浅谈STM32（M4）中的光敏传感器

　　传感器

 

　　传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

 

　　传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

 

　　主要作用

 

　　人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。

 

　　而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。

 

　　新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

 

　　在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

 

　　在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到fm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

 

　　传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

 

　　由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

 

　　主要特点

 

　　传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。微型化是建立在微电子机械系统（MEMS）技术基础上的，已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器。

 

　　传感器的组成

 

　　传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成。

 

　　敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电。

 

　　主要功能

 

　　常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：

 

　　光敏传感器——视觉

 

　　声敏传感器——听觉

 

　　气敏传感器——嗅觉

 

　　化学传感器——味觉

 

　　压敏、温敏、

 

　　流体传感器——触觉

 

　　敏感元件的分类：

 

　　物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。

 

　　化学类，基于化学反应的原理。

 

　　生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。

 

　　通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将敏感元件分46类）。

　　光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、 CCD 和 CMOS 图像传感器等。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。

　　光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。

　　光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的，其管芯是一个具有光敏特征的 PN 结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，它随入射光强度的变化而变化。当光线照射 PN 结时，可以使 PN 结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。

　　照射光敏二极管的光强不同，通过光敏二极管的电流大小就不同，所以可以通过检测电流大小，达到检测光强的目的。

　　利用这个电流变化，我们串接一个电阻，就可以转换成电压的变化，从而通过 ADC 读取电压值，判断外部光线的强弱。

　　我们利用 ADC3 的通道 5（ PF7）来读取光敏二极管电压的变化，从而得到环境光线的变化，并将得到的光线强度，显示在 TFTLCD 上面。

　　2.硬件设计

　　图中， LS1 是光敏二极管（实物在开发板摄像头接口右侧）， R58 为其提供反向电压，当环境光线变化时， LS1 两端的电压也会随之改变，从而通过 ADC3_IN5 通道，读取LIGHT_SENSOR（ PF7）上面的电压，即可得到环境光线的强弱。光线越强，电压越低，光线越暗，电压越高。

　　3.软件设计

　　在固件库文件中，我们添加了adc 相关的库函数文件 stm32f4xx_adc.c 和对应头文件的支持。同时，我们在 HARDWARE分组下新建了 adc3.c 和 lsens.c 源文件，以及包含了它们对应的头文件。因为本实验我们主要是使用 ADC3 去测量关敏二极管的电压变化，所以大部分知识我们在前面 ADC 实验部分都有所讲解，这里我们就略带而过。 lsens.c，代码如下：

　　lsens.c

　　#include “lsens.h”

　　#include “delay.h”

　　//初始化光敏传感器

　　void Lsens_Init（void）

　　{

　　GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

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

　　//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;//模拟输入

　　GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL ;//不带上下拉

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

　　Adc3_Init（）;//初始化 ADC3

　　}

　　//读取 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）; //读取 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））;

　　}

　　这里就 2 个函数，其中： Lsens_Init 用于初始化光敏传感器，其实就是初始化 PF7 为模拟输入，然后通过 Adc3_Init 函数初始化 ADC3 的通道 ADC_Channel_5。 Lsens_Get_Val 函数用于获取当前光照强度，该函数通过 Get_Adc3 得到通道 ADC_Channel_5 转换的电压值，经过简单量化后，处理成 0~100 的光强值。 0 对应最暗， 100 对应最亮。

　　adc3.c 源文件代码：

　　#include “adc3.h”

　　#include “delay.h”

　　//初始化 ADC3

　　//这里我们仅以规则通道为例

　　void Adc3_Init（void）

　　{

　　ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStructure;

　　ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;

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

　　RCC_APB2PeriphResetCmd（RCC_APB2Periph_ADC3，ENABLE）; //ADC3 复位

　　RCC_APB2PeriphResetCmd（RCC_APB2Periph_ADC3，DISABLE）; //复位结束

　　ADC_CommonInitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;//独立模式

　　ADC_CommonInitStructure.ADC_TwoSamplingDelay =

　　ADC_TwoSamplingDelay_5Cycles;//两个采样阶段之间的延迟 5 个时钟

　　ADC_CommonInitStructure.ADC_DMAAccessMode =

　　ADC_DMAAccessMode_Disabled;

　　ADC_CommonInitStructure.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div4;//预分频 4 分频。

　　ADC_CommonInit（&ADC_CommonInitStructure）;//初始化

　　ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;//12 位模式

　　ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;//非扫描模式

　　ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;//关闭连续转换

　　ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None;

　　//禁止触发检测，使用软件触发

　　ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;//右对齐

　　ADC_InitStructure.ADC_NbrOfConversion = 1;//1 个转换在规则序列中

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

　　ADC_Cmd（ADC3， ENABLE）;//开启 AD 转换器

　　}

　　//获得 ADC 值

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

　　//返回值：转换结果

　　u16 Get_Adc3（u8 ch）

　　{

　　//设置指定 ADC 的规则组通道，一个序列，采样时间

　　ADC_RegularChannelConfig（ADC3， ch， 1， ADC_SampleTime_480Cycles ）;

　　ADC_SoftwareStartConv（ADC3）; //使能指定的 ADC3 的软件转换启动功能

　　while（！ADC_GetFlagStatus（ADC3， ADC_FLAG_EOC ））;//等待转换结束

　　return ADC_GetConversionValue（ADC3）; //返回最近一次 ADC3 规则组的转换结果

　　}

　　这里， Adc3_Init 函数几乎和 ADC_Init 函数一模一样，这里我们设置了 ADC3_CH5 的相关参数，但是没有设置对应 IO为模拟输入，因为这个在 Lsens_Init 函数已经实现。Get_Adc3用于获取 ADC3 某个通道的转换结果。因为我们前面对 ADC 有了详细的讲解，所以本章实验源码部分讲解就比较简单。接下来我们看看主函数：

　　#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）;//设置系统中断优先级分组 2

　　delay_init（168）; //初始化延时函数

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

　　LED_Init（）; //初始化 LED

　　LCD_Init（）; //初始化 LCD

　　Lsens_Init（）; //初始化光敏传感器

　　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;//设置字体为蓝色

　　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）;//显示 ADC 的值

　　LED0=！LED0;

　　delay_ms（250）;

　　}

　　}

　　此部分代码也比较简单，初始化各个外设之后，进入死循环，通过 Lsens_Get_Val 获取光敏传感器得到的光强值（ 0~100），并显示在 TFTLCD 上面。