ماژول نور محیط GebraBit ISL76671AROZ-T7

هدف ما از انجام این پروژه چیست؟

در این بخش قصد داریم سنسور PH را به وسیله میکروکنترلر آرم، سری STM32F راه اندازی کنیم. به منظور استفاده راحت تر و بهینه تر در این پروژه از دو ماژول آماده GB625EN و GebraBit STM32F303 استفاده میکنیم.

این دو ماژول شامل مینیمم قطعات لازم سنسور PH  و میکروکنترلر STM32F میباشند که توسط تیم جبرابیت جهت آسان سازی کار فراهم شده اند.

در این آموزش چه چیزهایی یاد میگیریم؟

شما در این بخش ضمن راه اندازی و استفاده از سنسور PH، به طور خلاصه با نحوه تنظیم بخش های مختلف میکروکنترلر STM32 برای راه اندازی این سنسور با استفاده از ADC، چگونگی استفاده از فایل کتابخانه و درایور مختص ماژول GB625EN ، نحوه فراخوانی توابع و در نهایت دریافت داده های سنسور در کامپایلر  Keil نیز آشنا خواهید شد.

برای انجام این پروژه به چه چیزهایی نیاز داریم؟

همانطور که احتمالا میدانید برای انجام این پروژه به سخت افزارها و نرم افزارهایی نیاز داریم. عناوین این سخت افزارها و نرم افزارها در جدول زیر در اختیارتان قرار داده شده که میتوانید با کلیک روی هرکدام از آنها، آنها را تهیه/دانلود کنید و برای شروع آماده شوید.

سخت افزارهای مورد نیاز	نرم افزارهای مورد نیاز
GebraBit PH	Keil compiler
GebraBit STM32F303 module	STM32CubeMX program
ST-LINK/V2 programmer

ابتدا مانند تصویر زیر ماژول GebraBit PH را به صورت زیر به ماژول GebraBit  STM32F303  متصل می کنیم:

نکته: جامپر سلکتور VCC SEL را بر روی 3V3 قرار دهید در غیر اینصورت ماژول به درستی کار نخواهد کرد.
در نهایت مقادیر PH آب را به صورت Real Time در پنجره Watch1 کامپایلر Keil در حالت Debug Session مشاهده خواهیم کرد.
نکته: برای داشتن داده های دقیق تر نیاز به کالیبره کردن سنسور داریم که در ادامه نحوه کالیبراسیون توضیح داده می شود.

تنظیمات STM32CubeMX

در ادامه تنظیمات مربوط به هریک از بخش ADC, GPIO , RCC , Debug , Clock را در میکروکنترلر  STM32F303 برای راه اندازی ماژول GebraBit PH را مرور می کنیم.

تنظیمات RCC

با توجه به وجود کریستال 8Mhz در ماژول GebraBit STM32F303 کلاک خارجی را در بخش RCC انتخاب می کنیم:

تنظیمات Debug&Programming

با توجه به دسترسی به پین های SWCLK و SWDIO در ماژول GebraBit STM32F303، برای کاهش تعداد پین هنگام Debug&Programming در بلوک SYS گزینه Serial Wire را در بخش Debug انتخاب می کنیم:

تنظیمات ADC

برای خواندن مقادیر آنالوگ و تبدیل آن به مقادیر دیجیتال از واحد ADC استفاده می کنیم. در بخش mode از پنجره ی کشویی IN1 گزینه ی IN1 Signle-ended را انتخاب می کنیم. از قسمت Configuration و در بخش Resolution گزینه ی ADC 12bit-resolution را انتخاب می کنیم. گزینه ی Continuous conversion mode را نیز Enable می کنیم و پین PA0 را به عنوان ADC1_IN1 انتخاب می کنیم.

تنظیمات GPIO

ماژول Gebrabit STM32F303 دارای یک LED در پین PB6 و یک pushbutton در پین PA3 میباشد که به ترتیب این پین هارا به شکل GPIO_OUTPUT و GPIO_INPUT در می آوریم برای این که تنظیمات نرم افزاری کاربردی تر باشد و ایده های خود را به واقعیت تبدیل کنید.

تنظیمات Clock

تنظیمات کلاک مربوط به هریک از بخش های میکروکنترلر STM32F303 در این کد به شرح ذیل می باشد:

تنظیمات Project Manager

تنظیمات Project Manager به صورت زیر می باشد ، ابتدا وارد بخش Code Generator  می شویم و سپس وارد قسمت Generated files میشویم و تنظیمات خط کشیده شده را انجام می دهیم.

در این جا ما از ورژن “5.32”  کامپایلر “MDK-ARM” استفاده می کنیم:

بعد از اتمام تمام تنظیمات فوق ، بر روی GENERATE CODE کلیک کرده و با اضافه کردن کتابخانه و درایور(تهیه شده توسط  GebraBit) PH ، کد خود را به راحتی توسعه می دهیم.

کتابخانه و درایور PH

GebraBit علاوه بر طراحی ماژولار سنسورها و آی سی های مختلف ، پیشرو در ارائه انواع کتابخانه های ساختاریافته و مستقل از سخت افزار به زبان C، جهت سهولت کاربران در راه اندازی و توسعه نرم افزاری آنها نیز بوده است.

بدین منظور پس از تهیه هر یک از ماژول های  GebraBit  ، کاربر می تواند با مراجعه به بخش آموزش ماژول مربوطه، کتابخانه مختص به آن ماژول که حاوی فایل h. و c (Header and Source). و یک برنامه نمونه آموزشی تحت سخت افزار های GebraBit STM32F303, GebraBit ATMEGA32A یا Arduino می باشد را دانلود کند.

تمامی توابع و Structure های تعریف شده در کتابخانه ، با جزئیات کامل، کامنت گذاری شده و تمامی پارامتر های دریافتی در آرگومان توابع و مقادیر بازگشتی از آنها ، به اختصار توضیح داده شده است.با توجه به مستقل از سخت افزار بودن کتابخانه ها،کاربر به راحتی می تواند آن را در هر یک از کامپایلر های دلخواه اضافه کرده و با میکروکنترلر و برد توسعه مورد علاقه خود، آن را توسعه دهد.

فایل هدر GebraBit_PH.h

در این فایل بر اساس دیتاشیت سنسور یا ای سی ، بدنه سنسور PH و کانفیگ های مربوط به هریک از بلوک های داخلی سنسور PH به صورت STRUCT  با نام GebraBit_PH نیز تعریف شده است. که نهایتا در محیط  Debug Session تمامی کانفیگ های مربوط به هر بلوک به صورت Real Time قابل مشاهده است.

PH struct

تمام ویژگی های سنسور، ضرایب کالیبراسیون و داده های سنسور در این Struct تعریف شده است و تمامی اطلاعات و کانفیگ اجرا شده بر روی سنسور در این Structure ذخیره شده و می توان تغییرات در هر بخش از سنسور را در محیط Debug Session مشاهده نمود:

typedef struct PH
{
            uint8_t                            TEMP;
            uint8_t                            ACID_TEMP;
            uint8_t                            NEUTRAL_TEMP;
            uint32_t                           ADC_RAW_VALUE;
            float                              ACID_VOLTAGE;
            float                              NEUTRAL_VOLTAGE;
            float                              PH_VALUE;
            float                              ADC_INPUT_VOLTAGE_VALUE;
            ADC_HandleTypeDef                  ADC_HANDELER;
}GebraBit_PH;

اعلان توابع

در پایان این فایل تمامی توابع جهت خواندن و نوشتن ، کانفیگ سنسور و دریافت داده از سنسور اعلان شده است:

void GB_PH_Configuration(GebraBit_PH * PH);
void GB_PH_Two_Point_Calibration(GebraBit_PH * PH, float Acid_Voltage, uint8_t Acid_Temp, float Neutral_Voltage, uint8_t Neutral_Temp);
void GB_PH_Update_Slution_Temp(GebraBit_PH * PH, float Temp);
void GB_PH_Calculate_PH(GebraBit_PH * PH);
void GB_PH_Get_Data(GebraBit_PH * PH);

فایل سورس GebraBit_PH.c

در این فایل که به زبان C نوشته شده ، تمامی توابع با جزئیات کامل، کامنت گذاری شده و تمامی پارامتر های دریافتی در آرگومان توابع و مقادیر بازگشتی از آنها ، بطور واضح توضیح داده شده است.از این رو در این قسمت به همین توضیحات اکتفا کرده و کاربران را برای اطلاعات بیشتر به بررسی مستقیم از این فایل دعوت می کنیم

برنامه نمونه در Keil

بعد از تولید پروژه Keil با استفاده از STM32CubeMX و اضافه کردن کتابخانه GebraBit_PH.c ارائه شده توسط GebraBit ، به بررسی قسمت اصلی برنامه آموزشی نمونه، فایل main.c و مشاهده خروجی ماژول GebraBit PHدر قسمت watch در محیط Debugging برنامه Keil می پردازیم.

شرح فایل main.c

به ساختار ها ، Enum ها و توابع مورد نیاز ماژول GebraBit PH ، اضافه شده است.در قسمت بعدی متغیری به نام PH_Module از نوع ساختار) GebraBit_PH این ساختار در هدر GebraBit_PH بوده و در بخش توضیحات کتابخانه  GebraBit_PH توضیح داده شد (که برای پیکربندی ماژول GebraBit PH می باشد،تعریف شده است:

/* USER CODE BEGIN PTD */
GebraBit_PH PH_Module;
/* USER CODE END PTD */

در بخش بعدی از کد ما از تابعGB_PH_Configuration (&PH_Module) و GB_PH_Two_Point_Calibration((&PH_Module, Module Voltage Value in solution 1, Temp solution 1, Module Voltage Value in solution 2, Temp solution 2) استفاده می کنیم تا تنظیمات مورد نظرمان روی ماژول اعمال شوند و ماژول را کالیبره کنیم و در آخر در قسمت حلقه while، دیتا ADC و دیجیتال به صورت پیوسته از سنسور خوانده می شود:

/* USER CODE BEGIN 2 */
GB_PH_Configuration(&PH_Module);
GB_PH_Two_Point_Calibration(&PH_Module,1.91,DEFAULT_TEMP,1.43,DEFAULT_TEMP);
/* USER CODE END 2 */

/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
  /* USER CODE END WHILE */

  /* USER CODE BEGIN 3 */
  //GB_PH_Update_Slution_Temp(&PH_Module,TEMP);
  GB_PH_Get_Data(&PH_Module);
  HAL_Delay(500);
}
/* USER CODE END 3 */

نکته: برای اطمینان از دقت، ماژول باید برای اولین استفاده خود و پس از عدم استفاده برای مدت زمان طولانی (در حالت ایده آل یک بار در ماه) کالیبره شود.  مراحل کالیبراسیون دو نقطه ای در زیر توضیح داده شده است و نیاز به دو محلول بافر استاندارد با PH 4 و PH 7 داریم.

1. پروب را با آب مقطر بشویید، سپس قطرات آب باقیمانده را خشک کنید. پروب PH را داخل محلول بافر استاندارد 7.0 قرار دهید، به آرامی هم بزنید تا مقادیر ثابت شوند.
2. بعد از اینکه ولتاژ خروجی پایدار شد، ولتاژ را ثبت کرده و آن را به عنوان Neutral_Voltage به تابع کالیبراسیون بدهید.
3. پروب را با آب مقطر بشویید، سپس قطرات آب باقیمانده را خشک کنید. پروب pH را داخل محلول بافر استاندارد 4.0 قرار دهید، به آرامی هم بزنید تا مقادیر ثابت شوند.
4. بعد از اینکه ولتاژ خروجی پایدار شد، ولتاژ را ثبت کرده و آن را به عنوان Acid_Voltage به تابع کالیبراسیون بدهید.

توجه: ماژول ضد آب نمی باشد و از خیس شدن قطعات الکترونیکی جلوگیری کنید.

متن کد main.c

/* USER CODE BEGIN Header */
/*
 * ________________________________________________________________________________________________________
 * Copyright (c) 2020 GebraBit Inc. All rights reserved.
 *
 * This software, related documentation and any modifications thereto (collectively ?Software?) is subject
 * to GebraBit and its licensors' intellectual property rights under U.S. and international copyright
 * and other intellectual property rights laws.
 *
 * GebraBit and its licensors retain all intellectual property and proprietary rights in and to the Software
 * and any use, reproduction, disclosure or distribution of the Software without an express license agreement
 * from GebraBit is strictly prohibited.

 * THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR IMPLIED, INCLUDING BUT
 * NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY, FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NON-INFRINGEMENT IN
 * NO EVENT SHALL GebraBit BE LIABLE FOR ANY DIRECT, SPECIAL, INDIRECT, INCIDENTAL, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES,
 * OR ANY DAMAGES WHATSOEVER RESULTING FROM LOSS OF USE, DATA OR PROFITS, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT,
 * NEGLIGENCE OR OTHER TORTIOUS ACTION, ARISING OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE USE OR PERFORMANCE
 * OF THE SOFTWARE.
 * ________________________________________________________________________________________________________
 */
/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body
  * @Author         : Sepehr Azimi
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * Copyright (c) 2022 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.
  *
  * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
  * in the root directory of this software component.
  * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
  *
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "adc.h"
#include "gpio.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "GebraBit_PH.h"
/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */
GebraBit_PH PH_Module;
/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN PV */

/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */

/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_ADC1_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  GB_PH_Configuration(&PH_Module);
  GB_PH_Two_Point_Calibration(&PH_Module,1.91,DEFAULT_TEMP,1.43,DEFAULT_TEMP);
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    //GB_PH_Update_Slution_Temp(&PH_Module,TEMP);
    GB_PH_Get_Data(&PH_Module);
    HAL_Delay(500);
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
  RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInit = {0};

  /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
  * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  PeriphClkInit.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_ADC12;
  PeriphClkInit.Adc12ClockSelection = RCC_ADC12PLLCLK_DIV1;
  if (HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&PeriphClkInit) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/* USER CODE BEGIN 4 */

/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
  __disable_irq();
  while (1)
  {
  }
  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

خروجی برنامه

بعد از تولید پروژه Keil با استفاده از STM32CubeMX و اضافه کردن کتابخانه ، پروگرامر STLINK V2 را با استفاده از آداپتور تبدیل STLINKV2 به GebraBit STM32F303 متصل می کنیم:

تبدیل STLINKV2

با اتصال پروگرامر STLINK V2 به GebraBit STM32F303 دیگر نیازی به اعمال تغذیه به  ماژول های GebraBit STM32F303 و GebraBit PH نمی باشد، زیرا ولتاژ کاری خود را مستقیما از پروگرامر STLINK V2 دریافت میکنند.

در نهایت وارد حالت Debug شده و با اضافه کردن PH_Module به پنجره watch و اجرای برنامه، تغییرات مقادیر سنسور را مشاهده می کنیم: