3. 亮度测量仪器与原理

做亮度测量，第一步就是选对传感器。我这些年用过不少环境光传感器，从最早的分立式光敏电阻，到后来的数字集成传感器，体验差别非常大。今天咱们重点聊两款经典芯片——BH1750 和 TSL2561，顺便把 I²C 通信协议的基础捋一遍。

3.1 为什么选数字环境光传感器？

早些年做项目，很多人用光敏电阻加 ADC 的方案。说实话，那玩意儿精度差、一致性差，还得自己做校准曲线。后来我接触到数字环境光传感器，才发现什么叫「省心」。数字传感器内部集成了光电二极管、放大器和 ADC，直接输出 lux 值，你通过 I²C 或 SMBus 读寄存器就行。

3.2 BH1750：入门首选

BH1750 是罗姆半导体（ROHM）的产品。我个人习惯把它叫做「傻瓜式传感器」——为什么？因为它太容易用了。

主要参数

参数	值
测量范围	1 ~ 65535 lux
分辨率	1 lux（高分辨率模式下可达 0.5 lux）
接口	I²C（地址 0x23 或 0x5C）
工作电压	2.4V ~ 3.6V
功耗	典型 0.12 mA

BH1750 内部有 16 位 ADC，直接输出数字光照强度。你想想看，不用算公式、不用查表，读两个字节就完事了。我在一个智能台灯项目里用过它，效果非常稳定。

典型电路连接

BH1750      MCU (如 ESP32/Arduino)
VCC   →     3.3V
GND   →     GND
SCL   →     GPIO22 (SCL)
SDA   →     GPIO21 (SDA)
ADDR  →     GND (地址 0x23) 或 VCC (地址 0x5C)

3.3 TSL2561：更灵活的选择

TSL2561 是艾迈斯半导体（ams）的产品。它比 BH1750 多了一个红外通道，能帮你做更精细的光谱补偿。我记得有一次在户外光照监测项目里，BH1750 在强阳光下偶尔会饱和，换成 TSL2561 后问题就解决了。

主要参数

参数	值
测量范围	0.1 ~ 40000 lux（可配置增益）
通道	宽带通道 + 红外通道
接口	I²C / SMBus（地址 0x29, 0x39, 0x49）
工作电压	2.7V ~ 3.6V
功耗	典型 0.24 mA

TSL2561 的灵活性体现在哪里？你可以通过寄存器配置积分时间、增益倍数，甚至让它工作在掉电模式来省电。不过代价是——你得自己写 lux 转换公式。嗯，这里要注意，官方手册里给的公式是基于特定光源的，如果你用的光源类型不同，最好自己做一次校准。

BH1750 vs TSL2561 对比

对比项	BH1750	TSL2561
输出方式	直接 lux 值	原始 ADC 值，需转换
红外补偿	无	有（红外通道）
配置灵活性	低（固定模式）	高（可编程）
使用难度	★☆☆☆☆	★★★☆☆
适用场景	室内照明、台灯	户外、多光源环境

3.4 I²C 通信协议基础

这两个传感器都用 I²C 通信。I²C 是飞利浦（现 NXP）在 80 年代发明的两线制串行总线。说白了，就两根线：SCL（时钟）和 SDA（数据）。

I²C 的核心概念

• 主设备与从设备： MCU 是主设备，传感器是从设备。主设备发起通信，从设备响应。
• 地址： 每个从设备有唯一 7 位地址。比如 BH1750 的地址是 0x23（7 位）或 0x46（8 位）。
• 起始条件与停止条件： SCL 高电平时，SDA 从高变低是起始；SDA 从低变高是停止。
• 应答（ACK）： 每发送一个字节后，接收方必须拉低 SDA 表示收到。

I²C 读写流程

以 BH1750 为例，读光照值的流程是这样的：

1. 主设备发送起始条件
2. 主设备发送从设备地址 + 写位（0x46）
3. BH1750 应答
4. 主设备发送测量指令（如 0x10 表示连续高分辨率模式）
5. BH1750 应答
6. 主设备发送停止条件
7. 等待 120ms（测量时间）
8. 主设备发送起始条件
9. 主设备发送从设备地址 + 读位（0x47）
10. BH1750 应答
11. 主设备读取 2 字节数据（高字节 + 低字节）
12. 主设备发送停止条件

// 伪代码示例：读取 BH1750
i2c_start();
i2c_write(0x46);  // 地址 + 写
i2c_write(0x10);  // 连续高分辨率模式
i2c_stop();
delay_ms(120);
i2c_start();
i2c_write(0x47);  // 地址 + 读
high_byte = i2c_read(ACK);
low_byte  = i2c_read(NACK);
i2c_stop();
lux = (high_byte << 8) | low_byte;
lux = lux / 1.2;  // BH1750 转换公式

3.5 知识结构图

下面这张图帮你理清本章的核心脉络：

3.6 选型建议

到底选 BH1750 还是 TSL2561？我个人的经验是这样的：

• 如果你做室内产品（智能台灯、屏幕亮度调节、办公照明），BH1750 完全够用。它简单、稳定、代码量少。
• 如果你做户外或复杂光照环境（汽车仪表、户外显示屏、农业大棚），TSL2561 更合适。它的红外补偿能帮你排除红外干扰，测量更准。
• 如果你对功耗有极致要求，TSL2561 的掉电模式可以做到微安级，BH1750 则没有这个功能。