如何计算光敏电阻的阻值？

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。
   
  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。我的光敏电阻威廉希尔官方网站 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。
  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。
  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：

//main.c  main()
  while (1)
  {
    if(DMA_Flag)
    {
      for(int i=0;i         printf("CH%d value = %d n",i+2,ADC1_AVG_Buf );
      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 .rn",ADC1_AVG_Buf[4],PhotoResistor);
      printf("The DMA count is %d .rn",DMA_CNT);
      DMA_Flag = 0;
    }
  }
现象是能够打印出光敏电阻值。
  




   
   
  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
  

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

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。配套威廉希尔官方网站 板中使用的光敏电阻型号为GL5528，它的主要参数如表
  

项目	最大电压	最大功耗	环境温度	光谱峰值	10Lux时亮电阻	暗电阻	γ值	上升时间	下降时间
单位	V	mW	℃	nm	KΩ	MΩ	0.6	ms	ms
GL5528	500	500	-30～+70	560	10～20	2	0.6	20	30

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。
  




  
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。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。
  




   
   
  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。
  




  
定义新的结构体数据如下。


  //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},
};


当得到电阻值以后，遍历数据，算出光照度，代码如下。


//ADC.c
/**
  * @brief 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.ohm)
    {
      lux = GL5528.lux;
      break;
    }
  }
  return lux;
}
主函数中，打印光照度：


//main.c main() while(1)
    if(DMA_Flag)
    {
      unsigned short lux = 0;
      for(int i=0;i         printf("CH%d value = %d n",i+2,ADC1_AVG_Buf );
      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 .rn",ADC1_AVG_Buf[4],PhotoResistor);
      printf("The Lux is %d .rn",lux);
      printf("The DMA count is %d .rn",DMA_CNT);
      DMA_Flag = 0;
    }



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。
  




  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。聊胜于无吧。
  

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。
   
  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。我的光敏电阻威廉希尔官方网站 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。
  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。
  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：

//main.c  main()
  while (1)
  {
    if(DMA_Flag)
    {
      for(int i=0;i         printf("CH%d value = %d n",i+2,ADC1_AVG_Buf );
      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 .rn",ADC1_AVG_Buf[4],PhotoResistor);
      printf("The DMA count is %d .rn",DMA_CNT);
      DMA_Flag = 0;
    }
  }
现象是能够打印出光敏电阻值。
  




   
   
  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
  

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

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。配套威廉希尔官方网站 板中使用的光敏电阻型号为GL5528，它的主要参数如表
  

项目	最大电压	最大功耗	环境温度	光谱峰值	10Lux时亮电阻	暗电阻	γ值	上升时间	下降时间
单位	V	mW	℃	nm	KΩ	MΩ	0.6	ms	ms
GL5528	500	500	-30～+70	560	10～20	2	0.6	20	30

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。
  




  
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。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。
  




   
   
  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。
  




  
定义新的结构体数据如下。


  //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},
};


当得到电阻值以后，遍历数据，算出光照度，代码如下。


//ADC.c
/**
  * @brief 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.ohm)
    {
      lux = GL5528.lux;
      break;
    }
  }
  return lux;
}
主函数中，打印光照度：


//main.c main() while(1)
    if(DMA_Flag)
    {
      unsigned short lux = 0;
      for(int i=0;i         printf("CH%d value = %d n",i+2,ADC1_AVG_Buf );
      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 .rn",ADC1_AVG_Buf[4],PhotoResistor);
      printf("The Lux is %d .rn",lux);
      printf("The DMA count is %d .rn",DMA_CNT);
      DMA_Flag = 0;
    }



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。
  




  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。聊胜于无吧。
  

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