基于光强传感器TSL256x的感测系统设计

                                                        图1 TSL256x封装

     各引脚的功能如下：

    脚1和脚3： 分别是电源引脚和信号地。其工作电压范围是2.7～3.5V。 
    脚2： 器件访问地址选择引脚。由于该引脚电平不同，该器件有3个不同的访问地址。访问地址与电平的对应关系如表1所列。 
    脚4和脚6： I2C或SMBus总线的时钟信号线和数据线。 
    脚5： 中断信号输出引脚。当光强度超过用户编程设置的上或下阈值时，器件会输出一个中断信号。 

    表1 器件访问地址与引脚2电平的对应关系

    3 TSL256x的内部结构和工作原理 

    TSL256x是第二代周围环境光强度传感器，其内部结构如图２所示。通道0和通道1是两个光敏二极管，其中通道0对可见光和红外线都敏感，而通道1仅对红外线敏感。积分式A/D转换器对流过光敏二极管的电流进行积分，并转换为数字量，在转换结束后将转换结果存入芯片内部通道0和通道1各自的寄存器中。当一个积分周期完成之后，积分式A/D转换器将自动开始下一个积分转换过程。微控制器和TSL2560可通过标准的SMBus( System Management Bus) V1.1或V2.0实现，TSL2561则可通过I2C总线协议访问。对TSL256x的控制是通过对其内部的16个寄存器的读写来实现的，其地址如表2 所列。

                                                   图2 TSL256x内部结构图

                                                 表2 TSL256x内部寄存器地址及作用 

    4 TSL256x应用设计 

    TSL256x的访问遵循标准的SMBus和I2C协议，这使得该芯片软硬件设计变得非常简单。这两种协议的读写时序虽然很类似，但仍存在不同之处。下面仅以TSL2561芯片为例，说明TSL256x光强传感器的实际应用。 

    4.1 硬件设计 

    TSL2561可以通过I2C总线访问，所以硬件接口电路非常简单。如果所选用的微控制器带有I2C总线控制器，则将该总线的时钟线和数据线直接与TSL2561的I2C总线的SCL和SDA分别相连；如果微控制器内部没有上拉电阻，则还需要再用2个上拉电阻接到总线上。如果微控制器不带I2C 总线控制器，则将TSL2561的I2C总线的SCL和SDA与普通I/O口连接即可；但编程时需要模拟I2C总线的时序来访问TSL2561，INT引脚接微控制器的外部中断。硬件连接如图3所示。

                                          图3 微控制器与TSL2561的硬件连接图 

    4.2 软件设计 

    微控制器可以通过I2C总线协议对TSL2561进行读写。写数据时，先发送器件地址，然后发送要写的数据。TSL2561的写操作过程如下：先发送一组器件地址；然后写命令码，命令码是指定接下来写寄存器的地址00h～0fh和写寄存器的方式，是以字节、字或块（几个字）为单位进行写操作的；最后发送要写的数据，根据前面命令码规定写寄存器的方式，可以连续发送要写的数据，内部写寄存器会自动加1。对于I2C协议具体的读写时序，可以参考相关资料，在此不再赘述。TSL2561的软件设计流程如图4所示。

                                                            图4 软件设计流程 

    限于篇幅，在此给出对TSL2561读写操作的部分程序： 

    unsigned char TSL2561_write_byte( unsigned char addr, unsigned char c) { 
    unsigned char status=0; 
    status=twi_start();//开始 
    status=twi_writebyte(TSL2561_ADDR|TSL2561_WR);//写TSL2561地址 
    status=twi_writebyte(0x80|addr);//写命令 
    status=twi_writebyte(c);//写数据 
    twi_stop( );//停止 
    delay_ms(10);//延时10 ms 
    return 0; 
    } 
    unsigned char TSL2561_read_byte( unsigned char addr, unsigned char *c) { 
    unsigned char status=0; 
    status= twi_start( );//开始 
    status=twi_writebyte(TSL2561_ADDR|TSL2561_WR);//写TSL2561地址 
    status=twi_writebyte(0x80|addr);//写命令 
    status=twi_start( );//重新开始 
    status=twi_writebyte(TSL2561_ADDR|TSL2561_RD);//写TSL2561地址 
    status=twi_readbyte(c,TW_NACK);//写数据 
    twi_stop( ); 
    delay_ms(10); 
    return 0; 
    } 

    当积分式A/D转换器转换完成后，可以从通道0寄存器和通道1寄存器读取相应的值CH0和CH1，但是要以Lux（流明）为单位，还要根据CH0和CH1进行计算。对于TMB封装，假设光强为E（单位为Lux），则计算公式如下： 

    ① 0E=0.030 4×CH0-0.062×CH0×(CH1/CH0)1/4 
    ② 0.50E=0.022 4×CH0-0.031×CH1 
    ③ 0.61E=0.012 8×CH0-0.015 3×CH1 
    ④ 0.80E=0.001 46×CH0-0.001 12×CH1 
    ⑤ CH1/CH0>1.30 
    E=0 

    对于CHIPSCALE封装，计算公式可以查看相应的芯片资料。 

    5 结论 

    采用TSL256x实现光强度实时监测的系统，具有精度高、成本低、体积小等优点。芯片内部集成了积分式A/D转换器，采用数字信号输出，因此抗干扰能力比同类芯片强。该芯片在光强监测控制领域已得到广泛应用。

本文来源：单片机与嵌入式系统应用    作者：姜连祥 汪小燕

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