基于STM32的光敏传感器数据采集系统-嵌入式系统与设计课程设计1

1 项目概述

1.1 项目介绍

随着人们对物理世界的不断探索，我们获取信息的方式和途径越来越多样化，信息的来源、种类、数量呈现海量化的态势。传感器作为连接物理世界与电子世界的重要媒介，能将物理世界中模拟信号转化成为计算机能够处理的数字信号[1]。

现代传感器不仅包括了传感部件能够感知周围世界，而且也集成了微型处理器与无线通信模块，可实现各传感节点间信息的交换与通信,而且能够对前端感知的信息进行综合分析处理和网络传输[2]。

本项目通过设计完成一个基于 STM32 的光敏传感器数据采集系统，利用 STM32F103 系列处理器完成光敏传感器相关数据的采集和分析处理，并通过串口通信将处理之后的数据传输到上位机软件进行显示，通过C语言编程和调试完成上述功能，同时通过课程设计的综合训练。

1.2 项目开发环境

我们的项目利用 Keil uVision4 for Arm 软件实现嵌入式系统控制软件的设计与开发。

硬件：PC 个人计算机、键盘、鼠标、物联网综合实验箱

软件：64 位 windows 操作系统，Keil uVision4 for Arm 软件、VC++6.0等

系统：Windows 10 (64bit)

处理器：Intel CPU Core i5-2500K 3.3 GHz

内存：16 GB RAM

显卡：Nvidia GPU GeForce GTX 1650

存储：15 GB of available space

1.3 小组人员及分工

表1-1 小组人员及分工

2 需求分析

2.1 系统需求分析

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[3]。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[4]。

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。通过ADC3通道6采集光敏传感器的AD 值，并将该值转换为光照度值 0-100，0对应最暗，100对应最亮，并通过串口1输出光照强度值利用这个电流变化，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。

2.2 可行性分析

1.项目的目标

项目目标：通过实验实训，进一步了解STM32的光敏传感器的工作原理。熟悉温湿度传感器的数据采集控制方法。

2.设计目的

观测STM32的光敏传感器的工作过程、记录温湿度传感器性能的实验数据。

3.任务和要求

(1)良好的沟通和合作能力；

(2)充分利用课上所学的嵌入式系统与设计、物联网系统应用项目开发等相关知识；

(3)充分利用调试和排错技术；

(4)简单测试驱动模块和桩模块的编写；

(5)查阅相关资料，自学具体课题中涉及的新知识。

2.3 项目实施安排

表2-1项目实施安排

3 系统硬件设计

3.1 系统整体硬件电路设计

IOT-L02-06型开发应用实验箱由Cortex-A9平板开发板(右下角)以及围绕其的多个无线传感器节点组成。Cortex-A9开发板配备一款7寸电容屏，运行Android操作系统可以做为Android APP开发平台使用。多个无线传感器节点由节点底板、无线射频模块、传感器&执行器模块以及2.8寸电阻触屏，各个模块之间均采用插针可插拔形式设计。

图3-1 物联网开发应用实验箱

实验箱标配Wi-Fi，Zigbee，蓝牙3种无线射频模块，磁检测传感器模块、光敏传感器模块、红外对射传感器模块、红外反射传感器模块等多种传感器模块。

图3-2 光敏传感器固件

IOT-L02-06型物联网开发应用实验箱各节点配置一枚STM32型MCU可完成单片机原理与技术课程的实验开设，标准配置有磁检测传感器、光敏传感器、红外对射传感器等传感器模块，传感器模块覆盖了电容式、电阻式、光敏式、气敏式四大原理类型传感器。

图3-3 STM32主芯片电路原理图

3.2 STM32 最小系统电路设计

系统的设计以 STM32 为主要的控制芯片，其模块的电源电路主要由 USB的接口连接进行供电，注意，此接口不用于下载程序，其中两个引脚与单片机引脚 相连。下载程序的接口，在 SWD的 4接口中，作为程序下载与调试的端口，两个分别接地与接电源出，剩下两个引脚分别接到主控制单片机的对应的 SWDIO和SWDCLK上。具体的 STM32最小系统设计如图3-4所示。

图 3-4 STM32 最小系统设计原理图

另外，系统中还有连个指示灯，一个为电源指示灯，可以作为 判断模块是否上电的视觉化表现，一个指示灯一端接 PC13。

时钟电路使用电容、 晶振,给单片机提供稳定的时钟基准信号，将两个电容并联，以 8M的晶振连接，一侧与单片机的OSC_IN连接，另一侧则与OSC_OUT连接。

此系统中的复位电路，104puf的电容与10K电阻串联，其中加按键与电容并联。此最小系统是单片机最小模块，独立的板子完成，还有两排引脚的标别，分别为 P3、P4部分。

3.3 传感器模块电路设计

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[5]。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[6]。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。

图3-5光敏传感器设计原理图

一般情况下光敏电阻的暗电阻为1M~~2MΩ，亮电阻为1K~~15KΩ，则可以根据D3处的电压分为两种情况:暗电阻（没有光照）与亮电阻（有光照）

暗电阻下：3.3V * 10K/ ( 2000 K+ 10K) = 0.016V

亮电阻下：3.3V * 10K/ ( 15 K+ 10K) = 1.3V

我们这里使用的STM32的PA4是12位ADC，根据上面的计算结果，我们可以算出亮电阻下的ADC值为1.3*1024 /3.3 = 1613 ，则我们可以通过采集ADC1的值作为临界值，当ADC1的值大于1613时表明有光，小于1613则无光。

表2-1传感器、STC、STM、CC2530数据口对应表

3.4 光敏电阻模块电路设计

光敏电阻器是一种对光敏感的元件，它的电阻值能随着外界光照强弱（明暗）变化而变化，即光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感。它在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小[7]。

光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换(将光的变化转换为电的变化)。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线(可见光)的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值(暗阻)可达1~10M欧,在强光条件(100LX)下，它阻值(亮阻)仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性(即光谱特性)与人眼对可见光(0.4~0.76)μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化[8]。

在黑暗的环境下，它的阻值很高；当受到光照并且光辐射能量足够大时，光导材料禁带中的电子受到能量大于其禁带宽度ΔEg 的光子激发，由价带越过禁带而跃迁到导带，使其导带的电子和价带的空穴增加，电阻率变小[9]。

图3-6 光敏电阻工作原理图

光敏电阻的伏安特性是在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。下图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。

在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制[10]。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。

图3-7 光敏电阻伏安特性

当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大[11]。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即

式中ν和λ—入射光的频率和波长。一种光电导体，存在一个照射光的波长限λC，只有波长小于λC的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加[12]。

光敏电阻的结构如图3-8所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层[13]。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案，结构见下图3-8。

图3-8金属封装的硫化镉光敏电阻结构图

它是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。这种硫状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积[14]，所以提高了光敏电阻的灵敏度。图3-9是光敏电阻的代表符号。

图3-9 光敏电阻代表符号

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