STM32应用开发——BH1750光照传感器详解
目录
- STM32应用开发——BH1750光照传感器详解
- 前言
- 1 硬件介绍
- 1.1 BH1750简介
- 1.2 硬件接线
- 2 软件编程
- 2.1 软件原理
- 2.1.1 IIC设备地址
- 2.1.2 IIC读写
- 2.1.3 BH1750指令集
- 2.1.4 BH1750工作流程
- 2.1.5 BH1750测量模式
- 2.2 测试代码
- 2.3 运行测试
- 结束语
前言
几年前我发布了一篇关于STM32+BH1750光照传感器的博客，因为大学时期经验欠缺，无论是代码还是博客，都有很多不足之处，也收到了非常多同学的反馈。于是我重新整理了代码和文章，这是一个全新版本。
1 硬件介绍
1.1 BH1750简介
BH1750FVI 是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。这种集成电路可以根据收集的光线强度数据来调整液晶或者键盘背景灯的亮度。利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化。
注：这个模块只适用于室内环境或者学习使用，户外场景下会超量程。
BH1750的引脚如下：
| 引脚号 | 名称 | 功能 |
|---|---|---|
| 1 | VCC | 电源正 |
| 2 | ADDR | 地址端口 |
| 3 | GND | 电源负 |
| 4 | SDA | IIC数据线 |
| 5 | DVI | IIC端口参考电压 |
| 6 | SCL | IIC时钟线 |
注：上述引脚指的是芯片的引脚，如果用的是某宝买的那种传感器模式，引出来的排针引脚排列是不同的。
参考外围电路如下：
1.2 硬件接线
本文使用STM32F103作为主控MCU，STM32和BH1750的引脚连接如下表：
| STM32 | BH1750 | 功能 |
|---|---|---|
| VCC | VCC | 电源正，3.3V供电 |
| GND | GND | 电源负 |
| PA4 | SCL | IIC时钟线，必须外接上拉电阻 |
| PA5 | SDA | IIC数据线，必须外接上拉电阻 |
| GND | ADDR | 地址端口 |
注：BH1750用的是模块，模块上已经有接上拉电阻了，因此STM32这边就不需要再接了。另外，ADDR引脚默认有一个下拉电阻，因此不接地其实也是没关系的。
BH1750模块的电路图如下：
2 软件编程
2.1 软件原理
BH1750是一个IIC设备，通讯协议遵循标准IIC协议。只需要着重关注设备地址，发送命令，读取寄存器即可。
2.1.1 IIC设备地址
所有IIC设备都有一个专属的设备地址，BH1750也不例外，BH1750一共有2个设备地址，可以通过芯片的ADDR引脚切换。
数据手册原文如下：
翻译过来的话，设备地址的配置如下：
| ADDR引脚电平 | 7bit地址 | 8bit地址 |
|---|---|---|
| 高电平 | 0x23 | 0x46 |
| 低电平 | 0x5C | 0xB8 |
注：这里解释一下7bit地址和8bit地址。
IIC设备的地址一般来说都只有7位，也就是7bit地址，BH1750数据手册上面写的也是7bit地址。
但是设备地址并不是单独使用的，在地址后面需要补1个读写位（不懂的先看下IIC通信协议），也就相当于把7bit的地址左移了1位，那么得到的值就是8bit地址。
所以，在IIC进行读写的时候，要用7bit地址还是8bit地址取决于你这个读写函数里面有没有对这个地址进行移位操作。
2.1.2 IIC读写
1、IIC写入流程。
时序解释：先发送设备地址+读写位，再发送指令数据。
题外话：
大多数IIC设备，在发送的这串数据中，往往会把第1个字节的数据作为1个寄存器地址（有些也叫偏移），随后才是真正的数据。这样一来，就可以通过1个字节或多个字节的寄存器地址，来实现数据和命令的扩展。
不过BH1750可能是因为功能比较简单，它没有采用这种方式，读写似乎都在同一个寄存器里面操作。
2、IIC读取流程。
时序解释：先发送设备地址+读写位，随后读取两个数据（其中高位数据在前，低位数据在后）。
题外话：
这个读取的流程跟绝大多数IIC设备的读取流程是一样的。
2.1.3 BH1750指令集
在初始化BH1750时，通过发送1个字节的指令即可配置BH1750的模式。
详细指令集如下表：
2.1.4 BH1750工作流程
根据数据手册的描述，配置流程如下图：
总结一下这个流程：
第1步：给BH1750供电。
第2步：BH1750上电后默认为断电模式（此断电模式不是说芯片没有电，而是芯片没有进入工作模式）。
第3步：通过发送指令，把BH1750配置为通电模式（此时芯片进入工作模式）。
第4步：发送测量指令（测量方式有多种，详细信息看上面2.1.3的指令集）。
第5步：读取测量结果并转换成光照值。
按照上面这个流程走，就可以使BH1750正常工作。
2.1.5 BH1750测量模式
BH1750有6种测量模式，每种模式有各自的特点，详见下表：
| 测量模式 | 精度 | 测量时间 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 一次H分辨率模式 | 1 lx | 120ms | 该模式配置完成后会自动进行一次测量，测量完成后会切换到断电模式 |
| 一次H分辨率模式2 | 0.5 lx | 120ms | 该模式配置完成后会自动进行一次测量，测量完成后会切换到断电模式 |
| 一次L分辨率模式 | 4 lx | 16ms | 该模式配置完成后会自动进行一次测量，测量完成后会切换到断电模式 |
| 连续H分辨率模式 | 1 lx | 120ms | 该模式配置完成后会自动进行连续测量，无需重复配置 |
| 连续H分辨率模式2 | 0.5 lx | 120ms | 该模式配置完成后会自动进行连续测量，无需重复配置 |
| 连续L分辨率模式 | 4 lx | 16ms | 该模式配置完成后会自动进行连续测量，无需重复配置 |
总结：
L分辨率模式采集时间短，但精度差，适用于采集光照变化大且变化非常快的场景。
H分辨率模式采集时间长，但精度高，适用于光照变化速度不快的场景。
一次采集模式适用于采集间隔时间长或者需要省电的场景。
连续采集模式适用于对设备节能没有要求的大多数场景。
2.2 测试代码
根据上述原理，编写测试代码，主要的代码清单如下：
| 文件名 | 代码内容 |
|---|---|
| iic_software.h | 定义了软件IIC所需的引脚定义和电平设置，方便修改IO或者移植 |
| iic_software.c | 软件IIC代码主体 |
| bh1750.h | 定义了BH1750的相关信息，如设备地址，命令等 |
| bh1750.c | BH1750驱动主体，底层调用软件IIC接口 |
| uart.c | 串口主体，用来打印测量过程和结果 |
| main.c | 主函数 |
注：除了串口的代码，其他代码全部都在下面贴出来了。串口的教程很多，这里就不细说了，本文主要介绍如何驱动BH1750，尝试了几种测量模式，结果都由串口打印出来，不需要使用串口的话注释掉即可，如果需要现在在LCD屏或者OLED屏，请自行增加这部分的代码。
测试示例代码如下：
iic_software.h :
#ifndef __IIC_SOFTWARE_H__
#define __IIC_SOFTWARE_H__
#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"
// IIC SCL引脚配置
#define IIC_SCL_CLOCK RCC_APB2Periph_GPIOA // 时钟
#define IIC_SCL_PORT GPIOA // 端口
#define IIC_SCL_PIN GPIO_Pin_4 // 引脚号
// IIC SCL电平设置
#define SET_IIC_SCL(s) s > 0 ? GPIO_SetBits(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN) : GPIO_ResetBits(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN)
// IIC SDA引脚配置
#define IIC_SDA_CLOCK RCC_APB2Periph_GPIOA // 时钟
#define IIC_SDA_PORT GPIOA // 端口
#define IIC_SDA_PIN GPIO_Pin_5 // 引脚号
// IIC SDA电平设置
#define SET_IIC_SDA(s) s > 0 ? GPIO_SetBits(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN) : GPIO_ResetBits(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN)
#define READ_IIC_SDA GPIO_ReadInputDataBit(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN)
void iic_init(void);
uint8_t iic_write_bytes(uint8_t addr, uint8_t *buf, uint8_t buf_size);
uint8_t iic_receive_bytes(uint8_t addr, uint8_t *buf, uint8_t buf_size);
#endif
iic_software.c :
#include "iic_software.h"
#include "delay.h"
#include "stdio.h"
/* IIC软件模拟时序延时函数 */
void iic_delay(uint16_t us)
{
delay_us(us);
}
/* IIC起始信号 */
void set_iic_sda_mode(uint8_t mode)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
if(mode > 0)
{// 设置为输出模式
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD; // 开漏或推挽，外部需要接上拉电阻
}
else
{// 设置为输入模式
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; // 浮空或上拉，外部需要接上拉电阻
}
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = IIC_SDA_PIN;
GPIO_Init(IIC_SDA_PORT, &GPIO_InitStruct);
}
/* IIC起始信号 */
void iic_start(void)
{
SET_IIC_SDA(1);
SET_IIC_SCL(1);
iic_delay(5);
SET_IIC_SDA(0);
SET_IIC_SCL(0);
iic_delay(5);
}
/* IIC停止信号 */
void iic_stop(void)
{
SET_IIC_SCL(0);
SET_IIC_SDA(0);
iic_delay(5);
SET_IIC_SCL(1);
SET_IIC_SDA(1);
iic_delay(5);
}
/* IIC发送应答信号 */
uint8_t iic_send_ack(int ack)
{
set_iic_sda_mode(1);
if(ack == 1)
{// 发送ACk
SET_IIC_SDA(1);
}
else if(ack == 0)
{// 发送NACK
SET_IIC_SDA(0);
}
else
{
return 0; // 入参有误，发送失败
}
SET_IIC_SCL(1);
iic_delay(5);
SET_IIC_SCL(0);
iic_delay(5);
return 1; // 发送成功
}
/* IIC接收应答信号 */
uint8_t iic_wait_ack(void)
{
uint8_t ack = 0;
uint8_t timeout = 5;
SET_IIC_SDA(1);
set_iic_sda_mode(0); // SDA输入模式
SET_IIC_SCL(1);
iic_delay(5);
while(timeout--)
{// 等待从设备发送ACK
if(READ_IIC_SDA == 0)
{// 读到应答信号
ack = 1;
}
else
{// 没有读到应答信号，继续等待
iic_delay(1);
if(timeout == 0)
{// 等待超时
ack = 0;
}
}
}
SET_IIC_SCL(0);
iic_delay(5);
set_iic_sda_mode(1); // SDA输出模式
return ack;
}
/* IIC总线发送1个字节数据 */
uint8_t iic_send_byte(uint8_t dat)
{
uint8_t i;
for (i = 0; i < 8; i++)
{
if(0x80 & dat)
{
SET_IIC_SDA(1);
}
else
{
SET_IIC_SDA(0);
}
dat <<= 1;
SET_IIC_SCL(1);
iic_delay(5);
SET_IIC_SCL(0);
iic_delay(5);
}
return iic_wait_ack(); // 返回从设备应答信号
}
/* IIC总线接收1个字节数据 */
uint8_t iic_receive_byte(void)
{
uint8_t i;
uint8_t dat = 0;
uint8_t bit;
set_iic_sda_mode(0); // SDA输入模式
for (i = 0; i < 8; i++)
{
dat <<= 1;
SET_IIC_SCL(1);
iic_delay(5);
if(READ_IIC_SDA == 1)
{
bit = 0X01;
}
else
{
bit = 0x00;
}
dat |= bit; //读数据
SET_IIC_SCL(0);
iic_delay(5);
}
set_iic_sda_mode(1); // SDA输出模式
return dat;
}
/* IIC发送多个数据 */
uint8_t iic_write_bytes(uint8_t addr, uint8_t *buf, uint8_t buf_size)
{
uint8_t i;
uint8_t result = 0;
iic_start(); // 起始信号
if(iic_send_byte(addr << 1)) // 发送设备地址(7bit地址)
{// 收到应答，发送成功
for (i = 0; i < buf_size; i++) // 发送数据
{
if(iic_send_byte(buf[i]))
{// 收到应答，发送成功
result = 1;
}
else
{// 没有收到应答，发送失败
result = 0;
}
}
}
iic_stop(); // 发送停止信号
return result;
}
/* IIC接收多个数据 */
uint8_t iic_receive_bytes(uint8_t addr, uint8_t *buf, uint8_t buf_size)
{
uint8_t i;
uint8_t result = 0;
iic_start(); // 起始信号
if(iic_send_byte((addr << 1) | 1)) // 发送设备地址(7bit地址)
{
for (i = 0; i < buf_size; i++) // 连续读取数据
{
*buf++ = iic_receive_byte();
if (i == buf_size - 1)
{
iic_send_ack(1); // 最后一个数据需要回NACK
}
else
{
iic_send_ack(0); // 发送ACK
}
}
result = 1;
}
iic_stop(); // 停止信号
return result;
}
/* IIC初始化 */
void iic_init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
RCC_APB2PeriphClockCmd(IIC_SCL_CLOCK, ENABLE);
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = IIC_SCL_PIN;
GPIO_Init(IIC_SCL_PORT, &GPIO_InitStruct);
RCC_APB2PeriphClockCmd(IIC_SDA_CLOCK, ENABLE);
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = IIC_SDA_PIN;
GPIO_Init(IIC_SDA_PORT, &GPIO_InitStruct);
}
bh1750.h :
#ifndef __BH1750_H__
#define __BH1750_H__
#include "stm32f10x.h"
#define BH1750_ADDRESS_LOW 0x23 // addr low 7bit:0x23 8bit:0x46
#define BH1750_ADDRESS_HIGH 0x5C // addr high 7bit:0x5C 8bit:0xB8
/*bh1750 registers define */
#define BH1750_POWER_ON 0x01 // power on
#define BH1750_POWER_DOWN 0x00 // power down
#define BH1750_RESET 0x07 // reset
#define BH1750_CON_H_RES_MODE 0x10 // Continuously H-Resolution Mode
#define BH1750_CON_H_RES_MODE2 0x11 // Continuously H-Resolution Mode2
#define BH1750_CON_L_RES_MODE 0x13 // Continuously L-Resolution Mode
#define BH1750_ONE_H_RES_MODE 0x20 // One Time H-Resolution Mode
#define BH1750_ONE_H_RES_MODE2 0x21 // One Time H-Resolution Mode2
#define BH1750_ONE_L_RES_MODE 0x23 // One Time L-Resolution Mode
uint8_t bh1750_init(void);
void bh1750_read_example(void);
#endif
bh1750.c :
#include "bh1750.h"
#include "iic_software.h"
#include "delay.h"
#define LOG_ENABLE
#ifdef LOG_ENABLE
#include "stdio.h"
#define LOG printf
#else
#define LOG(format, ...)
#endif
uint8_t current_mode; // BH1750的测量模式
float current_light; // BH1750的测量光照值
// BH1750延时函数
void bh1750_delay(uint16_t ms)
{// ms级延时，BH1750每次测量都需要时间，该函数用于等待测量结果
delay_ms(ms);
}
// 写命令
uint8_t bh1750_write_cmd(uint8_t cmd)
{
return iic_write_bytes(BH1750_ADDRESS_LOW, &cmd, 1);
}
// 写寄存器
uint8_t bh1750_read_regs(uint8_t *buf, uint8_t buf_size)
{
return iic_receive_bytes(BH1750_ADDRESS_LOW, buf, buf_size);
}
// 复位
uint8_t bh1750_reset(void)
{
return bh1750_write_cmd(BH1750_RESET);
}
// 打开电源
uint8_t bh1750_power_on(void)
{
return bh1750_write_cmd(BH1750_POWER_ON);
}
// 关闭电源
uint8_t bh1750_power_down(void)
{
return bh1750_write_cmd(BH1750_POWER_DOWN);
}
// 设置测量模式
uint8_t bh1750_set_measure_mode(uint8_t mode)
{
uint8_t result = 0;
if(bh1750_write_cmd(mode))
{
result = 1;
}
return result;
}
// 单次读取光照值
uint8_t bh1750_single_read_light(uint8_t mode, float *light)
{// 单次测量模式在测量后会自动设置为断电模式
uint8_t temp[2];
uint8_t result = 0;
if(mode != BH1750_ONE_H_RES_MODE && mode != BH1750_ONE_H_RES_MODE2 && mode != BH1750_ONE_L_RES_MODE)
{
LOG("bh1750 single read measure mode error! mode:0x%02x\n", mode);
return result;
}
if(bh1750_set_measure_mode(mode)) // 每次采集前先设置模式
{
LOG("bh1750 set measure mode success! mode:0x%02x\n", mode);
current_mode = mode;
switch (mode)
{
case BH1750_ONE_H_RES_MODE: // 单次H分辨率模式（精度1lx，测量时间120ms）
bh1750_delay(120); // 等待采集完成
break;
case BH1750_ONE_H_RES_MODE2: // 单次H分辨率模式（精度0.5lx，测量时间120ms）
bh1750_delay(120); // 等待采集完成
break;
case BH1750_ONE_L_RES_MODE: // 单次L分辨率模式（精度4lx，测量时间16ms）
bh1750_delay(16); // 等待采集完成
break;
default:
break;
}
if(bh1750_read_regs(temp, 2)) // 读取测量结果
{
*light = ((float)((temp[0] << 8) + temp[1]) / 1.2); // 换算成光照值
result = 1;
}
else
{
LOG("bh1750 read light failed!");
}
}
else
{
LOG("bh1750 set measure mode failed! mode:0x%02x\n", mode);
return result;
}
return result;
}
// 连续读取光照值
uint8_t bh1750_continuous_read_light(uint8_t mode, float *light)
{
uint8_t temp[2];
uint8_t result = 0;
if(mode != BH1750_CON_H_RES_MODE && mode != BH1750_CON_H_RES_MODE2 && mode != BH1750_CON_L_RES_MODE)
{
LOG("bh1750 continuous read measure mode error! mode:0x%02x\n", mode);
return result;
}
if(mode != current_mode)
{// 要使用的测量模式和BH1750当前的模式不同，则配置成相同模式
if(bh1750_set_measure_mode(mode))
{
LOG("bh1750 set measure mode success! mode:0x%02x\n", mode);
current_mode = mode;
}
else
{// 模式设置失败
LOG("bh1750 set measure mode failed! mode:0x%02x\n", mode);
return result;
}
switch (mode)
{
case BH1750_CON_H_RES_MODE: // 连续H分辨率模式（精度1lx，测量时间120ms）
bh1750_delay(120); // 等待采集完成
break;
case BH1750_CON_H_RES_MODE2: // 连续H分辨率模式（精度0.5lx，测量时间120ms）
bh1750_delay(120); // 等待采集完成
break;
case BH1750_CON_L_RES_MODE: // 连续L分辨率模式（精度4lx，测量时间16ms）
bh1750_delay(16); // 等待采集完成
break;
default:
break;
}
}
if(bh1750_read_regs(temp, 2)) // 读取测量结果
{
*light = ((float)((temp[0] << 8) + temp[1]) / 1.2); // 换算成光照值
result = 1;
}
else
{
LOG("bh1750 read light failed!");
}
return result;
}
// BH1750初始化
uint8_t bh1750_init(void)
{
uint8_t result = 0;
iic_init(); // IIC初始化
result = bh1750_power_on(); // 打开BH1750电源
current_mode = 0;
return result;
}
// 参考例程：使用BH1750读取光照值
void bh1750_read_example(void)
{
#if 1
// 单次采集模式
if(bh1750_single_read_light(BH1750_ONE_H_RES_MODE2, ¤t_light))
{
LOG("bh1750 single read light: %0.1f\n", current_light);
}
bh1750_delay(100);
#else
// 连续采集模式
if(bh1750_continuous_read_light(BH1750_CON_H_RES_MODE2, ¤t_light))
{
LOG("bh1750 continuous read light: %0.1f\n", current_light);
}
bh1750_delay(120); // 注：因为连续读取函数里面没有做延迟等待处理，因此这里的等待时间如果小于测量时间，那么读取到的值有可能是上一轮测量的值
#endif
}
main.c :
#include "delay.h"
#include "sys.h"
#include "usart.h"
#include "bh1750.h"
int main(void)
{
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
delay_init();
uart_init(115200);
bh1750_init();
while(1)
{
bh1750_read_example();
}
}
2.3 运行测试
通过逻辑分析仪抓取IIC通讯的波形，分别测试了一次H分辨率模式2和连续H分辨率模式2，结果如下：
1、一次H分辨率模式2时序测量
初始化设备：
先发送通电命令（0x01），再设置为单次 H 分辨率模式 2（0x21）。
读取光照值（设备地址为0x23）：
串口打印结果：
2、连续H分辨率模式2时序测量
初始化设备：
先发送通电命令（0x01），再设置为连续 H 分辨率模式 2（0x11）。
读取光照值（设备地址为0x23）：
串口打印结果：
3、其他测量
测量IIC时钟周期：
软件模拟的CLK周期约为13us，换算成频率约76.9kHz。
IIC参考时钟是100kHz，不过一般小于400kHz都是没什么问题的，需要调快的话可以修改上面模拟IIC收发函数的CLK延时时间来实现。
测试结果：IIC波形没有异常，串口结果没有异常，BH1750工作一切正常。
结束语
关于STM32如何驱动BH1750的讲解就到这里，如果还有什么问题，欢迎在评论区留言。
源码下载：
链接：https://pan.baidu.com/s/1aX2bYBAOgnkBlL2lzmGYjg
提取码：1234
如果这篇文章能够帮到你，就…你懂的。
