STM32使用光敏传感器计算光照度Lux

只看该作者 · 2023-1-15 23:40

最近项目中用到了光敏电阻。搜索资料，发现很多人都使用光敏电阻，只是用了AD读取了电压值，或者算出了电阻值，就发送给上位机或者服务器，美其名曰获取了光照度。

搜索一番，也没找到用光敏电阻计算Lux的方法，于是自己做了一些研究，分享一下。

只看该作者 · 2023-1-15 23:40

计算光敏电阻值
相信STM32的ADC读者应该会用，教程也一抓一大把，在此不表。接下来先计算电阻值。我的光敏电阻电路图如下：

其中PA6接单片机AD采集引脚，它最大只能输入3.6V电压，而光敏电阻的供电为5V，所以设计了R1与R2两个分压电阻，确保PA6的电压不超过3.6V。

只看该作者 · 2023-1-15 23:45

设光敏电阻的阻值为xΩ，PA6的电压为y，可得以下公式：

y/1500=5/(x+2500)

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。假设PA6感受到的电压y对应的AD值为z，则：

y/z=3.3/4096

联立两式，消去y，得到关于x的表达式：

x=10240000/(1.1×z)-2500

使用ADC得到z以后，就可以根据上式算出光敏电阻的值了。

只看该作者 · 2023-1-15 23:46

我的代码使用了DMA获取多通道AD值，并且取100个数据求算数平均值滤波，然后打印电阻值的代码如下

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//main.c  main()

  while (1)

  {

    if(DMA_Flag)

    {

      for(int i=0;i<ADC_CHANNEL_CNT;i++)

        printf("CH%d value = %d \n",i+2,ADC1_AVG_Buf[i] );

      uint32_t PhotoResistor = (uint32_t)(10240000/(1.1*ADC1_AVG_Buf[4]) - 2500);

      //串口打印采样结果

      printf("The AD value is %d，the PhotoResistor is %d .\r\n",ADC1_AVG_Buf[4],PhotoResistor);

      printf("The DMA count is %d .\r\n",DMA_CNT);

      DMA_Flag = 0;

    }

  }

只看该作者 · 2023-1-15 23:48

现象是能够打印出光敏电阻值。

只看该作者 · 2023-1-15 23:49

从电阻值到光照度
之前已经算出来了光敏电阻的电阻值，并且能够分出光照强度的等级，但是仍然无法计算出光照强度。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

只看该作者 · 2023-1-15 23:50

只看该作者 · 2023-1-15 23:51

精确测量光照强度是比较困难的一件事情，使用简陋的光敏电阻测量光照强度则精度更难以保障。本节的重点是解决问题的思路，如何用较简单的方法获取相对准确的光照度。配套电路板中使用的光敏电阻型号为GL5528，它的主要参数如表

只看该作者 · 2023-1-15 23:51

其中的γ值表示10Lux电阻值与100Lux电阻值的比值的对数。

γ=lg⁡(R10/R100)

将γ=0.6带入，可得R10/R100≈4。即R10=4×R100，对于R10与R1关系仍然成立：R1=4×R10。手册中给出了一个对数坐标系的图，光照强度与Lux的对应关系并非一条直线，而是一个范围。为了简便计算，取范围中稍微靠下的一条直线，直线中包含（1，40），（10，10），（100，2.5）这三个点。

只看该作者 · 2023-1-15 23:52

手册中给出的1到100范围太小了，常用光照度可到达1000Lux，因此要通过现有的关系推算出光照度与电阻值的关系式。虽然看上去光照度与电阻值的对应关系是一条直线，但是要注意坐标系是对数坐标系，不能套用一元一次方程。

只看该作者 · 2023-1-15 23:53

在MATLAB中拟合，拟合过程如图7-19所示。可得关系式为：

f(x)=(4e+0.4)×x^(-0.6021)

拟合过程如图。

只看该作者 · 2023-1-15 23:54

编写代码算出光照度
在单片机内，用带指数的关系式计算，计算速度会很慢。可以使用查表法，无需计算，只遍历数组得到结果。根据拟合得到的函数，可以推导出Lux从1到1000，各自对应的电阻值，共1000对。观察数据，可以发现在Lux比较大的时候，对应的电阻值过于接近。此处仅要求粗略计算，无需这么多数据。将电阻值的个位数舍去，并删除重复电阻值，可得到281对数据。

只看该作者 · 2023-1-15 23:54

定义新的结构体数据如下。

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  //ADC.h

typedef struct

{

  unsigned short ohm;   //光敏电阻值

  unsigned short lux;   //流明

}PhotoRes_TypeDef;

//ADC.c

//GL5528光敏电阻的阻值与流明对应的关系

const  PhotoRes_TypeDef GL5528[281]=

{

{40000, 1},{26350, 2},{20640, 3},{17360, 4},{15170, 5},

{13590, 6},{12390, 7},{11430, 8},{10650, 9},{9990, 10},

{9440, 11},{8950, 12},{8530, 13},{8160, 14},{7830, 15},

......

{720, 773},{710, 791},{700, 809},{690, 829},{680, 849},

{670, 869},{660, 891},{650, 914},{640, 937},{630, 961},

{620, 987},

};

只看该作者 · 2023-1-15 23:55

当得到电阻值以后，遍历数据，算出光照度，代码如下。

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//ADC.c

/**

  * [url=home.php?mod=space&uid=247401]@brief[/url] 通过电阻值算出光照度

  * @param 光敏电阻值

  * @retval None

  */    

unsigned short GetLux(uint32_t PhotoResistor)

{

  unsigned short lux = 0;

  //查表法，根据电阻值得出光照度

  for(int i = 0 ; i < 281 ; i++)

  {

    if (PhotoResistor > GL5528[i].ohm)

    {

      lux = GL5528[i].lux;

      break;

    }

  }

  return lux;

}

只看该作者 · 2023-1-15 23:55

主函数中，打印光照度：

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//main.c main() while(1)

    if(DMA_Flag)

    {

      unsigned short lux = 0;

      for(int i=0;i<ADC_CHANNEL_CNT;i++)

        printf("CH%d value = %d \n",i+2,ADC1_AVG_Buf[i] );

      uint32_t PhotoResistor = (uint32_t)(10240000/(1.1*ADC1_AVG_Buf[4]) - 2500);

      //从电阻值计算光照度

      lux = GetLux(PhotoResistor);

      //串口打印采样结果

      printf("The AD value is %d，the PhotoResistor is %d .\r\n",ADC1_AVG_Buf[4],PhotoResistor);

      printf("The Lux is %d .\r\n",lux);

      printf("The DMA count is %d .\r\n",DMA_CNT);

      DMA_Flag = 0;

    }

只看该作者 · 2023-1-15 23:56

下载程序，观察现象，应该看到如图7-19所示的现象，说明算出了Lux的值。

只看该作者 · 2023-1-15 23:56

当然，这个计算结果也不会很精确，毕竟光照度与电阻的关系也不是一一对应的。