《傳感器與傳感網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用》2-2使用光照傳感器控制樓道燈亮

項目二樓道開燈傳感器與傳感網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用任務(wù)描述與要求任務(wù)描述：樓道燈光開關(guān)系統(tǒng)經(jīng)過加裝聲音傳感器改裝為聲控后，給生活帶來了極大的便利，受到了小區(qū)業(yè)主的一致好評。但一樓小區(qū)業(yè)主提出了新的問題。業(yè)主王先生所住的一樓樓道，由于受外部高層建筑的遮擋導(dǎo)致光線昏暗，每次回家至樓道口都要故意跺跺腳或者拍拍手制造出點聲響才能讓樓道燈點亮，既顯得麻煩又打擾鄰居。大家希望新大陸科技有限公司拿出更好的解決方案。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，公司打算使用光照傳感器，實現(xiàn)樓道燈光的光感自動控制。任務(wù)要求：

使用光照傳感器采集光照數(shù)據(jù)，通過串口工具在PC端顯示光照的AD值基于光照傳感器和zigbee模塊，搭建光控樓道開燈模擬系統(tǒng)使用IAR完成基于CC2530控制程序的開發(fā)與調(diào)試；

完成測試程序的燒寫，實現(xiàn)樓道燈通過光感自動控制的功能需求。任務(wù)二使使用光照傳感器控制樓道燈亮任務(wù)資訊01任務(wù)實施03任務(wù)計劃與決策02任務(wù)小結(jié)04引導(dǎo)問題問題1：

你是否了解生活中各類光照概念以及應(yīng)用？

問題2：

你認為聲控樓道燈光系統(tǒng)該如何改造才能實現(xiàn)節(jié)能和智能化管理？光照度光照度的測量——光敏傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

任務(wù)資訊12354

溫度/光照傳感模塊認識光照度光作為一種電磁波，按頻率從低到高分為有無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線等。從圖2-2-1可以看出，人眼可以感知的可見光，只是電磁波頻譜中很小的一段，波長在400～760nm之間。可見光譜沒有精確的范圍。其他生物能看見的光波范圍跟人類不一樣。光照度02光照強度（簡稱照度）表示物體表面積被照明的程度量，即照射在單位面積上的光通量。照度的單位為lx（勒克斯）,也有用lux的，1lx=1lm/㎡。夏季陽光直射下光照強度可達60000～100000lx，沒有太陽的室外1000～10000lx，室內(nèi)光照為100～550lx，夜間滿月下為0.2lx。白熾燈每瓦大約可發(fā)出12.56lx的光，熒光燈的發(fā)光效率是白熾燈的3～4倍。圖2-2-1左圖是一種帶有數(shù)字顯示功能的光照強度的傳感器。光照度光照度的測量——光敏傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

任務(wù)資訊12354

溫度/光照傳感模塊認識光照度的測量——光敏傳感器02光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點，在自動控制和非電量電子技術(shù)中占有非常重要的地位。光敏傳感器是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一。光敏傳感器主要分有光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏三極管、太陽能電池、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、CCD、CMOS圖像傳感器等。有線壁掛式無線壁掛式高精度照度計有線吸頂式火焰?zhèn)鞲衅鞴怆妭鞲衅鞴庹斩鹊臏y量——光敏傳感器1

工作原理光敏傳感器結(jié)構(gòu)23

工作參數(shù)4應(yīng)用情況2工作原理光由具有一定能量的粒子即光子組成。光照射在物體表面上時，物體受到一連串的光子轟擊。光電效應(yīng)就是金屬內(nèi)部的電子被光子踢出來而形成光電流的現(xiàn)象。從能量轉(zhuǎn)化的角度來看，是一個光生電、光能轉(zhuǎn)化為電能的過程。光電效應(yīng)示意圖如圖2-2-3所示。圖2-2-3

光電效應(yīng)圖示工作原理光電效應(yīng)通常分為內(nèi)光電效應(yīng)、外光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。在光線的作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，引起材料內(nèi)部電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，又稱光電導(dǎo)效應(yīng)。不管是產(chǎn)生了電動勢還是導(dǎo)體的電阻產(chǎn)生變化都是發(fā)生在導(dǎo)體內(nèi)部，因此都屬于內(nèi)光電效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻等。光電管和光電倍增管因為都有電子溢出形成了光電流，因此屬于外光電效應(yīng)?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。在光線的作用下，能夠產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫作光生伏特效應(yīng)。圖2-2-4顯示光電效應(yīng)的分類及各件常見的光電元件。圖2-2-4光電效應(yīng)分類光照度的測量——光敏傳感器1

工作原理光敏傳感器結(jié)構(gòu)3

工作參數(shù)4應(yīng)用情況2光敏傳感器結(jié)構(gòu)光敏傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換原件、轉(zhuǎn)換電路等組成，其中光敏材料為敏感元件，能根據(jù)不同波長的光線發(fā)生光電效應(yīng)。光敏傳感器還分多種類型，常用的光敏傳感器有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等。

光敏電阻及其結(jié)構(gòu)

光敏二極管圖示光敏三極管工作原理光照度的測量——光敏傳感器1

工作原理光敏傳感器結(jié)構(gòu)3

工作參數(shù)4應(yīng)用情況2工作參數(shù)以光敏電阻為例，光敏傳感器主要參數(shù)如下：①光電流、亮電阻②暗電流、暗電阻③靈敏度④光譜特性⑤光照特性光敏電阻光譜響應(yīng)曲線

光敏電阻的光照特性曲線工作參數(shù)下面兩個表列出了GB5-A1E光敏傳感器的額定參數(shù)和光電參數(shù)。表2-2-1、表2-2-2為GB5-A1E光敏傳感器的情況說明。參數(shù)名稱符號額定值單位反擊穿電壓V（BR）CEO30V正向電流ICM30Ma最大功率PCM50mW工作溫度范圍Topr.-40~85℃儲存溫度Tstg.-40~100℃工作溫度Tamb-25~70℃焊接溫度（5s）Tsol260℃參數(shù)名稱符號測試條件最小值典型值最大值單位暗電流Idrk0lx，Vdd=10V————0.2mA亮電流IssVdd=5V，10lx，Rss=1kΩ248μAVdd=5V，100lx，Rss=1kΩ204080感光光譜λ————8801050nm響應(yīng)速度上升trVdd=10V，Iss=5mA，RL=100Ω——4——μs下降tf——4——μs表2-2-1GB5-A1E光敏傳感器參數(shù)列表（Ta=25℃）表2-2-2GB5-A1E光敏傳感器光電參數(shù)（Ta=25℃）光照度的測量——光敏傳感器1

工作原理光敏傳感器結(jié)構(gòu)3

工作參數(shù)4應(yīng)用情況2應(yīng)用情況光敏傳感器廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、天文探測、光電自動控制、極薄零件厚度檢測、光照量測量、光電計數(shù)及光電跟蹤等場景。圖2-2-10所示為手機光線感應(yīng)器。圖2-2-10手機線感應(yīng)器應(yīng)用情況此外，基于光敏傳感器手機還具備了如下特殊功能。①感應(yīng)節(jié)能功能。手機白天自動關(guān)閉鍵盤背光燈、晚上自動開啟鍵盤。②智能(LCD屏感光功能。即感應(yīng)環(huán)境光線的強弱，，隨時隨地自動調(diào)節(jié)LCD屏亮度、圖像色彩，使得手機屏太陽光下看得更清晰，晚上不刺眼，即保護視力又省電。③來電鈴聲轉(zhuǎn)靜音功能。在會議中手機來電鈴聲突然響起，輕觸光感IC窗口兩次將手機輕松切至靜音，不打擾會議，干擾他人。④拍攝自動補光感應(yīng)功能。在自動模式下拍照，由光感IC判定何時該開補光燈、何時關(guān)閉功能。光照度光照度的測量——光敏傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)任務(wù)資訊12354

溫度/光照傳感模塊認識數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1

模擬信號與數(shù)字信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3模數(shù)轉(zhuǎn)換4CC2530的ADC模塊2模擬信號與數(shù)字信號所有信號都是隨時間改變而改變的物理量。自然界中信號類型廣泛，如狀態(tài)、速率、電平、形狀、頻率成分等等。根據(jù)信號承載信息方式的不同可以將信號分為模擬或數(shù)字信號，兩類信號的時變特性如圖2-2-11所示。數(shù)字信號是幅值離散的信號，易于存儲，便于邏輯計算，抗干擾能力強；模擬信號是信號波形模擬著信息的變化而變化，主要特征是在幅值上連續(xù)，在時間上可連續(xù)也可不聯(lián)系的信號，分辨率高，難存儲，抗干擾能力弱。圖2-2-11模擬信號和數(shù)字信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1

模擬信號與數(shù)字信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3模數(shù)轉(zhuǎn)換4CC2530的ADC模塊2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集非電量或者電量信號,送到上位機中進行分析、處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集器MCU存儲電路時鐘電路復(fù)位電路傳感器模塊通訊模塊Zigbee/GPRS模擬量電路數(shù)字量電路開關(guān)量電路集中器通信上位機執(zhí)行器

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1

模擬信號與數(shù)字信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3模數(shù)轉(zhuǎn)換4CC2530的ADC模塊2模數(shù)轉(zhuǎn)換模擬信號是隨時間連續(xù)不斷地變化的。數(shù)字信號即二進制信號。單片機只能接收數(shù)字信號，因此在采集光照度等模擬信號時必要進行A/D轉(zhuǎn)換，即對原始采集到的模擬量進行采樣、量化、編碼等一系列處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，轉(zhuǎn)換過程見圖2-2-12所示。轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號傳送到單片機寄存器中，才能完成程序處理。

圖2-2-12模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1

模擬信號與數(shù)字信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3模數(shù)轉(zhuǎn)換4CC2530的ADC模塊2CC2530的ADC模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換即將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通常簡寫為ADC。CC2530ADC相關(guān)寄存器包括控制寄存器（ADCCON1、ADCCON2和ADCCON3）、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寄存器（ADCH和ADCL）、端口配置寄存器（APCFG）、溫度測試寄存器（TR0）、模擬測試控制（ATEST）等。CC2530單片機中的ADC模塊結(jié)構(gòu)如圖2-2-13所示。ADC操作包括ADC的輸入、ADC轉(zhuǎn)換以及對ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的處理。①ADC輸入②ADC轉(zhuǎn)換③ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果圖2-2-13CC2530的ADC模塊結(jié)構(gòu)光照度光照度的測量——光敏傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

任務(wù)資訊12354

溫度/光照傳感模塊認識溫度/光照傳感模塊認識

光照傳感模塊電路板認識光照傳感電路工作原理21光照傳感模塊電路板認識光照傳感模塊如圖2-2-14所示，由光照傳感器、可調(diào)電位器、兩個獨立高精度的電壓比較器及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊組成。圖2-2-14光照傳感模塊電路板光照傳感模塊各接口功能如下：①溫敏或光敏電阻傳感器;②基準(zhǔn)電壓調(diào)節(jié)電位器;③比較器電路;④基準(zhǔn)電壓測試接口J10，測試溫度感應(yīng)的閥值電壓，即比較器1負端（3腳）電壓⑤模擬量輸出接口J6，測試熱敏電阻兩端的電壓，即比較器1正端（2腳）電壓；⑥數(shù)字量輸出接口J7，測試比較器1輸出電平電壓⑦接地GND接口J2溫度/光照傳感模塊認識

光照傳感模塊電路板認識光照傳感電路工作原理21光照傳感電路工作原理光照傳感電路圖如圖2-2-17所示。LM393

是由兩個獨立的、高精度電壓比較器組成的集成電路，失調(diào)電壓低，專為獲得寬電壓范圍、單電源供電而設(shè)計，也可以雙電源供電，而且無論電源電壓大小，電源消耗的電流都很低。該電路由LM393構(gòu)成雙電壓比較運效電路，兩個電壓信號分別通過2、3腳輸入比較運放器，1腳根據(jù)兩腳的電源情況，輸出相應(yīng)的高電平或低電平。其中2腳輸入電壓為比較基準(zhǔn)電壓，可以通過調(diào)節(jié)VR1可以改變基準(zhǔn)電壓。3腳輸入電壓受光敏電阻影響，當(dāng)正常光照時，亮度較大，光敏電阻阻值小，則AO電壓小于基準(zhǔn)電壓，1腳輸出為低電平。當(dāng)亮度變暗時，光敏電阻阻值變大，AO電壓增大，當(dāng)AO電壓大于基準(zhǔn)電壓，1腳輸出為高電平。圖2-2-17光照傳感電路圖任務(wù)二使使用聲音傳感器控制樓道燈亮任務(wù)資訊01任務(wù)實施03任務(wù)計劃與決策02任務(wù)小結(jié)04任務(wù)計劃與決策系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)代碼設(shè)計與分析系統(tǒng)代碼光控樓道燈光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

光控樓道燈光系統(tǒng)的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)如圖2-2-18所示，系統(tǒng)由光照傳感器模塊、ZigBee模塊、上位機等硬件系統(tǒng)組成。其中NEWLab實訓(xùn)平臺為兩個模塊供電并將采集到的光照信號通過CC2530單片機處理轉(zhuǎn)換后通過平臺的串口傳輸給上位機顯示出來。（a）光控樓道開關(guān)模擬系統(tǒng)

（b）

光控樓道開關(guān)場景圖圖2-2-18光控樓道燈光系統(tǒng)的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)圖示任務(wù)計劃與決策系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)代碼設(shè)計與分析系統(tǒng)代碼光控樓道燈光系統(tǒng)代碼設(shè)計與分析

光控樓道燈光系統(tǒng)采用ZigBee模塊上的“連接”指示燈模擬需要打開的樓道燈，參考圖2-2-19所示ZigBee模塊的部分端口電路，光照模塊的模擬輸出接入ZigBee的模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC0，通過程序控制將CC2530處理器的通用IO端口p1.0輸出高電平或低電平，使“連接”指示燈亮滅，完成模擬控制LED燈的點亮與熄滅功能。（a）光照傳感器模塊的部分端口電路（b）

ZigBee模塊的部分端口電路圖2-2-19光照與ZigBee模塊部分端口電路圖任務(wù)計劃與決策系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)代碼設(shè)計與分析系統(tǒng)代碼光控樓道燈光系統(tǒng)代碼

光控樓道燈光系統(tǒng)使用了光照傳感器模擬量輸出、2530單片機的串口通訊寄存器、ADC相關(guān)寄存器，采用異步通訊模式將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至PC端。代碼涉及到的有AD初始化函數(shù)、UART初始化函數(shù)、串口發(fā)送函數(shù)和AD轉(zhuǎn)換函數(shù)等。程序結(jié)構(gòu)如下：圖2-2-20光控樓道開燈程序結(jié)構(gòu)圖任務(wù)二使使用聲音傳感器控制樓道燈亮任務(wù)資訊01任務(wù)實施03任務(wù)計劃與決策02任務(wù)小結(jié)04任務(wù)實施

搭建開發(fā)環(huán)境創(chuàng)建工程修改工程配置源文件編輯硬件環(huán)境搭建編譯鏈接下載程序結(jié)果測評與分析任務(wù)實施1硬件環(huán)境搭建串口調(diào)試23項目編譯及鏈接4

IAR下載程序25結(jié)果驗證硬件環(huán)境搭建

如圖2-2-24所示是本任務(wù)的硬件連線情況。把光照傳感器模塊的J6口（模擬量輸出）用香蕉頭線連接到ZigBee模塊的J10口（ADC0），ZigBee模塊的LED1與內(nèi)部CC2530單片機的P1.0相連，定義為輸入端口，兩個模塊均通過NEWab實驗臺供電。NEWLab實驗臺通過串口轉(zhuǎn)USB與電腦相連。具體連接情況，見圖2-2-21。2-2-21光照傳感器應(yīng)用系統(tǒng)搭建任務(wù)實施1硬件環(huán)境搭建串口調(diào)試23項目編譯及鏈接4

IAR下載程序25結(jié)果驗證串口調(diào)試串口調(diào)試軟件的作用串行通信接口調(diào)試軟件可以在電腦上模擬串口的數(shù)據(jù)收發(fā)功能，測試設(shè)備接收信號、測試數(shù)據(jù)、測試收發(fā)的功率，方便地了解軟件在傳輸過程中是否可以正常工作，廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品出廠調(diào)試、后期設(shè)備維護、后期設(shè)備運行串口測試、單片機控制領(lǐng)域的數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等工作。常用的串口調(diào)試工具包括串口調(diào)試助手、串口監(jiān)控器等。串口調(diào)試串口調(diào)試軟件的使用方法①下載ComMonitor.exe軟件，點擊打開，軟件不用安裝，啟動直接進入調(diào)試主界面；②依次需要設(shè)置調(diào)試的端口，波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位等參數(shù)，通信端口查看項目1。③打開串口調(diào)試軟件，其通過在空白界面看到發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。如圖2-2-22所示。任務(wù)實施1硬件環(huán)境搭建串口調(diào)試23項目編譯及鏈接4

IAR下載程序25結(jié)果驗證項目編譯及鏈接

在完成開發(fā)環(huán)境搭建及工程配置、源文件編輯任務(wù)后，依次單擊工具欄“”和“”

圖標(biāo)或選擇菜單【Project/Compile】、【Project/Make】進行代碼的編譯與鏈接，若【Messages】