热敏传感器模块开发

热敏传感器模块作为LED屏显示系统的一个小模块，小虽小，却涉及到模数转换、MQX实时操作系统、IAR集成开发环境、不同封装的ARM芯片之间的引脚转换、软件编程等多方面的的知识。需要开发人员具备扎实的软件功底和相应的硬件知识。

本文介绍从热敏传感器选型开始，到软件模块开发、测试完成这整个过程，以及软件模块的设计。整个开发过程采用边摸索边开发的方式，根据得到的信息不停地细化、调整设计。

 

一、选型

首先对光敏电阻和热敏传感器进行性能比较。严格来讲，光敏电阻属于热敏传感器的范畴，之所以将它单独拎出来，是因为其简单易用低成本等特性。经过查阅各方资料，发现光敏电阻有以下优缺点：

(1) 可用直流电源；

(2) 灵敏度和光导材料以及入射光的波长有关；

(3) 受温度影响较大；

(4) 响应速度不快；

其中，第（3）条的缺点不能接受。于是考虑其他的热敏传感器。

当时主管的手头上有一款ROHM的BH1750FVC型热敏传感器，通过查看其性能，发现这是一款数字传感器，使用方便，温度范围亦可，但是其光照范围不能满足要求。产品用于户外环境，烈日下的照度可达10000lux，而BH1750FVC型的热敏传感器的最大照度只有65535lux，这一点不能满足要求。

查看ROHM的其他相关产品，发现有BH1603FVC、BH1620FVC等产品可以满足照度要求。通过咨询ROHM厂家，推荐BH1620FVC型光敏传感器。这款光敏传感器是模拟传感器，光照范围最大可达100000lux，只有5个引脚，价格优惠，使用广泛。虽然模拟传感器需要经过模数转换，但是它在其他方面都完全符合要求，于是决定使用BH1620FVC这款光敏传感器。

 

二、熟悉开发环境

开发环境主要采用IAR集成开发环境，使用的操作系统为Freescale的MQX实时操作系统。熟悉开发环境的过程，遵循着由易到难、由简到繁开展。

开发环境安装好之后，自带有各种demo。

在IAR和MQX都不熟悉的情况下，首先选择在IAR环境下不使用MQX操作系统，从最简单、最常见的GPIO模块着手。硬件使用MK60DN512VLQ10芯片，操作系统库选择twrk60d100m，BGA封装的开发板。对开发板上的四个LED灯进行串行、并行控制，常亮、闪烁等效果显示后，已经达到可以自如地控制LED的程度，这部分内容的熟悉就算结束了。

然后选择在IAR环境下使用MQX操作系统，同样是GPIO模块。熟悉程度达到能自如地控制四个LED灯。这种开发环境的使用，需要事先编译好即将用到的操作系统的库，然后在demo的基础上修改应用程序。

 

三、软件开发过程

在BGA封装的开发板上有一个可变电阻，使用的是一对差分模拟引脚，打算从这里着手。在IAR环境下使用MQX操作系统的条件下，选择ADC模块的demo，在此基础上进行设计和修改。

在消化了demo中的代码后，将程序下载到开发板上运行，一切看起来没什么错误，但是也不能保证读取到的数据就是正确的，因为看不到结果。

采用断点调试，前面2次可以读取到模拟引脚上的数据，后面便不能读取到了。

怎么办呢？

换到不带操作系统的ADC demo看效果。这个demo有LED灯来显示效果。全速运行时LED灯能够按照预期运行，整个程序看起来没什么问题。断点运行时，则不能像全速运行时那样，程序不能按照预期运行，LED灯的运行也与预期不一致。后来改变了一下断点的位置，运行倒变得与预期一致了。这说明，断点的设置位置对嵌入式程序的运行有影响，断点的设置，可能会打断程序运行的正常时序。这个程序的运行和调试情况对我很有启发，于是回到之前的环境进行调试。

这次做了一点修改，添加了led灯用于效果显示。这从大体上说明，程序的运行与预期一致。但是，如果想要获取准确的数值，仍然无法做到。

后来修改了用户配置，使之能够支持uart输出。重新编译库，重新编译应用程序，运行，结果与预期一致，当电阻固定在一个位置时，输出的数值也是固定的；当电阻旋转时，输出的数值也跟着做相应的变化。这从根本上证明了ADC模块应用在产品中的可行性。

以上实验都是在BGA封装的板子上运行的。这个开发板设计得密密麻麻，想要在其上飞线加什么元器件比较困难，于是打算在自行开发的LQFP封装的开发板上运行。

LQFP封装的开发板与BGA封装的开发板引脚之间有对应关系，这个从资料中也比较容易查到。但是使用到的模拟引脚与模数转换的channel的映射则费了一番功夫。

LQFP封装的开发板准备好（连接光敏传感器，配置及安装UART模块），模拟引脚配置好之后，开始进行软件的进一步细化实现中。

 

四、软件模块方案变更

（1）需求分析

考虑到户外环境的特殊性，当环境亮度变化达到一定的程度时，让屏幕亮度的变化延后一段时间。

（2）设计准备

本次采样时间与上次屏幕亮度变化时间，这二者的差值需要用到时间模块。

（3）设计方案：

在一个采样周期（100ms）中，如果屏幕亮度与环境亮度的差异达到一定的程度，就让屏幕延时3秒改变亮度。

（4）实验结果与实验分析

设计完成后，观察效果，从串口输出的数据中发现：（1）环境亮度的变化很剧烈时，屏幕的亮度也跟着剧烈变化（2）采样周期也太短。

屏幕亮度的剧烈变化，将严重影响电源的使用寿命。于是考虑让屏幕亮度慢慢朝着环境亮度的方向接近，同时延长采样周期。

（5）新的设计方案

在一个采样周期中，如果屏幕亮度与环境亮度的差异达到一定程度，在延时3秒后，如果亮度差异仍然较大，就让屏幕亮度向着环境亮度的方向变化一个level；在下一个采样周期中，采样环境亮度，比较屏幕亮度和环境亮度，如果存在的差异达到一个level，就继续让屏幕亮度向着环境亮度的方向接近一个level；一直循环，直到屏幕亮度和环境亮度的level相同；然后继续采样，当二者不相等时，将开始下一个亮度平衡过程。另一方面，取消延时改变屏幕亮度，改为实时改变。将采样周期改为1000ms。

五、模块接口

该模块的主要功能是获取进行屏幕亮度设置需要的信息。调整屏幕亮度分为手动和自动两种方式。

自动方式，是从光敏传感器上获取亮度数值，将之转换成亮度级别，若与屏幕的亮度级别存在差异，则传给其他模块进行屏幕亮度控制。自动方式为屏幕亮度控制的默认方式。

屏幕亮度的级别从0开始，最高为31，共32个level。2048个lux为一个level，当环境亮度与屏幕亮度的差别大于一个level时，延时一定时间后若亮度差异仍然较大，会逐步调整屏幕亮度，使屏幕逐步达到与环境同样的亮度。1000ms为一个采样周期，每个采样周期对屏幕亮度最多调整一个level。

手动方式，是通过手动方式直接设置屏幕亮度，并通知系统不再获取光敏传感器的数据。

热敏传感器模块提供两个接口：

(1) void get_set_luminance(void)

若采样方式为自动方式，则调用本函数。自动方式为屏幕亮度调整的默认方式。本函数将周期性地进行采样（周期设定为1000毫秒，可调整），将光敏传感器的采样数据转换为亮度的level，并与屏幕上亮度level进行比较，若存在差异，则将屏幕亮度level向着采样的亮度level方向调近一个亮度级别。

 

(2) void set_luminance(uint_8 level)

若手动调节屏幕亮度，则调用本函数。该函数直接调节屏幕亮度，不再通过先采样再调整的方式。调用该函数后，不再进行自动采样。

 

六、与其他模块的交互

本模块需要设置2个全局变量screen_level和illunimance_adjust_mode。

screen_level用于表示屏幕亮度level。

illunimance_adjust_mode用于表示屏幕亮度调节方式。

上游模块其他模块调用本模块的两个接口函数，通过接口函数，改变这两个全局变量的数值。再由下游模块根据这两个全局变量的值，来改变屏幕亮度。