【正点原子STM32连载】 第三十二章 光敏传感器实验 摘自【正点原子】STM32F103 战舰开发指南V1.2

第三十二章 光敏传感器实验

本章，我们将学习使用STM32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。
本章分为如下几个小节：
32.1 光敏传感器简介
32.2 硬件设计
32.3 程序设计
32.4 下载验证

32.1 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。
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。
STM32F103战舰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。
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。
本章，我们利用ADC3的通道6（PF8）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。
32.2 硬件设计

1. 例程功能
   通过ADC3的通道6（PF8）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
   1）LED灯
   LED : LED0 – PB5
   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)
   4）ADC3 ：通道6 – PF8
   5）光敏传感器
3. 原理图
   我们主要来看看光敏传感器和开发板的连接，如下图所示：
   

图32.2.1 光敏传感器与开发板连接示意图
图中，LS1是光敏二极管，外观看起像与贴片LED类似（战舰位于OLED插座旁边，LS1），R34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，通过ADC3_IN6通道读取LIGHT_SENSOR（PF8）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。
32.3 程序设计
32.3.1 ADC的HAL库驱动
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6，对应IO是PF8，它们的时钟开启方法如下：
__HAL_RCC_ADC3_CLK_ENABLE (); /* 使能ADC3时钟 /
__HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE(); / 开启GPIOF时钟 */
2）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6，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。
32.3.2 程序流程图

图32.3.2.1 光敏传感器实验程序流程图
32.3.3 程序解析

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\h文件的代码和单通道ADC采集实验的adc.c\h文件的代码几乎一样，这里就不再赘述了。
   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：
   /* 光敏传感器对应ADC3的输入引脚和通道 定义 */

#define LSENS_ADC3_CHX_GPIO_PORT            GPIOF
#define LSENS_ADC3_CHX_GPIO_PIN             GPIO_PIN_8
#define LSENS_ADC3_CHX_GPIO_CLK_ENABLE()  do{ __HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE(); \
}while(0)   /* PF口时钟使能 */

#define LSENS_ADC3_CHX               ADC_CHANNEL_6       /* 通道Y,  0 <= Y <= 17 */

这些宏定义分别是PF8及其时钟使能的宏定义，还有ADC3通道6的宏定义。
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：

/**
 * @brief       初始化光敏传感器
 * @param       无
 * @retval      无
 */
void lsens_init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
    LSENS_ADC3_CHX_GPIO_CLK_ENABLE();     /* IO口时钟使能 */
    /* 设置AD采集通道对应IO引脚工作模式 */
    gpio_init_struct.Pin = LSENS_ADC3_CHX_GPIO_PIN;
    gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
    HAL_GPIO_Init(LSENS_ADC3_CHX_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);
    adc3_init();                             /* 初始化ADC */
}

该函数初始化PF8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：

/**
 * @brief       读取光敏传感器值
 * @param       无
 * @retval      0~100:0,最暗;100,最亮
 */
uint8_t lsens_get_val(void)
{
    uint32_t temp_val = 0;
    temp_val = adc3_get_result_average(LSENS_ADC3_CHX, 10); /* 读取平均值 */
    temp_val /= 40;
    if (temp_val > 100)temp_val = 100;
    return (uint8_t)(100 - temp_val);
}

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6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：

int main(void)
{
    short adcx;
    HAL_Init();								/* 初始化HAL库 */
    sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);		/* 设置时钟, 72Mhz */
    delay_init(72);							/* 延时初始化 */
    usart_init(115200);						/* 串口初始化为115200 */
    led_init();								/* 初始化LED */
    lcd_init();								/* 初始化LCD */
    lsens_init();							/* 初始化光敏传感器 */

    lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "STM32", RED);
    lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "LSENS TEST", RED);
    lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
    lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "LSENS_VAL:", BLUE);

    while (1)
    { 
        adcx = lsens_get_val();
        lcd_show_xnum(30 + 10 * 8, 110, adcx, 3, 16, 0, BLUE); /* 显示光线强度值 */
        LED0_TOGGLE();  /* LED0闪烁,提示程序运行 */
        delay_ms(250);
    }
}

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。
32.4 下载验证
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32.4.1所示：

图32.4.1 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。