第022课 传感器

第001节_光敏电阻的使用

这节课我们开始讲的传感器，有光敏电阻、DH11温湿度传感器、DS18B20温度传感器、HS0038红外接收器。

首先介绍光敏电阻传感器。

光敏电阻有一个特点，就是它的阻值随光照强度变化而变化，

看一下它的原理图，R5是一个普通电阻，LAS1是光敏电阻，它们串联组成一个分压电路，

LAS1阻值变化，将会导致中间RES_AO测得的电压发生变化。

这个电路图有点绕，画一个示意图如下：

使用ADC测量A点的电压，可以得知LAS1的变化情况，这里的测量是一个模拟信号。

现在假如需要这个光敏系统在光照大于/小于某个值时，发出中断，怎么办呢？

这里就需要再加一个比较的电路，B处的电压是可调电阻得到的电压，可以通过调节电阻进行变化。A、B两个电压最后接在一个比较器的“正负端”，当A>B时，输出1，反之输出0。

通过调节可调电阻，可以实现对比较阈值的控制。

现在这个电路就即可得到模拟信号和数字信号。

现在就可以开始写程序了，复制前面024的代码为025_sensors，这是这一章的第一个项目，再创建个001_photoresistor文件夹，将代码都放进去。

再创建一个sensors文件夹用来放本课的所有传感器代码，然后再创建photoresistor文件夹放本节课代码，再在里面创建photoresistor.c。

在代码里面，我们要做两件事：

1.启动ADC，读出AIN1电压值；

2.注册中断，当光线强度超过或小于某个阈值时，产生中断；

打开工程里的adc代码，原来的adc_init，只初始化了adc0，现在我们要用AIN1，修改下代码，传入个参数就能初始化对应的AIN:

void adc_init(int channel)
{
	/* [15] : ECFLG,  1 = End of A/D conversion
	 * [14] : PRSCEN, 1 = A/D converter prescaler enable
	 * [13:6]: PRSCVL, adc clk = PCLK / (PRSCVL + 1)
	 * [5:3] : SEL_MUX, 000 = AIN 0
	 * [2]   : STDBM
	 * [0]   : 1 = A/D conversion starts and this bit is cleared after the startup.
	 */
	ADCCON = (1<<14) | (49<<6) | (channel<<3);

	ADCDLY = 0xff;	
}

后面的adc_read_ain0只能读取AIN0的数据，现在修改一下，传入个通道参数，就能读取对应通道的ADC值：

int adc_read(int channel)
{
	adc_init(channel);
	
	/* 启动ADC */
	ADCCON |= (1<<0);

	while (!(ADCCON & (1<<15)));  /* 等待ADC结束 */

	return ADCDAT0 & 0x3ff;
}

修改了这两个函数，原来的adc_test函数里调用的adc读取函数也要对应进行修改。

参考这个adc_test，编写photoresistor_test函数。

需要修改的内容并不多，首先是修改adc_read参数，将通道0改为通道1。

然后我们想同时再把AIN0上的滑动电阻对应的电压也读出来，因此再做一次ADC0读取的操作。

void photoresistor_test(void)
{
	int val, val0;
	double vol, vol0;
	int m, m0; /* 整数部分 */
	int n, n0; /* 小数部分 */
	
	//adc_init();

	while (1)
	{
		val = adc_read(1);
		vol = (double)val/1023*3.3;   /* 1023----3.3v */
		m = (int)vol;	/* 3.01, m = 3 */
		vol = vol - m;	/* 小数部分: 0.01 */
		n = vol * 1000;  /* 10 */

		val0 = adc_read(0);
		vol0 = (double)val0/1023*3.3;   /* 1023----3.3v */
		m0 = (int)vol0;	/* 3.01, m = 3 */
		vol0 = vol0 - m0;	/* 小数部分: 0.01 */
		n0 = vol0 * 1000;  /* 10 */

		/* 在串口上打印 */
		printf("photoresistor vol: %d.%03dv, compare to threshold %d.%03dv\r", m, n, m0, n0);  /* 3.010v */

		/* 在LCD上打印 */
		//fb_print_string();
	}

以上就完成了我们的第一个目标。

现在开始做第二个目标，注册中断放在interrupt.c里实现。

硬件上RES_DO是EINT15。我们可以仿照之前的按键中断来编写本次的中断。

先分析一下中断，如图：

GPG7作为中断引脚，它会先经过外部中断EINTMASK寄存器，才能进入到中断控制器。

所以，需要做以下操作：

• ①首先初始化：

a.GPG7配置为中断引脚；

b.设置中端触发方式：双边沿触发；

c.设置EINTMASK使能中断；

• ②中断处理：

a.分辨：读EINTPEND;

b.读GPG7；

在原来的key_eint_init函数里配置GPG7为中断引脚:

	/* 配置GPG7为中断引脚, 用于光敏电阻 */
	GPGCON &= ~((3<<14));
	GPGCON |= ((2<<14));

然后设置中端触发方式：双边沿触发

	/* 设置中断触发方式: 双边沿触发 */
	EXTINT0 |= (7<<0) | (7<<8);     /* S2,S3 */
	EXTINT1 |= (7<<12);             /* S4 */
	EXTINT2 |= (7<<12);             /* S5 */

最后再使能中断：

	/* 使能中断GPG7/EINT15, 用于光敏电阻 */
	EINTMASK &= ~((1<<15));

修改key_eint_irq中断处理函数，先判断是哪个中断产生，再读取电平，打印。

else if (val & (1<<15)) /* eint15, 用于光敏电阻 */
		{
			if (val2 & (1<<7))
			{
				printf("\n\rphotoresistor dark!\n\r");
			}
			else
			{
				printf("\n\rphotoresistor light!\n\r");
			}
		}

至此，代码就写完了，最后还要修改对应的Makefile和主函数。

第002节_高精度延时函数

在后续我们对讲解多个传感器，这几个传感器对时序的要求都比较高，比如温湿度传感器DH11，查看芯片手册时序，至少就需要微秒级的延时函数。

延时函数的方式一般有两种:

• ①：使用for循环，利用示波器等工具测得精确值；
• ②：使用定时器，通过不断检测定时器的计数值获得精确时间；

使用for循环的方式，可能会因为硬件的差异，导致延时函数不准，因此这里我们使用定时器的方式。

打开之前的timers.c文件，修改timer_init函数的配置。

PCLK仍然等于50000000，将prescaler value改为4，divider value设置为2，

这样，每减1, 对应0.2us；每减5, 对应1us；从50000减到0，对应10ms。

修改对应的寄存器：

	TCFG0 = 4;  /* Prescaler 0 = 4, 用于timer0,1 */
	TCFG1 &= ~0xf; /* MUX0 : 1/2 */

	/* 设置TIMER0的初值 */
	TCNTB0 = 50000;  /* 10Ms中断一次 */

我们先写一个us延时的函数，然后ms延时就调用us即可。

因此，us延时函数里，尽量少调用函数。

假如现在要延时nus，我们先将n*5，得到nus对应的“计数时钟数”。

然后如果传入“计数时钟周期”如果大于0，则一直计算过去了多少个“计数时钟数”，与传入的“计数时钟数”相减，直到为零，退出循环，也就实现了延时nus。

怎样计算过去了多少个“计算周期”呢？

自然是当前的值，减去一开始进入函数的值。

但还有一种情况是定时器里的计数记到0时，会自动变成5000，计数计数，这时候，计算方式就变成了pre+(5000-cur)：

/* 尽量少调用函数 */
void udelay(int n)
{
	int cnt = n * 5;  /* u us 对应n*5个计数值 */
	int pre = TCNTO0;
	int cur;
	int delta;

	while (cnt > 0)
	{
		cur = TCNTO0;
		if (cur <= pre)
			delta = pre - cur;
		else
			delta = pre + (50000 - cur);

		cnt = cnt - delta;
		pre = cur;
	}
}

然后时ms延时函数：

void mdelay(int m)
{
	udelay(m*1000);
}

我们可以写一个测试函数，简单的测试下是否可用，测试函数隔1分钟进行打印一下。

如果us不准的话，放大至s，会有比较大的偏差，这样可以进行粗略的检测，精确检测可以使用示波器等工具。

void hrtimer_test(void)
{
	int cnt = 0;
	while (1)
	{
		printf("delay one min: ");
		mdelay(60000); /* 延时1分钟 */
		printf("%d\n\r", ++cnt);
	}
}

前面延时里的计算还是比较耗费时间的，因此，我们尽量提高CPU的运行时钟，并且 将尽可能的启动icache、dcache和mmu。

此外，如果延时过程中，发生了中断，如果中断比较耗时的话，就会导致延时可能出现不准确，所以，我们可以延时之前关中断, 延时之后开中断；

课后作业:

• a. 禁止icache, 禁止mmu, 修改lds, 测试延时函数是否还准确；
• b. 测试延时之前关中断, 延时之后开中断；

第003节_DHT11温湿度传感器的使用

这节课开始讲解DH11温湿度传感器的使用，首先查看芯片手册，里面的典型应用电路如下：

MCU通过一条数据线与DH11连接，MCU通过这条线发命令给DH11，DH11再通过这条线把数据发送给MCU。

因此，温湿度模块的核心就是 MCU发给DH11的命令格式和DH11返回的数据格式。

再来先简单看一下通讯的时序：

灰色这条线是由MCU驱动控制的，浅色的部分是由DH11驱动控制的。

首先MCU发送一个开始信号，这个开始信号是一个低脉冲，然后再拉高。

然后，DH11拉低，做出一个响应信号，再拉高。

接着就是DH11返回的数据。

这些数据一共有40bit,高位先出。

数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和

且当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.

数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。

DH11的难点是前面所说的时序脉冲,需要满足一定的时长.比如开始信号:

MCU必须先拉低至少18ms,然后再拉高20-40us,DH11再拉低80us以响应,最后再拉高80us.

接下来就是传输数据,我们的目的就是读到温湿度的数据,这些数据由DH11提供,那它怎么传回这些数据,怎么表示0和1呢?

可以看到，不管是0还是1，都开始是50us的低电平，

对于0数据，之后是26~28us的高电平；

对于1数据，之后是70us的高电平;

有了上面的知识，加上之前的高精度延时，现在就可以开始写程序了。

复制前面的第二个程序，文件名改为003_dht11_022_003，然后在sensors目录里新建dht11目录，再创建一个dht11.c文件。

我们的目的是，控制GPIO读取DHT11的数据，流程如下：

• 1. 主机发出至少18MS的低脉冲: start信号
• 2. start信号变为高, 20-40us之后, dht11会拉低总线维持80us，然后拉高80us: 回应信号
• 3. 之后就是数据, 逐位发送

bit0 : 50us低脉冲, 26-28us高脉冲

bit1 : 50us低脉冲, 70us高脉冲

• 4. 数据有40bit: 8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和

DH11的DATA引脚连接到了GPG5。

先实现GPIO的基本操作，配置GPIO模式，实现输出、输入引脚的功能：

static void dht11_data_cfg_as_output(void)
{
	GPGCON &= ~(3<<10);
	GPGCON |= (1<<10);
}

static void dht11_data_cfg_as_input(void)
{
	GPGCON &= ~(3<<10);
}

再设置输出电平或读取引脚数据：

static void dht11_data_set(int val)
{
	if (val)
		GPGDAT |= (1<<5);
	else
		GPGDAT &= ~(1<<5);
}

static int dht11_data_get(void)
{
	if (GPGDAT & (1<<5))
		return 1;
	else
		return 0;
}

再来实现DHT11的读操作。

在芯片手册里介绍说，DH11传感器上电后，要等待1s，以越过不稳定状态，在此期间无需发送任何指令。

因此首先写一个初始化函数，跳过这个不稳定状态：

void dht11_init(void)
{
	dht11_data_cfg_as_output();
	dht11_data_set(1);
	mdelay(2000);
}

根据start时序要求，编写程序，维持一个大于18ms的低电平，然后释放引脚，及设置为输入引脚即可。

因为该引脚接有上拉电阻，一旦MCU设置为输入，引脚电平将有上拉电阻决定。

static void dht11_start(void)
{
	dht11_data_set(0);
	mdelay(20);
	dht11_data_cfg_as_input();
}

然后等待40us以上，再去读取引脚电平，判断是否被拉低，以确定DH11给了响应。

static int dht11_wait_ack(void)
{
	udelay(60);
	return dht11_data_get();
}

再写个延时函数，用于时序中的，等待响应信号结束：

static int dht11_wait_for_val(int val, int timeout_us)
{
	while (timeout_us--)
	{
		if (dht11_data_get() == val)
			return 0; /* ok */
		udelay(1);
	}
	return -1; /* err */
}

后面的数据会有五个字节组成，这里先写出读取一个字节，每个字节要读取8位。

先等待直到高电平，过滤到共同的50us延时，然后延时28us以上，再读取引脚电平，

如果引脚电平是1，则数据是1，反之是0。

然后再直到低电平的到来，循环8次，完成一个字节数据的读取。

static int dht11_recv_byte(void)
{
	int i;
	int data = 0;
	
	for (i = 0; i < 8; i++)
	{
		if (dht11_wait_for_val(1, 1000))
		{
			printf("dht11 wait for high data err!\n\r");
			return -1;
		}
		udelay(40);
		data <<= 1;
		if (dht11_data_get() == 1)
			data |= 1;
		
		if (dht11_wait_for_val(0, 1000))
		{
			printf("dht11 wait for low data err!\n\r");
			return -1;
		}
	}
	
	return data;
}

第004节_DS18B20温度传感器介绍

第005节_DS18B20温度传感器编程

第006节_红外线遥控协议简介及编程思路

本节开始讲解红外遥控器信号的接收和解码，视频分为三部分，每一部分都专注做一件事情，让每节视频更短一点。

红外遥控器的操作比前面的温度、温湿度传感器都要简单。

首先看一下原理图上的红外遥控接收器：

我们用遥控器对它按动的时候，它就可以接收到红外信号，然后把红外信号转换成电平信号，通过IRD这根线，传给SOC。

整个传输，只涉及单向传输，由HS0038向主芯片传送。

因此，我们只需要编写程序，从IRD上获取数据即可，在这之前，我们需要先了解下数据是怎么表示的，也就是传输的红外数据的格式。

红外协议有：NEC、SONY、RC5、RC6等，常用的就是NEC格式，因此我们主要对NEC进行讲解。

可以参考这个文章，直观的了解下NEC格式波形的样子： https://www.cnblogs.com/openusb/archive/2010/01/07/1641357.html

在分析文章中的波形之前，我们先想象一下怎么在一条数据线上传输信号。

开始传输数据之前，一般都会发出一个start起始信号，通知对方我开始传输数据了，后面就是每一位每一位的数据。

NEC协议的开始是一段引导码：

这个引导码由一个9ms的低脉冲加上一个4.5ms的高脉冲组成，它用来通知接收方我要开始传输数据了。

然后接着的是数据，数据由4字节组成：地址、地址(取反)、数据、数据(取反)，这些取反是用来校验用的。

地址是指遥控器的ID，每一类遥控器的ID都不一样，数据就是遥控器上的不同按键。

从前面的图可以知道，NEC每次要发32位的数据，每一位用什么来表示0和1呢？

数据1和01，开始都是0.56ms的低脉冲，对于数据1，后面的高脉冲比较长，对于数据0，后面的高脉冲比较短。 可以看出，红外遥控器的数据表示方法是比较简单的。

我们长按一个按键，第一次按的时候，他会发出引导码，地址，地址取反，数据，数据取反。

接着由于长按，遥控器会发送一个不一样的引导码，这个引导码由9ms的低脉冲，2.25ms的高脉冲组成，表示现在按的还是上次一样的按键，然后再一直是引导码(重复)，直到松开。

在后面的调试中，发现以上并不是NEC协议的全部，打开bing国际版搜索“ir nec protocal”，得到一篇官方文章：http://techdocs.altium.com/display/FPGA/NEC+Infrared+Transmission+Protocol

里面的内容和前面文章基本一致，但这个更详细，发现每次数据传输完还有一个0.5625ms的低脉冲表示数据传输结束。

对于引导码(重复)也一样，也有一个0.5625ms的低脉冲表示传输结束。

大部分文章都漏掉了结束的低脉冲。

NEC协议里有很多时间，这些时间有一个有趣的现象，把所有时间里面最小的0.53ms看作基本脉冲宽度，假设用t表示，那么其它所有时间都是t的倍数：

我们可以看到对于所有的时间，最小的单位都是0.56ms，这个时间对人来说是非常短的，但对嵌入式系统它是非常非常长的了，足够我们做很多事情了，那么我们可以使用中断来处理这些数据。

并且对于红外遥控器来说，我们根本不知道用户什么时候按下遥控器，使用轮询的方式特别耗资源，因此直接使用中断来处理。

使用官方文档的时序图：

图中的脉冲方向正好相反，绿色表示低脉冲，白色表示高脉冲。

涉及内容：

• ①中断引脚设置为双边缘触发，在每一个脉冲变化的地方都会产生中断；
• ②发生中断时，计算当前中断与上次中断之间的时间差，就得到脉冲宽度，放入buffer，同时还要记录引脚极性；
• ③主循环从buffer取出数据，并解析时序；

我们可以估算下，每按下一次遥控器，会产生多少中断，2+32*2+1=67次。

中断发生时，将数据放入buffer，主函数从buffer取出数据，用什么数据结构来实现数据的存取？

最好的方式就是环形缓冲区，所谓环形缓冲区就是一边存储数据一边读取数据，下节课再详细讲解。

编程要点：

• ①中断
• ②系统时间
• ③环形缓冲区
• ④NEC解析

第007节_前期编程_系统时间与环型缓冲区

第008节_HS0038红外线接收器的编程_打印原始脉冲

第009节_HS0038红外线接收器的编程_解析数据

《《所有章节目录》》

▼ ARM裸机加强版

  第001课 不要再用老方法学习单片机和ARM

  第002课 ubuntu环境搭建和ubuntu图形界面操作(免费)

  第003课 linux入门命令

  第004课 vi编辑器

  第005课 linux进阶命令

  第006课 开发板熟悉与体验(免费)

  第007课 裸机开发步骤和工具使用(免费))

  第008课 第1个ARM裸板程序及引申(部分免费)

  第009课 gcc和arm-linux-gcc和Makefile

  第010课 掌握ARM芯片时钟体系

  第011课 串口(UART)的使用

  第012课 内存控制器与SDRAM

  第013课 代码重定位

  第014课 异常与中断

  第015课 Nor Flash

  第016课 Nand Flash

  第017课 LCD编程

  第018课 ADC和触摸屏

  第019课 I2C

  第020课 SPI裸板

  第021课 MMU和Cache

  第022课 传感器