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淺談STM32(M4)中的光敏傳感器

2018年09月24日 10:33 作者:工程師譚軍 用戶評論(0
  傳感器
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  傳感器(英文名稱:transducer/sensor)是一種檢測裝置,能感受到被測量的信息,并能將感受到的信息,按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。
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  傳感器的特點包括:微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。傳感器的存在和發展,讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官,讓物體慢慢變得活了起來。通常根據其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。
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  主要作用
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  人們為了從外界獲取信息,必須借助于感覺器官。
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  而單靠人們自身的感覺器官,在研究自然現象和規律以及生產活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況,就需要傳感器。因此可以說,傳感器是人類五官的延長,又稱之為電五官。
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  新技術革命的到來,世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中,首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息,而傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段。
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  在現代工業生產尤其是自動化生產過程中,要用各種傳感器來監視和控制生產過程中的各個參數,使設備工作在正常狀態或最佳狀態,并使產品達到最好的質量。因此可以說,沒有眾多的優良的傳感器,現代化生產也就失去了基礎。
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  在基礎學科研究中,傳感器更具有突出的地位。現代科學技術的發展,進入了許多新領域:例如在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙,微觀上要觀察小到fm的粒子世界,縱向上要觀察長達數十萬年的天體演化,短到 s的瞬間反應。此外,還出現了對深化物質認識、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術研究,如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超弱磁場等等。顯然,要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息,沒有相適應的傳感器是不可能的。許多基礎科學研究的障礙,首先就在于對象信息的獲取存在困難,而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現,往往會導致該領域內的突破。一些傳感器的發展,往往是一些邊緣學科開發的先驅。
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  傳感器早已滲透到諸如工業生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域。可以毫不夸張地說,從茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各種復雜的工程系統,幾乎每一個現代化項目,都離不開各種各樣的傳感器。
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  由此可見,傳感器技術在發展經濟、推動社會進步方面的重要作用,是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領域的發展。相信不久的將來,傳感器技術將會出現一個飛躍,達到與其重要地位相稱的新水平。
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  主要特點
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  傳感器的特點包括:微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化,它不僅促進了傳統產業的改造和更新換代,而且還可能建立新型工業,從而成為21世紀新的經濟增長點。微型化是建立在微電子機械系統(MEMS)技術基礎上的,已成功應用在硅器件上做成硅壓力傳感器
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  傳感器的組成
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  傳感器一般由敏感元件、轉換元件、變換電路和輔助電源四部分組成。
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  敏感元件直接感受被測量,并輸出與被測量有確定關系的物理量信號;轉換元件將敏感元件輸出的物理量信號轉換為電信號;變換電路負責對轉換元件輸出的電信號進行放大調制;轉換元件和變換電路一般還需要輔助電源供電
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  主要功能
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  常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬:
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  光敏傳感器——視覺
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  聲敏傳感器——聽覺
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  氣敏傳感器——嗅覺
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  化學傳感器——味覺
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  壓敏、溫敏、
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  流體傳感器——觸覺
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  敏感元件的分類:
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  物理類,基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應。
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  化學類,基于化學反應的原理。
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  生物類,基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。
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  通常據其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類(還有人曾將敏感元件分46類)。

  光敏傳感器是最常見的傳感器之一,它的種類繁多,主要有:光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏三極管、太陽能電池、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、 CCD 和 CMOS 圖像傳感器等。光傳感器是目前產量最多、應用最廣的傳感器之一,它在自動控制和非電量電測技術中占有非常重要的地位。

  光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉換為電信號的傳感器,它的敏感波長在可見光波長附近,包括紅外線波長和紫外線波長。光傳感器不只局限于對光的探測,它還可以作為探測元件組成其他傳感器,對許多非電量進行檢測,只要將這些非電量轉換為光信號的變化即可。

  光敏二極管也叫光電二極管。光敏二極管與半導體二極管在結構上是類似的,其管芯是一個具有光敏特征的 PN 結,具有單向導電性,因此工作時需加上反向電壓。無光照時,有很小的飽和反向漏電流,即暗電流,此時光敏二極管截止。當受到光照時,飽和反向漏電流大大增加,形成光電流,它隨入射光強度的變化而變化。當光線照射 PN 結時,可以使 PN 結中產生電子一空穴對,使少數載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下漂移,使反向電流增加。因此可以利用光照強弱來改變電路中的電流。

  照射光敏二極管的光強不同,通過光敏二極管的電流大小就不同,所以可以通過檢測電流大小,達到檢測光強的目的。

  利用這個電流變化,我們串接一個電阻,就可以轉換成電壓的變化,從而通過 ADC 讀取電壓值,判斷外部光線的強弱。

  我們利用 ADC3 的通道 5( PF7)來讀取光敏二極管電壓的變化,從而得到環境光線的變化,并將得到的光線強度,顯示在 TFTLCD 上面。

  2.硬件設計

  圖中, LS1 是光敏二極管(實物在開發板攝像頭接口右側), R58 為其提供反向電壓,當環境光線變化時, LS1 兩端的電壓也會隨之改變,從而通過 ADC3_IN5 通道,讀取LIGHT_SENSOR( PF7)上面的電壓,即可得到環境光線的強弱。光線越強,電壓越低,光線越暗,電壓越高。

  3.軟件設計

  在固件庫文件中,我們添加了adc 相關的庫函數文件 stm32f4xx_adc.c 和對應頭文件的支持。同時,我們在 HARDWARE分組下新建了 adc3.c 和 lsens.c 源文件,以及包含了它們對應的頭文件。因為本實驗我們主要是使用 ADC3 去測量關敏二極管的電壓變化,所以大部分知識我們在前面 ADC 實驗部分都有所講解,這里我們就略帶而過。 lsens.c,代碼如下:

  lsens.c

  #include “lsens.h”

  #include “delay.h”

  //初始化光敏傳感器

  void Lsens_Init(void)

  {

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

  RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF, ENABLE);//使能 GPIOF 時鐘

  //先初始化 ADC3 通道 7IO 口

  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;//PA7 通道 7

  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;//模擬輸入

  GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL ;//不帶上下拉

  GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStructure);//初始化

  Adc3_Init();//初始化 ADC3

  }

  //讀取 Light Sens 的值

  //0~100:0,最暗;100,最亮

  u8 Lsens_Get_Val(void)

  {

  u32 temp_val=0;

  u8 t;

  for(t=0;t《LSENS_READ_TIMES;t++)

  {

  temp_val+=Get_Adc3(ADC_Channel_5); //讀取 ADC 值,通道 5

  delay_ms(5);

  }

  temp_val/=LSENS_READ_TIMES;//得到平均值

  if(temp_val》4000)temp_val=4000;

  return (u8)(100-(temp_val/40));

  }

  這里就 2 個函數,其中: Lsens_Init 用于初始化光敏傳感器,其實就是初始化 PF7 為模擬輸入,然后通過 Adc3_Init 函數初始化 ADC3 的通道 ADC_Channel_5。 Lsens_Get_Val 函數用于獲取當前光照強度,該函數通過 Get_Adc3 得到通道 ADC_Channel_5 轉換的電壓值,經過簡單量化后,處理成 0~100 的光強值。 0 對應最暗, 100 對應最亮。

  adc3.c 源文件代碼:

  #include “adc3.h”

  #include “delay.h”

  //初始化 ADC3

  //這里我們僅以規則通道為例

  void Adc3_Init(void)

  {

  ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStructure;

  ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;

  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC3, ENABLE); //使能 ADC3 時鐘

  RCC_APB2PeriphResetCmd(RCC_APB2Periph_ADC3,ENABLE); //ADC3 復位

  RCC_APB2PeriphResetCmd(RCC_APB2Periph_ADC3,DISABLE); //復位結束

  ADC_CommonInitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;//獨立模式

  ADC_CommonInitStructure.ADC_TwoSamplingDelay =

  ADC_TwoSamplingDelay_5Cycles;//兩個采樣階段之間的延遲 5 個時鐘

  ADC_CommonInitStructure.ADC_DMAAccessMode =

  ADC_DMAAccessMode_Disabled;

  ADC_CommonInitStructure.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div4;//預分頻 4 分頻。

  ADC_CommonInit(&ADC_CommonInitStructure);//初始化

  ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;//12 位模式

  ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;//非掃描模式

  ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;//關閉連續轉換

  ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None;

  //禁止觸發檢測,使用軟件觸發

  ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;//右對齊

  ADC_InitStructure.ADC_NbrOfConversion = 1;//1 個轉換在規則序列中

  ADC_Init(ADC3, &ADC_InitStructure);//ADC 初始化

  ADC_Cmd(ADC3, ENABLE);//開啟 AD 轉換器

  }

  //獲得 ADC 值

  //ch:通道值 0~16 ADC_Channel_0~ADC_Channel_16

  //返回值:轉換結果

  u16 Get_Adc3(u8 ch)

  {

  //設置指定 ADC 的規則組通道,一個序列,采樣時間

  ADC_RegularChannelConfig(ADC3, ch, 1, ADC_SampleTime_480Cycles );

  ADC_SoftwareStartConv(ADC3); //使能指定的 ADC3 的軟件轉換啟動功能

  while(!ADC_GetFlagStatus(ADC3, ADC_FLAG_EOC ));//等待轉換結束

  return ADC_GetConversionValue(ADC3); //返回最近一次 ADC3 規則組的轉換結果

  }

  這里, Adc3_Init 函數幾乎和 ADC_Init 函數一模一樣,這里我們設置了 ADC3_CH5 的相關參數,但是沒有設置對應 IO為模擬輸入,因為這個在 Lsens_Init 函數已經實現。Get_Adc3用于獲取 ADC3 某個通道的轉換結果。因為我們前面對 ADC 有了詳細的講解,所以本章實驗源碼部分講解就比較簡單。接下來我們看看主函數:

  #include “sys.h”

  #include “delay.h”

  #include “usart.h”

  #include “led.h”

  #include “lcd.h”

  #include “adc3.h”

  #include “lsens.h”

  int main(void)

  {

  u8 adcx;

  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//設置系統中斷優先級分組 2

  delay_init(168); //初始化延時函數

  uart_init(115200); //初始化串口波特率為 115200

  LED_Init(); //初始化 LED

  LCD_Init(); //初始化 LCD

  Lsens_Init(); //初始化光敏傳感器

  POINT_COLOR=RED;

  LCD_ShowString(30,50,200,16,16,“STM32F4”);

  LCD_ShowString(30,70,200,16,16,“LSENS TEST”);

  LCD_ShowString(30,90,200,16,16,“ALIX”);

  LCD_ShowString(30,110,200,16,16,“2018/7/31”);

  POINT_COLOR=BLUE;//設置字體為藍色

  LCD_ShowString(30,130,200,16,16,“LSENS_VAL:”);

  while(1)

  {

  adcx=Lsens_Get_Val();

  LCD_ShowxNum(30+10*8,130,adcx,3,16,0);//顯示 ADC 的值

  LED0=!LED0;

  delay_ms(250);

  }

  }

  此部分代碼也比較簡單,初始化各個外設之后,進入死循環,通過 Lsens_Get_Val 獲取光敏傳感器得到的光強值( 0~100),并顯示在 TFTLCD 上面。


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