در این بخش فایل راه اندازی فوتوسل LDR با STM32 ارائه شده است.

محتویات فایل:

• فایل پروژه کامل راه اندازی فوتوسل LDR با STM43F103C8T6
  
• بر بستر HAL
• نرم افزار مورد استفاده Keil می باشد

شماتیک راه اندازی:

خروجی پروژه:

سنسور هادی نور یا همان LDR:

(منبع مطالب زیر سایت فرادرس)

یک سنسور هادی نور یا فتوکنداکتور، الکتریسیته تولید نمی‌کند، اما وقتی در معرض انرژی نوری قرار گیرد، ویژگی‌های الکتریکی آن به سادگی تغییر می‌کند. رایج‌ترین نوع سلول هادی نور مقاومت نوری یا فتورزیستور است که مقاومت الکتریکی آن در پاسخ به تغییرات شدت نور تغییر می‌کند.

مقاومت‌های نوری قطعات نیمه‌رسانایی هستند که در آن‌ها انرژی نوری شارش الکترون‌ها و در نتیجه، جریان گذرنده از آن‌ها را کنترل می‌کند. رایج‌ترین سلول هادی نور مقاومت حساس به نور (Light Dependent Resistor) یا LDR است.

مقاومت حساس به نور

همان‌گونه که از نامش پیداست، مقاومت وابسته یا حساس به نور (LDR) از یک قطعه نیمه‌هادی مانند سولفید کادمیوم ساخته شده که مقاومت الکتریکی آن از چند هزار اهم در تاریکی تا چند صد اهم وقتی نور به آن تابانده شده و زوج حفره-الکترون در ماده تشکیل شود تغییر می‌کند. در یک LDR، با افزایش شدت نور، مقاومت کاهش یافته و رسانایی زیاد می‌شود. همچنین، سلول‌های مقاومتی نوری به یک پاسخ زمانی طولانی در حد چند ثانیه نیاز دارند تا به تغییر شدت نور پاسخ دهند.

شکل زیر یک مقاومت حساس به نور را نشان می‌دهد.

ماده‌هایی که به عنوان نیمه‌هادی در این قطعات مورد استفاده قرار می‌گیرند، شامل سولفید سرب (PbS)، سلناید سرب (PbSe)، آنتیموان ایندیوم (InSb) هستند که نور را در محدوره فروسرخ آشکار می‌کنند. متداول‌ترین سنسورهای نوری مقاومتی از جنس سولفید کادمیوم (CdSe) هستند.

کادمیوم سلناید در ساختار سلول‌های هادی نور مورد استفاده قرار می‌گیرد، زیرا منحنی پاسخ طیفی آن بسیار منطبق بر چشم انسان است و حتی می‌توان آن را با یک چراغ‌قوه ساده (به عنوان منبع نور) کنترل کرد.

مقاومت حساس به نور یک طول موج حساسیت پیک ($${\lambda }_p$$

) دارد که در محدوده طیف مرئی ۵۶۰ تا ۶۰۰ نانومتر است.

رایج‌ترین سنسور نوری مقاومتی، سلول هادی نوری سولفید کادمیوم $$\text{ORP12}$$

است. این مقاومت وابسته به نور یک پاسخ طیفی در حدود ۶۱۰ نانومتر از ناحیه زرد تا نارنجی نور دارد. وقتی نوری در کار نباشد (مقاومت تاریکی)، مقاومت سلول بسیار بزرگ و در حدود ۱۰ مگااهم خواهد بود. در صورت تابش نور کامل، این مقاومت به ۱۰۰ اهم نیز می‌رسد (مقاومت روشنایی).

برای افزایش مقاومت روشنایی و در نتیجه، کاهش جریان تاریکی، مسیر مقاومتی یک الگوی زیگزاگ در ماده (زیرلایه) سرامیکی دارد. فتوسل سولفید کادمیوم یک قطعه بسیار کم‌هزینه است که اغلب برای آشکارسازی کاهش نور یا تشخیص خودکار هوای نیمه‌روشن و تنظیم نور خیابان‌ها به کار می‌رود.

اتصال یک مقاومت وابسته به نور به صورت سری با یک مقاومت استاندارد و یک ولتاژ‌ DC یک مزیت اساسی دارد و آن این است که برای سطوح نوری مختلف ولتاژهای متفاوتی به دست خواهد آمد (شکل زیر را ببینید). مقدار افت ولتاژ مقاومت سری $$R_{\mathrm{۲}}$$ با مقدار مقاومتی مقاومت حساس به نور ($$R_{\text{LDR}}$$

) به دست می‌آید. این قابلیت تولید ولتاژهای مختلف منجر به مداری با نام مقسم پتانسیل (Potential Divider) یا شبکه تقسیم ولتاژ خواهد شد.

همان‌طور که می‌دانیم، جریان گذرنده از قطعات یک مدار سری مشترک است و از آنجایی که مقدار LDR با تغییر شدت نور تغییر می‌کند، ولتاژ‌ $$V_{\text{OUT}}$$

را می‌توان با استفاده از فرمول تقسیم ولتاژ تعیین کرد. مقاومت $$R_{\text{LDR}}$$ یک LDR از نور روز تا تاریکی کامل می‌تواند از ۱۰۰ اهم تا ۱۰ مگااهم تغییر کند. این تغییر در مقاومت را می‌توان با تغییر در ولتاژ‌ $$V_{\text{OUT}}$$

مشاهده کرد.

یکی از کاربردهای ساده مقاومت‌های حساس به نور، سوئیچ یا کلید حساس به نور است که در شکل زیر نشان داده شده است.

رله خروجی این مدار سنسور نوری ساده با نور سوئیچ می‌شود. یک مدار مقسم ولتاژ بین فتورزیستور، LDR و مقاومت $$R_{\mathrm{۱}}$$

تشکیل شده است. وقتی نور نباشد، یعنی در تاریکی، مقاومت LDR بسیار زیاد و در حد چند مگااهم خواهد بود. بنابراین، بایاس بیس صفر به ترانزیستور TR1 اعمال شده و رله بدون انرژی یا قطع می‌شود.

وقتی سطح نور افزایش پیدا کند، مقاومت LDR شروع به کاهش کرده و سبب افزایش ولتاژ‌ بایاس بیس $$V_{\mathrm{۱}}$$

می‌شود. اکنون ولتاژ بایاس بیس برای وصل کردن ترانزیستور TR1 و در نتیجه فعال کردن رله و کنترل  مدار خارجی کافی است. وقتی سطح نور کم شود، مقاومت LDR‌ افزایش یافته و سبب می‌شود ولتاژ بیس ترانزیستور کاهش یابد. در نتیجه ترانزیستور و رله در نقطه‌ای که با شبکه مقسم ولتاژ‌ تعیین شده است قطع می‌شوند.

اگر مقاومت ثابت $$R_{\mathrm{۱}}$$

را با پتانسیومتر $$\text{VR1}$$

جایگزین کنیم، می‌توانیم نقطه‌ای را که در آن رله قطع یا وصل می‌شود برای یک سطح نور مشخص از قبل تنظیم کنیم. مدار ساده‌ای که در بالا نشان داده شد، حساسیت کمی دارد و نقطه سوئیچینگ آن با تغییرات دما یا منبع ولتاژ‌ سازگار نیست. یک مدار با دقت حساسیت بالاتر نسبت به نور را می‌توان با ترکیب LDR در یک پل وتستون و جایگزینی ترانزیستور با تقویت‌کننده عملیاتی مطابق شکل زیر ساخت.

در مدار حسگر تاریکی ساده بالا، مقاومت حساس به نور $$\text{LDR1}$$

و پتانسیومتر $$\text{VR1}$$ یک بازوی قابل تنظیم از یک شبکه پل مقاومتی را تشکیل می‌دهند که معمولاً با نام پل پتستون شناخته می‌شود. مقاومت‌های $$R_{\mathrm{۱}}$$ و $$R_{\mathrm{۲}}$$ بازوی دیگر را می‌سازند. هر دو سمت پل، شبکه‌های مقسم ولتاژی را در دو سر منبع ولتاژ تشکیل می‌دهند که خروجی‌های $$V_{\mathrm{۱}}$$ و $$V_{\mathrm{۲}}$$

آن‌ها به ترتیب، به ورودی‌های ولتاژ معکوس کننده و غیر معکوس کننده تقویت‌کننده متصل می‌شوند.

پیکربندی تقویت‌کننده عملیاتی به صورت یک تقویت‌کننده تفاضلی است که به عنوان یک مقایسه‌کننده ولتاژ با فیدبک نیز شناخته می‌شود و ولتاژ خروجی آن با تفاضل بین دو سیگنال یا ولتاژ ورودی $$V_{\mathrm{۱}}$$

و $$V_{\mathrm{۲}}$$ تعیین می‌شود. ترکیب مقاومت‌های $$R_{\mathrm{۱}}$$ و $$R_{\mathrm{۲}}$$ یک مرجع ولتاژ ثابت در ورودی $$V_{\mathrm{۲}}$$ تشکیل می‌دهد که با نسبت دو مقاومت تعیین می‌شود. ترکیب $$\text{LDR}$$ و $$\text{VR1}$$ یک ورودی ولتاژ $$V_{\mathrm{۱}}$$

متناسب با سطح نور تولید می‌کند که با فتورزیستور تعیین می‌شود.

مشابه مدار قبلی، از خروجی تقویت‌کننده برای کنترل یک رله استفاده می‌شود که با دیود هرزگرد $$D_{\mathrm{۱}}$$

محافظت شده است. وقتی سطح نور با LDR‌ حس شود و ولتاژ‌ خروجی آن به کمتر از ولتاژ مرجع $$V_{\mathrm{۲}}$$

شود، خروجی تقویت‌کننده با فعال کردن رله وضعیت را تغییر داده و بار متصل به آن را سوئیچ می‌کند.

به طور مشابه، اگر سطح نور افزایش پیدا کند، خروجی رله را به حالت قطع باز خواهد گرداند. هیسترزیس دو نقطه سوئیچینگ با مقاومت فیدبک $$R_f$$

جهت دستیابی به هر بهره ولتاژ مناسبی از تقویت‌کننده تنظیم می‌شود.

در صورت هرگونه سوال در فایل راه اندازی فوتوسل LDR با STM32 با ما در تماس باشید.

اگر تازه کار هستید: برای مشاهده آموزش شروع کار با میکروکنترلر STM32 به اینجا مراجعه کنید.