光敏传感器实验
本章，我们将学习使用MiniPRO STM32H750开发板板载的一个光敏传感器。我们还是要使用到ADC采集，通过ADC采集电压，获取光敏传感器的电阻变化，从而得出环境光线的变化，并在TFTLCD上面显示出来。

33.1 光敏传感器简介
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。
! R+ N$ X6 m6 c3 u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它传感器，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。
/ U$ ~" H$ r* o9 p5 d( s4 rMiniPRO STM32H750开发板板载了一个光敏二极管（光敏电阻），作为光敏传感器，它对光的变化非常敏感。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。
  N( L& N; M% T5 E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。
& C+ f& A) @4 U本实验利用ADC3的通道11（PC1）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。关于ADC的介绍，前面已经有详细介绍了，这里我们就不再细说了。
33.2 硬件设计
1.例程功能
& Y  T, o+ f9 p" I: v8 O通过ADC3的通道11（PC1）读取光敏传感器（LS1）的电压值，并转换为0~100的光线强度值，显示在LCD模块上面。光线越亮，值越大；光线越暗，值越小。大家可以用手指遮挡LS1和用手电筒照射LS1，来查看光强变化。LED0闪烁用于提示程序正在运行。
2.硬件资源
' e# u' V- j( [- \1）RGB灯
RED : LED0 - PB4
2）串口1(PA9/PA10连接在板载USB转串口芯片CH340上面)
3）正点原子2.8/3.5/4.3/7/10寸TFTLCD模块(仅限MCU屏，16位8080并口驱动)
& D2 J$ q7 E0 p" j' k4）ADC3 ：通道11 - PC1
5）光敏传感器 - PC1
! f9 g% N7 v+ f/ Z/ n3.原理图
: y( q3 o! N, m" P8 W9 J我们主要来看看光敏传感器和开发板的连接，如下图所示：
8 j0 e6 j4 |. R. m
0 J8 }: z: k, }7 n, q

图33.2.1 光敏传感器与开发板连接示意图
' A7 p$ J: u" a& u( I* ^2 ?* }图中，LS1是光敏二极管（实物在开发板5V排针（VOUT2）上面），R28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_IN11通道，读取LIGHT_SENSOR（PC1）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。

" R- K/ Q9 c! \1 ~/ z- n' e33.3 程序设计
33.3.1 ADC的HAL库驱动
  v* W/ |0 ^  @7 C: \8 f* u% e' H本实验用到的ADC的HAL库API函数前面都介绍过，具体调用情况请看程序解析部分。下面介绍读取光敏传感器ADC值的配置步骤。
读取光敏传感器ADC值配置步骤
1）开启ADCx和ADC通道对应的IO时钟，并配置该IO为模拟功能
首先开启ADCx的时钟，然后配置GPIO为模拟模式。本实验我们默认用到ADC3通道11，对应IO是PC1，它们的时钟开启方法如下：
__HAL_RCC_ADC3_CLK_ENABLE (); /* 使能ADC3时钟 /
  \! N2 Z+ W8 A3 }0 E! K__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE(); / 开启GPIOC时钟 */
9 D; U; ]( y  m; g8 C" \* f6 d+ P8 w2）设置ADC3，开启内部温度传感器
调用HAL_ADC_Init函数来设置ADC3时钟分频系数、分辨率、模式、扫描方式、对齐方式等信息。
注意：该函数会调用：HAL_ADC_MspInit回调函数来完成对ADC底层的初始化，包括：ADC3时钟使能、ADC3时钟源的选择等。
3）配置ADC通道并启动AD转换器
调用HAL_ADC_ConfigChannel()函数配置ADC3通道11，根据需求设置通道、序列、采样时间和校准配置单端输入模式或差分输入模式等。然后通过HAL_ADC_Start函数启动AD转换器。
4）读取ADC值，转换为光线强度值
这里选择查询方式读取，在读取ADC值之前需要调用HAL_ADC_PollForConversion等待上一次转换结束。然后就可以通过HAL_ADC_GetValue来读取ADC值。最后把得到的ADC值转换为0~100的光线强度值。
  ^' _: U4 J/ Z) x: u: N( ~3 E33.3.2 程序流程图

+ {& X- p# ~" F
% G" c' p7 z% i4 w
图33.3.2.1 光敏传感器实验程序流程图

33.3.3 程序解析
: q0 t+ E$ e$ }" u" A( }1.LSENS驱动代码
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。LSENS驱动源码包括两个文件：lsens.c和lsens.h。本实验还要用到adc3.c和adc3.h文件的驱动代码。adc3.c和adc3.h文件前面已经介绍过了，就不再赘述。
, ^9 _) [5 C$ X9 g& ]lsens.h头文件定义了一些宏定义和一些函数的声明，该宏定义如下：
5 I7 P* ^& @8 B. J2 c5 e

1. /*****************************************************************************/
   
2. /* 光敏传感器对应ADC3的输入引脚和通道 定义 */
   4 n7 n- |6 L, h* S2 i: T
3. #define LSENS_ADC3_CHX_GPIO_PORT            GPIOC
   
4. #define LSENS_ADC3_CHX_GPIO_PIN             GPIO_PIN_1
   + O( E( I' v- w  Z' V* |% _5 ]! x
5. #define LSENS_ADC3_CHX_GPIO_CLK_ENABLE()   
   
6. do{ __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE(); }while(0)  /* PC口时钟使能 */
   
7. #define LSENS_ADC3_CHX           ADC_CHANNEL_11         /* 通道Y,  0 <= Y <= 19 */
   : I0 y7 J, Q: p  F! i, C
8. /*****************************************************************************/
   
9. 这些宏定义分别是PC1及其时钟使能的宏定义，还有ADC通道11的宏定义。
   1 P* B, [% F: a) a2 ?( E4 E
10. 下面介绍lsens.c的函数，首先是光敏传感器初始化函数，其定义如下：
    
11. /**
    
12. * @brief       初始化光敏传感器
    9 R  T; C! ]3 \+ C! l& P
13. * @param       无
    
14. * @retval      无
    1 w- U4 D& e2 G* p8 r# W
15. */
    
16. void lsens_init(void)
    
17. {
    " H% c4 e2 P  W. G
18.     GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
    
19.     LSENS_ADC3_CHX_GPIO_CLK_ENABLE ();                            /* 使能对应IO时钟 */
    
20.     gpio_init_struct.Pin = LSENS_ADC3_CHX_GPIO_PIN;         /* PC1 */
    6 o5 Y- a% ^8 J9 i+ I
21.     gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;                /* 模拟 */
    
22.     HAL_GPIO_Init(LSENS_ADC3_CHX_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);
    
23.     adc3_init();    /* 初始化ADC3 */
    
24. }

复制代码

该函数初始化PC1为模拟功能，然后通过adc3_init函数初始化ADC3。
最后是读取光敏传感器值，函数定义如下：
( o0 B# {: T: \

1. /**
   * ?# B6 J  O( v. A, x0 P8 ]0 m
2. * @brief       读取光敏传感器值
   6 l" s6 c+ m/ b' K% {
3. * @param       无
   % j" b$ _+ S  X' x2 U0 k
4. * @retval      0~100:0,最暗;100,最亮
   5 e1 u. F, T9 j9 I2 t" }1 [1 {
5. */
   1 c$ [) s6 r6 k* x7 Q; V/ u6 m
6. uint8_t lsens_get_val(void)
   5 f0 d. ^5 y( m; t6 J
7. {
   3 l! B. B' t* ^, ^
8. uint32_t temp_val = 0;
   . t2 {, V1 q' P' H
9. /* 读取平均值 */
   
10.     temp_val = adc3_get_result_average(g_adc3_handle, LSENS_ADC3_CHX, 10);
    . w" g( M" e& O% Y0 C# g3 K
11.     temp_val /= 655;
    
12.     if (temp_val > 100)temp_val = 100;
    - A6 l0 w' F+ B- ?5 \
13.     return (uint8_t)(100 - temp_val);
    0 I8 }+ F0 L3 I$ D& h
14. }

复制代码

lsens_get_val函数用于获取当前光照强度，该函数通过adc3_get_result_average函数得到通道11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。
2. main.c代码
在main.c里面编写如下代码：

8 s' b- Q8 U9 g1 S

1. int main(void)
   
2. {
   + J3 N# y: R) x& \
3.     short adcx;
   4 Q9 i6 H' p$ H+ ]
4.     sys_cache_enable();                             /* 打开L1-Cache */
   
5.     HAL_Init();                                      /* 初始化HAL库 */
   
6.     sys_stm32_clock_init(240, 2, 2, 4);         /* 设置时钟, 480Mhz */
   
7.     delay_init(480);                                /* 延时初始化 */
   
8.     usart_init(115200);                            /* 串口初始化为115200 */
   
9.     mpu_memory_protection();                      /* 保护相关存储区域 */
   . o5 Q" D6 ^6 [) t! A  E
10.     led_init();                                             /* 初始化LED */
    $ J% f# w% g) W6 K3 o
11.     lcd_init();                                             /* 初始化LCD */
      {8 O( @' \% Q" U7 s
12. lsens_init();                                           /* 初始化光敏传感器 */
    " y" o. G5 l% Y# N9 E
13. 
    8 X% E+ j" w/ T5 D1 U& ^
14.     lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "STM32", RED);
    
15.     lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "LSENS TEST", RED);
    , v# w8 c4 @5 k8 T; h+ f* N
16.     lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
    
17. lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "LSENS_VAL:", BLUE);
    
18.     while (1)
    # }) |9 @' S% N. D/ l4 r7 \
19.     {
    
20.         adcx = lsens_get_val();
    
21.         lcd_show_xnum(30 + 10 * 8, 110, adcx, 3, 16, 0, BLUE); /* 显示光线强度值 */
    
22.         LED0_TOGGLE();  /* LED0闪烁,提示程序运行 */
    
23.         delay_ms(250);
    9 X% W' ?3 C& X, C+ f8 v' q5 B
24.     }
    
25. }

复制代码

8 A* |2 G7 q' \, ]) k, E该部分的代码逻辑很简单，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。
6 _  I, V* v9 e$ u3 C) P( B
33.4 下载验证
  N7 j4 E9 V9 I; {2 q. P- V  i& U将程序下载到开发板后，可以看到LED0不停的闪烁，提示程序已经在运行了。LCD显示的内容如图33.4.1所示：

( L2 C5 v( B+ A' c4 m6 n

  l1 B" s8 s) @" O) y图33.4.1 光敏传感器实验测试图
我们可以通过给LS1不同的光照强度，来观察LSENS_VAL值的变化，光照越强，该值越大，光照越弱，该值越小，LSENS_VAL值的范围是0~100。
* g9 }- h! \& O; c* `————————————————
% p+ [! \0 G$ K* I8 D版权声明：正点原子


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