，用来采集光强数据。P3口与NRF24L01无线模块连接，以完成数据的无线传输工作。时钟源可以用STC12C5A60S2单片机内部集成的RC振荡器，一般情况下不需要另接外部晶振，直接使用内部RC振荡器即可满足大多数情况下的需求。然而需要注意，内部RC振荡器的精度相比于外部晶振来说比较低，5V单片机一般在11MHZ-15MHZ之间，且非常容易受到温度的影响。XTAL1和XTAL2两个引脚分别与12MHz晶振两端连接，串连10UF的电容C1、C2后接地，即可满足设计需求[6]。3.1.2传感器及电路设计利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器就是光敏传感器。光传感器不单单只有探测光这一种用途，还可以充当探测元件和其他传感器组合在一起，用来检测一些非电量，在将这些非电量转换为光信号后便可以进行测量[7]。本设计采用的传感器是光敏电阻传感器，随着光强度的增加（或减少），光敏电阻的电阻将降低（或增大），因此输出电压降低（升高）。光敏电阻采集的模拟信号经由单片机自带的A/D转换器转换后变为数字信号，然后将这些数字信号传输到接收部分并显示到屏幕上。该模块和各引脚作用如图8所示，其原理图如图9所示。图8光敏电阻传感器及各引脚作用接口说明:（1）VCC接电源正极(3.3-5V)；（2）GND接电源负极；（3）DOTTL开关信号输出；（4）AO模拟信号输出。光敏传感器的AO引脚输出的是模拟信号，而本设计采用的STC12C5A60S2单片机内部自带A/D转换器可以进行转换，不需要再加另外的A/D转换电路。图9光敏电阻传感器原理图模块使用说明：本次采用的光敏电阻传感器上带有两个LED指示灯，分别为PWR-LED和DO-LED。其中PWR-LED是电源指示灯。DO-LED是数字输出指示灯，在光线弱的时候熄灭，这时DO输出高电平；当光线强的时候灯亮，此时DO输出低电平。DO输出端可以直接与单片机连接，然后通过单片机来检测高低电平，从而检测环境光线亮度的变化[8]。而判定光强弱的临界值可以通过旋转中间蓝色元件上的十字螺丝进行调节。AO为模拟量输出，可以与A/D模块相连接，通过A/D转换器转换过后，获得更准确的环境光强度值。模块参数如图10所示：图10模块参数3.1.3无线通信传输电路设计本系统设计的测量传输部分和接收显示部分之间的无线通信采用NRF24L01无线模块来实现。该模块采用标准的SPI通信，程序容易编写，模块间的通信方式为半双工通信，不分主机和从机。NRF24L01模块的无线传输距离远，体积十分小巧，使用起来很是方便。NRF24L01工作过程：打开射频-启动晶振-数据打包-发送数据。工作在接收模式下的NRF24L01无线模块，可以通过6个不同的数据通道接收数据，各数据通道的频率是相同的，且每个数据通道都具有唯一的地址。当一个NRF24L01发送完成后，该模块会打开接收器然后等待确认。若未收到确认，则会进行重新发送，直至收到确认信号。如果重发超过了一定的次数，会发出中断信号并使状态寄存器发生改变。用户可以对重发次数进行设置。接收无线数据时，NRF24L01首先把接收到的数据放进芯片内部的接收寄存器中存储，并在模块的IRQ引脚上产生一个低电平中断信号，单片机检测到该中断信号后读取指定的寄存器，然后就能获得接收到的数据；如果要发送数据，先把模块设置为发送模式，把要发送的数据由单片机写入芯片的发送寄存器后，拉高使能引脚，完成数据发送[9]。模块实物图如图11所示，电路原理图如图12所示。图11NRF24L01实物图 图12NRF24L01电路原理图NRF24L01无线通信模块共有8个引脚，其中4个SPI引脚，一个工作模式切换引脚和一个终端引脚，分别为GND、VCC、CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE。引脚定义如图13所示：图13NRF24L01引脚

3.2接收显示部分设计3.2.1单片机最小系统电路设计接收显示部分的单片机采用的是和采集传输部分同样的STC12C5A60S2单片机，其功能、特点以及参数完全相同，参照3.1.1部分。最小系统电路原理图如图14所示。接收显示部分的NRF24L01无线模块通过单片机的P3_2-P3_7口与单片机连接，P2_0-P2_1口连接的电路为OLED12864显示屏电路。图14最小系统电路原理图3.2.2无线通信电路设计接收显示部分的无线传输使用NRF24L01模块实现，该模块与采集传输部分使用的为同一款，因此功能以及参数完全相同，详情参照3.1.3。在本部分中，无线传输模块的职责是接收来自采集发送端发送过来的数据。其电路原理图如图15所示。图15NRF24L01电路原理图3.2.3显示电路设计本系统设计选用的显示屏为OLED12864，其基本参数如图16所示。图16OLED12864基本参数表模块的接口定义如图17所示：图17模块的接口定义实物图如图18所示。OLED12864的裸屏是由SSD1306驱动的，往OLED12864写数据时，先发送一个起始信号，接着发送从机地址，从机地址带有读写位（低电平为写），之后就可以发送指令或数据。在发送指令或数据之前，一般都需要发送一个控制字节，控制字节的最高位为连续位（如果连续位为0，接下来发送的信息只能包含数据字节），次高位为数据/指令选择位（该位声明接下来发送的是数据还是指令，0为指令，1为数据），控制字节的低六位为0。可以在一个声明连续发送数据的控制字节后面跟上多个数据字节。本系统设计中OLED12864显示屏的引脚，与单片机的P2_1和P2_0引脚连接。电路原理图如图19所示。图18OLED显示屏实物图 图19OLED电路原理图软件设计与实现4.1软件开发环境概述4.1.1KeilC51开发环境Keil是常用的嵌入式MCU编程所使用的编译器平台，界面都是传统的windows界面,上手起来也很快，都是利用新建工程的形式来管理一个较为大型的单片机项目。相对来说，Keil的编译器还算是非常稳定的，一般不怎么会出错。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。该系统在KeilC51软件上进行程序设计，KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。该软件集成了编译器、链接器、宏汇编、库管理等工具，有实时代码错误检测的功能，对用户十分友好[10]。使用KeilC51软件进行单片机的开发，可以将原本较为复杂的开发步骤极大简化，能够节省大量的开发时间。

使用Keil来开发的周期和其他平台的开发周期类似,基本可以分为以下几个步骤:

（1）创建工程,选择目标芯片并进行工程配置；

（2）编写C语言源文件；

（3）编译应用程序，发现错误后进行修改；

（4）联机调试，直至无误。

4.2主程序设计4.2.1采集发送部分主程序设计采集发送部分主程序流程图如图20所示。系统通电以后，程序首先将光敏传感器模块、无线传输模块等硬件执行初始化操作，初始化完成后，进入等待接收部分无线模块发出接收指令的状态，如果收到了接收数据的指令，便开始采集数据，并通过无线模块将采集到的数据发送给接收显示部分。图20测量部分主程序流程图4.2.2接收显示部分主程序设计接收显示部分主程序流程图如图21所示。首先，与采集发送部分类似，系统通电后，先把显示屏模块和无线传输模块等硬件进行初始化，然后接收显示部分向测量部分发送测量指令，并等待测量部分返回数据，接收到发送过来的数据京单片机处理后后通过OLED显示屏进行显示。图21接收显示部分主程序流程图4.3各功能任务软件设计4.3.1无线传输功能软件设计无线传输功能程序流程图如图22所示。首先读取无线模块的状态信号量，判断是发送还是接收，选择好工作状态后进入工作模式。在发送模式下，单片机会通过SPI协议将采集好的等待发送的数据放到NRF24L01模块的发送寄存器存储，然后拉高无线模块的发送使能引脚完成无线传输的发送任务。在接收模式下，单片机先会等待NRF24L01模块IRQ引脚的中断信号，一旦接收到中断信号，便会退出等待，接着读取NRF24L01模块的接收寄存器，然后把接收读取到的数据传送到消息邮箱，以便后面其他任务的执行。图22无线传输功能程序流程图4.3.2显示功能软件设计显示模块程序流程图如图23所示。首先，从4.3.1部分说到的信息邮箱中把需要显示的采集数据读取出来，然后再将要显示的数据通过IIC通信写入到OLED12864屏幕的寄存器中，从而完成在屏幕上显示数据的任务。图23显示模块程序流程图

测试与分析本设计分为采集发送部分和接收显示部分，两个部分均使用了STC12C5A60S2单片机作为核心控制器。测试之前，首先要进行的操作时是将调试好的程序分别写进各部分的单片机中并通过电源上电，然后开始对设计的相关功能进行测试。5.1光照测量测试光照测量测试将对本系统设计的采集测量功能进行测试。给系统通上电后等待两部分的无线模块完成连接，待显示屏显示数据无异常情况后，开始进行其他测试，如图24所示；然后遮挡光敏电阻传感器，用来模拟暗光环境，观察显示屏数据是否随光线亮度的减弱发生改变，如图25所示；再放开遮挡物，并用强光照射光敏电阻传感器，再次观察显示屏数据是否因为强光发生改变，如图26所示。如果功能均可正常运行，则关闭系统，测试完毕。图24无遮挡无强光时测试图25有遮挡时测试图26有强光时测试通过以上的测试以及对测试结果的观察不难得知，在测试过程中本设计的单片机、OLED显示屏、光敏传感器以及无线模块均能够正常工作，且反应灵敏，顺利完成了对光照强度的测量功能，测试成功。5.2测试数据分析经过以上测试后发现，装置的两部分能够正常进行无线通信，并完成相应的功能。在系统上电后，接收显示部分能够正常接收并处理采集部分测得并发送过来的数据，不仅反应灵敏，数据也比较准确合理，控制OLED显示屏对测量结果进行输出的功能也是顺利实现。测试时发现，本设计的功耗很低，灵敏度高。两部分之间的无线通信在10米距离内能够保持连接稳定。且测量的动态范围很大，强光弱光都能够进行测试并得到准确数值。系统的光敏传感器上的两个LED灯，PWR-LED是电源指示灯，系统只要上电以后便会点亮，而作为数字输出指示灯的DO-LED，正常光线和暗光环境下呈熄灭状态，当光线亮度很高时，就会如强光状态下的测试图中所示一般呈点亮状态。光强测试结果如表2所示。表2光强测试结果光线强度结果显示结论强光环境下正常符合要求正常环境光下正常符合要求弱光环境下正常符合要求综合上述测试，本设计能够完成课题要求。

结论课题所设计的基于单片机的太阳光辐照测量系统以STC12C5A60S2单片机作为主控制器，配合无线模块、光敏电阻传感器、显示屏等硬件共同完成了光照测量的功能；在软件方面使用了C语言进行程序编写，并通过KeilC51进行编译、下载以及调试工作。经过测试和分析，本设计符合课题要求的指标。能够对光照强度进行准确的测量，并将测量结果显示在屏幕上。虽然最后成功实现设计，一路上却是磕磕绊绊，遇到了很多困难。比如怎样实现光照采集工作，两个看似没有任何连接的部分如何进行无线连接，代码该如何编写才能实现功能，结果怎么成功显示在屏幕上等。好在有老师、同学以及学长等，给予了我很大的帮助，一路攻坚克难，踏平坎坷荆棘之后，走向成功的道路。虽然困难重重，收获却也是极多的。在画电路原理图过程中，我学会并掌握了Protel99se软件的使用方法以及硬件各引脚的功能作用。在购买器件进行实物制作的过程中，我学会了怎么挑选适合自己设计内容的器件。在每次被困难挡住或者失败后，我都会查阅大量的资料文献以及不断地测试和调整，这个过程让我更加有决心，遇到困难不会想着如何逃避，而是直视困难并消灭它。从开始的原理研究、方案论证，到后来的硬件设计、软件编程以及调试修改，一步一个脚印，看似缓慢，却一往无前。整个毕业设计的过程，不仅大大提高了自己的动手能力，还让自己大学四年所学的知识和实践完成了紧密的结合，对知识的领悟也更为深刻，收益良多。

参考文献摆存曦，任勇，董安有等.基于MSP430单片机的太阳光辐照测量系统设计[J].山东农业大学学报（自然科学版）,2019,50(4):