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

阳光穿透心脏的1/2处 2024-04-03 09:04 25阅读 0赞

#### 目录 ####

*  1 项目概述
 *   *  1.1 项目介绍
     *  1.2 项目开发环境
     *  1.3 小组人员及分工
 *  2 需求分析
 *   *  2.1 系统需求分析
     *  2.2 可行性分析
     *  2.3 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
     *  3.2 STM32 最小系统电路设计
     *  3.3 传感器模块电路设计
     *  3.4 光敏电阻模块电路设计
 *  4系统软件设计
 *   *  4.1 系统整体流程设计
     *  4.2 光敏传感器检测软件设计
     *  4.3 Keil软件简介
 *  5 系统测试及功能说明
 *   *  5.1 开发环境测试
     *  5.2 功能测试
     *  5.3 结果分析
 *  6 总结
 *  参考文献

## 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**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>姓名</th> 
   <th>项目中的分工</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>X</td> 
   <td>设计创作、理论指导</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>X</td> 
   <td>设计创作、理论指导</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Yeats_Liao</td> 
   <td>总体规划、论文编写</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>X</td> 
   <td>评价分析、资料整理</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 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。

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**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。

![在这里插入图片描述][f4536d690ce0400a96263a6f8664c147.png]  
**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。

![在这里插入图片描述][69e92f7e3cd44d8db6168208e4b5e126.png]  
**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。

![在这里插入图片描述][71e91691c35d4aadb36404ce2b4ca491.png]  
**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。  
![在这里插入图片描述][31973b6f9e184c81bde071fe4b022546.png]  
**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**  
![在这里插入图片描述][54daf51c13274d07bf0785cf0c1f11a0.png]

### 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\[9\]。

![在这里插入图片描述][9538a84583bc433fbb2a561ebe5871ef.png]  
**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。  
![在这里插入图片描述][f70b32f3fa784cbdbf9de9103cb7500b.png]  
**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  
![在这里插入图片描述][cc500951f6e845e3b5e71bb6243817b5.png]

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。

![在这里插入图片描述][0a74513f1b6f4ff4bb2422e5a1b0ae6e.png]  
**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。

![在这里插入图片描述][2bfc395131f14771b947e1fbc90a05bf.png]  
**图3-9 光敏电阻代表符号**

## 4系统软件设计 ##

### 4.1 系统整体流程设计 ###

在系统运行前，准备连接带有STM32芯片节点的硬件、电脑、J-LINK、串口线等；编写实验源代码及下载代码，将光敏传感器安装在8号节点上，打开Keil集成开发环境，打开光敏传感器实验工程文件。编译整个工程，将生成Test.hex可执行文件。把J-LINK与节点、电脑连接，点击左上角的将程序下载到节点板，使用配套的串口线将计算机串口与8号节点的DB9串口接头相连，将节点右下角上的白色三位拨打开关拨至左边，给节点重新上电，打开串口调试工具程序，打开正确的端口，进行9600-8-N-1设置，打开串口，就可以与芯片进行数据交互了。系统流程如图4-1所示。

![在这里插入图片描述][7c407988088249549e67ade8a266b667.png]

**图4-1 系统软件整体运行流程图**

### 4.2 光敏传感器检测软件设计 ###

系统运行时，单片机控制系统开始运行，光敏传感器检测程序开始启动，传感器把接收到数据进行采集，并反馈到串口中。在检测到光照时，传感器OUT端输出高电平信号；没有检测到光照时，传感器OUT端输出低电平信号，之后程序结束运行。光敏传感器检测软件设计流程如图4-2所示：

![在这里插入图片描述][020c03b119a04a63a1d36aef47017d1f.png]

**图 4-2 光敏传感器检测程序处理流程图**

### 4.3 Keil软件简介 ###

Keil是一个公司的名字。是由德国慕尼黑的Keil Elektronik GmbH和美国德克萨斯的Keil Software组成。Keil 软件是目前最流行开发51系列单片机的软件。支持c语言，汇编语言。

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。Keil 提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起。

Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全 Windows界面。

## 5 系统测试及功能说明 ##

### 5.1 开发环境测试 ###

首先启动Keil软件的集成开发环境，可以从桌面上直接双击uVision的图标以启动该软件。

UVison启动后，程序窗口的左边有一个工程管理窗口，该窗口有3个标签，分别是Files、Regs、和 Books，这三个标签页分别显示当前项目的文件结构、CPU的寄存器及部份特殊功能寄存器的值（调试时才出现）和所选CPU的附加说明文件。

在设置好工程后，即可进行编译、连接。选择菜单Project->Build target，对当前工程进行连接，如果当前文件已修改，软件会先对该文件进行编译，然后再连接以产生目标代码；如果选择Rebuild All target files将会对当前工程中的所有文件重新进行编译然后再连接，确保最终生产的目标代码是最新的，而Translate….项则仅对该文件进行编译，不进行连接。

以上操作也可以通过工具栏按钮直接进行。图5-1是有关编译、设置的工具栏按钮，从左到右分别是:编译、编译连接、全部重建、停止编译和对工程进行设置。

![在这里插入图片描述][009d26f7bcbf49ad8d030f67e942d3ab.png]  
**图5-1 工具栏视图**

编译过程中的信息将出现在输出窗口中的 Build 页中，如果源程序中有语法错误，会有错误报告出现，双击该行，可以定位到出错的位置。

![在这里插入图片描述][915ec2d27ca74d629b72f4345d54d503.png]  
**图5-2 Build页输出窗口**

对源程序反复修改之后，最终会得到如图5-2所示的结果，提示获得了名为test.hex的文件，该文件即可被编程器读入并写到芯片中。  
同时还产生了一些其它相关的文件，可被用于Keil的仿真与调试，这时可以进入下一步调试的工作。

![在这里插入图片描述][609ba5b417284041913ca835c11c44e7.png]  
**图5-3 编译结果输出窗口**

Keil4开发环境是STM32MCU的开发环境，编写程序判断接收到的数据是否为光敏传感器，我们用Modbus数据的第03个字节作为传感器类型，当为0x2A时候表示光敏传感器。  
![在这里插入图片描述][f2612c8f714346129a750e2b1c2a00e0.png]  
**图5-4 光敏传感器代码示例**

串口调试工具是一款通讯串口调试软件，这款软件窗口中支持串口设置、选择串口、数据位、校验位以及停止位等参数。初次使用串口调试工具的用户，选择端口号

![在这里插入图片描述][4547031a037f4abf89a9b855aeb574bf.png]  
**图5-5 串口调试工具**

插好串口线，在windows桌面界面，在计算机图标上点击右键选择设备管理器进入如下图所示界面，点击端口(COM和LPT)，就会出现现在计算机上正在使用的串口编号。

![在这里插入图片描述][2a0ae81d7ca9443d8bcad88b3e1e8ccc.png]  
**图5-6 设备管理器**

Modbus数据格式举例：  
发送指令：02 03 00 2C 00 01 45 f0  
02 ：表示设备地址  
03 ：功能码，表示读取数据  
00 2C：读取开始的地址  
00 01：表示读取多少个寄存器，1个寄存器有2个字节  
45 f0: 由前面数据通过CRC-16计数得来的校验码

返回数据：02 03 02 00 00 FC 44  
02 ：表示从地址为02的设备返回  
03 ：表示返回的数据是读取  
02 ：表示2个有效字节  
00 00 ：就是2个有效字节  
FC 44 ：由前面数据通过CRC-16计数得来的校验码

### 5.2 功能测试 ###

在功能测试前，准备连接带有STM32芯片节点的硬件、电脑、J-LINK、串口线等；编写实验源代码及下载代码，将光敏传感器安装在8号节点上，打开Keil集成开发环境，打开光敏传感器实验工程文件。编译整个工程，将生成Test.hex可执行文件。把J-LINK与节点、电脑连接，点击左上角的将程序下载到节点板，使用配套的串口线将计算机串口与8号节点的DB9串口接头相连，将节点右下角上的白色三位拨打开关拨至左边，给节点重新上电，打开串口调试工具程序，打开正确的端口，进行9600-8-N-1设置，打开串口，就可以与芯片进行数据交互了。功能使用流程如图5-1所示。

![在这里插入图片描述][9181c9dd74094244b4de9ad86ad4e543.png]  
**图5-7 功能使用流程图**

第一步：打开Keil集成开发环境和Test.uvproj工程文件，编译整个工程，生成Test.hex可执行文件，如图5-8所示。

![在这里插入图片描述][d9d882ccb56843a097b0aef2effc87db.png]  
**图5-8 编译工程文件**

第二步：把J-LINK与节点、电脑连接，将程序下载到节点板，使用配套的串口线将计算机串口与8号节点的DB9串口接头相连，如图5-9所示

![在这里插入图片描述][c2675a2ec5d0455491726f6c9996a22f.png]  
**图5-9 连接串口设备**

第三步：配置节点地址，发送：FF 30 00 0B 00 01，返回：FF 30 00 0B 00 01如图5-10所示：

![在这里插入图片描述][3dc311c48e6c48728f52a22effe565a1.png]  
**图5-10 配置节点地址**

第四步：获取传感器数据，相应的光敏传感器的AD值指令数据如5-11图所示：

![在这里插入图片描述][7d6effb0588b4644ae7488bf8c0bd788.png]  
**图5-11 获取传感器数据**

### 5.3 结果分析 ###

AD模数转换是将传感器输出的信号（电压、电流、应变、温度等人可以直观认知的信号）转换成计算机系统能够识别的数字量，用于数据的采集。相对应的还有DA转换，将数字信号转换为模拟信号，输出给控制执行机构用于控制。这些跟数据采集系统有关。

STM32的ADC精度为12位，则最大值为4096。采集到的AD值与电压成线性对应关系，系统中最高的电压值为3.3V的电源电压，它与4096对应使用ADC算出光敏电阻的值。

光照强度是指单位面积上所接受可见光的能量，简称照度，单位勒克斯（Lux或lx），常见环境的光照强度值如表5-1。

**表5-1常见环境的光照强度值对应表**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>场所/环境</th> 
   <th>光照强度（lux）</th> 
   <th>场所/环境 光照强度（lux）</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>晴天室内</td> 
   <td>100～1000</td> 
   <td>办公室/教室 300～500</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>阴天室内</td> 
   <td>5～50</td> 
   <td>餐厅 10～30</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>月圆夜室外</td> 
   <td>0.2</td> 
   <td>距60W台灯60cm 300</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

串口调试工具手动发送数据：08 03 00 2A 00 01 a5 5b，返回：08 03 02 0D 8F 21 71，其中0D 8F就是采集光敏传感器的AD值，不同光照条件下这个值会相应不同，计算出光照强度。

## 6 总结 ##

本次课程设计是完成一个基于 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。

课程设计初期遇到了很多困难，不知道从何下手，在同学的帮助和自己摸索的情况下还是完成了这次课程设计，从中认识到以我们现在的经验，不学到一定的深度和广度是难以在实际工作中应付自如的。因此反映出学习的还不够，缺点疏漏。需在加以刻苦钻研及学习，不断开拓视野，增强自己的实践操作技能。

这次课程设计，加深了我们对光敏传感器理解；物联网的知识很深奥，仅靠课本是远远不够的，我们将出现的所有错误都写成了博客发布到CSDN上，总结经验，不断提升自己的能力。

## 参考文献 ##

\[1\] 王志强.基于STM32温度及光敏无线传感器设计\[J\].电子测试,2022(03):46-49.DOI:10.16520/j.cnki.1000-8519.2022.03.033.  
\[2\] 梁一啸,刘志欣,范恩,蒋忠莉,邓贵妃.基于多传感器的温室环境监测系统设计与实现\[J\].物联网技术,2022,12(02):16-19.DOI:10.16667/j.issn.2095-1302.2022.02.004.  
\[3\] 张朝龙,董甲东,江善和,张诗霞,王实,路健.“传感器与检测技术”虚拟实验教学平台建设\[J\].安庆师范大学学报(自然科学版),2021,27(03):101-104.DOI:10.13757/j.cnki.cn34-1328/n.2021.03.020.  
\[4\] 汤梓日,张杰波,田秀云,王文华.基于光敏传感器的汽车远光灯智能避让系统\[J\].电子测试,2020(24):13-16.DOI:10.16520/j.cnki.1000-8519.2020.24.003.  
\[5\] 张佳,蔡涛,王高原.基于光敏电阻的传感器实验设计与实现\[J\].实验技术与管理,2020,37(11):42-47.DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2020.11.009.  
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\[8\] 侯秀丽,姚小芳.光电传感器在物联网系统中的应用研究\[J\].科技创新导报,2020,17(05):125-126.DOI:10.16660/j.cnki.1674-098X.2020.05.125.  
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\[10\] 罗涛,王晓娜,宋世德.光敏传感器智能寻光小车的设计与制作\[J\].实验科学与技术,2019,17(04):25-29.  
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