STM32之光敏电阻传感器模块

目录

一、系统概述

二、光敏电阻传感器模块简介

2.1  基本概述

2.2  模块组成与引脚定义

2.3  工作原理与电气特性

2.3.1  电路原理图

2.3.2  模块输出特性

2.3.3  典型参数

2.4  使用注意事项

2.5  与其他光传感器的对比

三、硬件设计

3.1  硬件组成

3.2  硬件连接

四、软件设计

4.1  开发环境配置

4.2  关键代码实现

4.2.1  初始化代码

4.2.2  主程序逻辑

五、系统调试与优化

六、应用扩展

七、总结

---

一、系统概述

        本系统采用STM32F103C8T6单片机(Blue Pill开发板)和光敏电阻传感器模块，实现环境光照强度的检测与显示功能。系统通过标准外设库开发，具有结构简单、响应灵敏的特点，可广泛应用于智能家居、农业温室、自动照明等领域。

二、光敏电阻传感器模块简介

2.1  基本概述

        光敏电阻（Photoresistor 或 LDR，Light Dependent Resistor）是一种基于半导体材料的光电传感器，其电阻值随光照强度变化而变化。核心特性如下：

• 工作原理：利用硫化镉（CdS）等半导体材料的光电效应，光照时电子被激发，电阻降低。
• 核心特点：成本低、结构简单、灵敏度高，但响应速度较慢（毫秒级）。

光敏电阻传感器图片：

2.2  模块组成与引脚定义

四线制模块典型结构：

引脚	功能说明
VCC	供电（3.3V/5V）
GND	地线
AO	模拟输出（电压随光照变化）
DO	数字输出（阈值触发）

模块附加功能：

• 比较器电路：将AO信号与可调阈值比较，输出数字信号（DO）。
• 灵敏度电位器：调节DO的触发阈值。
• 状态指示灯：显示数字输出状态。

2.3  工作原理与电气特性

2.3.1  电路原理图

        该电路是一个基于光敏电阻和LM393电压比较器的光敏电阻传感器电路，常用于检测环境光强度并根据光强变化输出数字信号。以下是对该电路的详细说明：

电源部分：

• VCC：电路的电源正极，为整个电路提供工作电压。
• 电源指示：由一个发光二极管（LED）和限流电阻（1K）组成。当电路接通电源时，LED点亮，指示电路已通电。电容104（0.1μF）用于电源滤波，减少电源噪声对电路的影响。

光敏电阻部分：

• 光敏电阻：其阻值会随着环境光强度的变化而变化。光强增加时，阻值减小；光强减弱时，阻值增大。
• 电位器VR1：一个10K的可调电阻，用于设置比较器的参考电压。通过调节VR1，可以改变光敏电阻触发比较器的阈值。

电压比较器部分：

• LM393：这是一个双电压比较器芯片，在此电路中使用了其中一个比较器。比较器的同相输入端（+）连接到电位器VR1的滑动端，反相输入端（-）连接到光敏电阻和固定电阻（10K）组成的分压电路。
• 工作原理：比较器将反相输入端的电压（由光敏电阻分压得到）与同相输入端的参考电压（由VR1设置）进行比较。当反相输入端电压低于同相输入端电压时，比较器输出高电平；反之，输出低电平。

输出部分：

• DO：数字输出引脚，直接连接到比较器的输出端。当环境光强度低于设定阈值时，DO输出低电平；当环境光强度高于设定阈值时，DO输出高电平。
• AO：模拟输出引脚，连接到光敏电阻和固定电阻组成的分压电路。AO输出的电压值与光敏电阻的阻值成比例，可以用于获取更精确的光强信息。
• 开关指示：由一个发光二极管（LED）和限流电阻（1K）组成，用于指示比较器的输出状态。当DO输出低电平时，LED点亮；当DO输出高电平时，LED熄灭。

接口部分：

• 3线制和4线制接口：提供了两种不同的接口方式，方便与不同的微控制器或电路连接。3线制接口包括VCC、GND和DO；4线制接口包括VCC、GND、DO和AO。

2.3.2  模块输出特性

输出类型	信号范围	特点
AO	0-VCC（模拟电压）	连续变化，需ADC采集
DO	高/低电平	超过阈值时触发，直接控制

2.3.3  典型参数

参数	值/范围
工作电压	3.3V-5V
检测波长范围	400-700nm（可见光）
响应时间	20-100ms
工作温度	-30℃~+70℃
视角	约120°（广角检测）

2.4  使用注意事项

安装与环境：
   - 避免强光直射导致老化。
   - 远离热源（温度影响电阻值）。

校准方法：
   - 暗校准：覆盖传感器，记录暗电阻对应的ADC值。
   - 亮校准：在标准光源（如1000Lux）下记录亮电阻值。

硬件设计： 
   - 分压电阻选择：建议2kΩ-10kΩ（平衡灵敏度与功耗）。
   - 添加电容滤波（如0.1μF陶瓷电容并联AO）。

软件优化：
   - 非线性补偿：分段线性化或查表法。
   - 动态阈值：根据环境光自动调整触发阈值。

2.5  与其他光传感器的对比

特性	光敏电阻	光电二极管	环境光传感器（如BH1750）
成本	最低（￥0.5）	中等	较高
精度	低	中	高
响应速度	慢（ms级）	快（μs级）	中（ms级）
输出	模拟/数字	模拟	数字（I2C）
线性度	差	较好	优秀

三、硬件设计

3.1  硬件组成

- STM32F103C8T6最小系统板
- 光敏电阻传感器模块(四线制)
- 0.96寸OLED显示屏(I2C接口)
- LED指示灯(用于阈值提示)
- 10KΩ电位器(用于阈值调节)
- 杜邦线若干

STM32F103C8T6最小系统板示意图：

LED模块：

        STM32F103C8T6最小系统板PCB13默认接到自带的LED灯，无需外接 。

3.2  硬件连接

STM32引脚	连接模块	说明
PA0	传感器AO	ADC1通道0
PA1	传感器DO	数字输入
PB6	OLED_SCL	I2C1时钟线
PB7	OLED_SDA	I2C1数据线
PC13	LED	光强阈值提示
3.3V	传感器VCC	电源
GND	传感器GND	共地

四、软件设计

4.1  开发环境配置

- 开发工具：Keil MDK-ARM 5
- 库版本：STM32F10x标准外设库
- 调试工具：ST-Link V2

4.2  关键代码实现

4.2.1  初始化代码

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"
#include "stm32f10x_adc.h"
#include "stm32f10x_rcc.h"
#include "stm32f10x_i2c.h"
#include "oled.h"
#include "delay.h"// 光强阈值(可根据需要调整)
#define LIGHT_THRESHOLD 1500void GPIO_Configuration(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;// 使能GPIO时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);// 配置PA0为模拟输入(AO)GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);// 配置PA1为浮空输入(DO)GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);// 配置PC13为推挽输出(LED)GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);// 配置I2C引脚(PB6,PB7)GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}void ADC_Configuration(void)
{ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;// 使能ADC1时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);// ADC配置ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);// 配置ADC通道0(PA0)ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5);// 使能ADC1ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);// ADC校准ADC_ResetCalibration(ADC1);while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));ADC_StartCalibration(ADC1);while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));// 启动ADC转换ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
}void I2C_Configuration(void)
{I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;// 使能I2C1时钟RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);// I2C配置I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 100000; // 100kHzI2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);// 使能I2C1I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);
}

GPIO配置函数（GPIO_Configuration）功能：

初始化所有用到的GPIO引脚，包括：

• PA0：模拟输入，连接光敏电阻的模拟输出（AO）

• PA1：数字输入，连接光敏电阻的数字输出（DO）

• PC13：推挽输出，控制LED指示灯

• PB6/PB7：开漏输出，配置为I2C接口（用于OLED显示屏）

ADC配置函数（ADC_Configuration）功能:

配置ADC1（通道0，PA0）用于读取光敏电阻的模拟电压值。

• GPIO_Mode_AIN：将PA0设为模拟输入模式，用于ADC采集电压信号。

• PB6/PB7的GPIO_Mode_AF_OD：I2C协议要求引脚为开漏输出模式，需外接上拉电阻。

• 连续转换模式：ADC自动持续采样，无需手动触发。

• ADC校准：通过ADC_ResetCalibration和ADC_StartCalibration确保转换精度。

• 采样时间：ADC_SampleTime_239Cycles5表示采样周期为239.5个时钟周期，适合高阻抗信号源（如光敏电阻）。

I2C配置函数（I2C_Configuration）功能:

初始化I2C1接口（PB6-SCL, PB7-SDA），用于驱动OLED显示屏。

• 时钟速度：100kHz是I2C标准模式，兼顾速度和稳定性。

• 开漏引脚：I2C协议要求SCL和SDA均为开漏输出，需外部上拉电阻。

4.2.2  主程序逻辑

uint16_t Get_ADC_Value(void)
{while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC)); // 等待转换完成return ADC_GetConversionValue(ADC1);
}void Display_Light_Intensity(uint16_t value)
{char buffer[16];// 显示ADC原始值sprintf(buffer, "ADC: %4d", value);OLED_ShowString(0, 2, (uint8_t *)buffer);// 显示光强状态if(value > LIGHT_THRESHOLD) {OLED_ShowString(0, 4, (uint8_t *)"Status: Bright ");GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13); // LED灭(低电平点亮)} else {OLED_ShowString(0, 4, (uint8_t *)"Status: Dark   ");GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13); // LED亮}
}int main(void)
{uint16_t adc_value = 0;uint8_t digital_state = 0;// 初始化系统时钟SystemInit();// 外设初始化GPIO_Configuration();ADC_Configuration();I2C_Configuration();// OLED初始化OLED_Init();OLED_Clear();OLED_ShowString(0, 0, (uint8_t *)"Light Sensor");while(1){// 读取模拟量adc_value = Get_ADC_Value();// 读取数字量digital_state = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1);// 显示光强信息Display_Light_Intensity(adc_value);// 简单延时Delay_ms(200);}
}

ADC值读取（Get_ADC_Value）:

• EOC标志：检查ADC转换结束标志位，确保数据有效。

• 返回值：12位ADC结果（0-4095），对应电压0-3.3V。

光强显示与LED控制（Display_Light_Intensity）:

• 阈值判断：LIGHT_THRESHOLD为预设的光强阈值，超过则判定为“明亮”。

• LED逻辑：PC13连接LED，低电平点亮（STM32F103C8T6的LED电路设计特性）。

主循环:

• 双模式检测：同时读取模拟量（ADC）和数字量（DOUT），提高灵活性。

• 延时控制：200ms的采样间隔避免频繁刷新，平衡响应速度与稳定性。

五、系统调试与优化

光敏电阻特性测试:
- 在完全黑暗环境下记录ADC值
- 在不同光照条件下(如室内光、阳光直射)记录ADC值
- 绘制光照强度-ADC值曲线
软件滤波算法:

#define FILTER_SIZE 5uint16_t Moving_Average_Filter(void)
{static uint16_t filter_buf[FILTER_SIZE] = {0};static uint8_t filter_index = 0;uint32_t sum = 0;filter_buf[filter_index++] = Get_ADC_Value();if(filter_index >= FILTER_SIZE) filter_index = 0;for(uint8_t i=0; i<FILTER_SIZE; i++) {sum += filter_buf[i];}return sum / FILTER_SIZE;
}

六、应用扩展

自动调光系统:

根据光照强度控制PWM的占空比达到亮度调节的目的。

void PWM_Control(uint16_t light_level)
{// 根据光照强度控制PWM输出// 光照越强，PWM占空比越小uint16_t duty_cycle = 100 - (light_level * 100 / 4095);TIM_SetCompare1(TIM3, duty_cycle);
}

七、总结

        本系统实现了基于STM32F103C8T6的光敏电阻检测方案，通过标准库开发保证了良好的可移植性，可根据实际需求扩展为各种光控应用系统。