====== Fotoresistor ======

//Conhecimento necessário: 
[HW] [[pt:hardware:homelab:digi]],
[ELC] [[pt:electronics:voltage_divider]], 
[AVR] [[pt:avr:adc]], 
[LIB] [[pt:software:homelab:library:adc]], [LIB] [[pt:software:homelab:library:module:lcd_graphic]], 
[LIB] [[pt:software:homelab:library:module:sensor]]//

===== Teoria =====

[{{  :examples:sensor:photoresistor:sensor_photoresistor_designator.png?150|Símbolo eléctrico de um fotoresistor}}]
[{{  :examples:sensor:photoresistor:sensor_photoresistor.jpg?150|Um fotoresistor}}]

Um fotoresistor é um sensor de resistência eléctrica que é alterada dependendo da intensidade da luz que incide sobre ele. Quanto mais intensa a luz é mais transportadores livres são formados e, por conseguinte, menos resistência tem o elemento. Os dois contactos metálicos exteriores do fotoresistor são atingidos através do material de base cerâmica para a membrana sensível à luz, que determina as propriedades de resistência elétrica de acordo com as suas propriedades e geometria do material. Como o material foto sensível em si tem alta resistência, um caminho estreito entre entre os eletrodos, é adquirida baixa resistência total a uma intensidade média de luz. De modo semelhante ao olho humano, o fotoresistor é sensível a uma determinada gama de comprimentos de onda que tem de ser considerada quando se selecciona um foto elemento, caso contrário pode não reagir à fonte de luz utilizada na aplicação. Segue-se a lista simplificada de comprimentos de onda de luz visível segmentado por cores:       

^ Colour            ^ Range of wavelength (nm)  ^
| Purple       | 400 – 450                  |
| Blue         | 450 – 500                  |
| Green        | 500 – 570                  |
| Yellow       | 570 – 590                  |
| Orange       | 590 – 610                  |
| Red          | 610 – 700                  |

A gama de temperatura de trabalho está marcada para fotoresistor. Se desejarmos que o sensor de trabalhe a temperaturas diferentes, conversões precisas devem ser executadas, porque as propriedades de resistência dos sensores dependem da temperatura do ambiente.

Para caracterizar o conceito físico de intensidade de luz, a chamada simplesmente intensidade da luz (E) é usada. Esta representa a quantidade de luz que atinge qualquer superfície. A sua unidade de medição é lux (lx), em que 1 lux representa, a distribuição uniforme de um fluxo de luz de 1 lúmen, que cai sobre uma superfície de 1  m<sup>2</sup>. Quase nunca na realidade a luz cai de forma uniforme numa superfície e, portanto, a intensidade de luz é geralmente uma média. Abaixo estão alguns exemplos de intensidade de luz para comparação:


^ Environment	            ^ Intensity of light (lx) ^
| Full moon	            | 0,1          | 
| Dusk	                    | 1            | 
| Auditorium	            | 10           | 
| Class room	            | 30           | 
| Sunset or sunrise         | 400          | 
| Operating room (hospital) | 500 - 1000   | 
| Direct sun light	    | 10000        | 

===== Prática =====
O HomeLab está equipado com um fotoresistor VT935G. Um pin do fotoresistor está conectado à fonte de alimentação e um segundo pin ao conversor analógico-digital (HomeLab II canal 1, HomeLab III canal 13). Entre este pin e a terra, a resistência está também ligada, o qual forma um divisor de tensão com o fotoresistor. Uma vez que a resistência eléctrica do fotoresistor diminui à medida que a intensidade da luz que incide sobre ele cresce, a tensão medida no pin do microcontrolador cresce à medida que a intensidade da luz aumenta. Vale a pena ter em conta que o fotoresistor utilizado no HomeLab reage mais em luz laranja e amarela.

O sensor VT935G não se destina a ser um aparelho de medição específico. Ele foi criado para ser mais um dispositivo para especificar as condições gerais de iluminação - há uma lâmpada acesa na sala ou não. Neste caso é preciso apenas medir a resistência do sensor ao ambiente em meia luz, observar os valores no programa e comparar com valores posteriormente medidos - é mais claro ou mais escuro?

O exercício aqui é um pouco mais complexo pois a intensidade da luz é medida também em lux. Para fazer isto, existe uma fórmula de aproximação e variáveis floating point. Na linguagem C são as variáveis do tipo ​​//float-// e //double//, que podem ser utilizadas para apresentar fracções. A sua desvantagem é consumirem muitos recursos. Os computadores têm um hardware especial para calcular variáveis ​​destes tipos. No controlador AVR de 8 bits os cálculos são executadas em software o que exige muita memória e tempo. Se esta desvantagem não é crítica, vale a pena usar estes tipos.


[{{  :examples:sensor:photoresistor:sensor_photoresistor_vt935g_slope.png?260|Relação entre a resistência (R) do VT935G e a intensidade de luz (E)}}]

Existe uma fórmula aproximada que mostra a relação entre a intensidade da luz e da resistência eléctrica na datasheet do sensor. Como pode ser visto no gráfico (à direita), com a utilização da escala logarítmica, a resistência e a intensidade da luz estão quase em relação linear, a seguinte conversão pode aplicar-se:   

log(a/b) = log(a) - log(b)

A relação é caracterizada pelo crescimento do factor γ (declive da linha), que é de 0,9 no sensor VT935G. Temos também dados num dos pontos da linha: resistência de 18,5 kΩ (R<sub>A</sub>) em intensidade da luz de 10 lx (E<sub>A</sub>). Assim, temos as coordenadas de um ponto, bem como o declive da linha e para o cálculo de qualquer outro ponto, precisamos apenas de uma coordenada. Ou seja, se a resistência dos sensores (R<sub>B</sub>) é medida, é possível calcular a partir da equação, a intensidade da luz (E<sub>B</sub>) que cai sobre o sensor. Encontrar E<sub>B</sub> a partir da equação de linha é:

log(E<sub>B</sub>) = log(R<sub>A</sub>/R<sub>B</sub>) / γ + log(E<sub>A</sub>) \\ \\
E<sub>B</sub> = 10<sup>log(R<sub>A</sub>/R<sub>B</sub>) / γ + log(E<sub>A</sub>)</sup>

Isto dá a fórmula para calcular a intensidade da luz quando a resistência é conhecida. A resistência não pode ser medida diretamente com o microcontrolador. Para isso, o fotoresistor está ligado ao divisor de tensão. A tensão de saída do divisor de tensão é convertida para uma variável específica pelo conversor analógico-digital (ADC). Para determinar a resistência, a tensão de saída (U<sub>2</sub>) do divisor de tensão deve ser calculada em primeiro lugar, usando o valor do ADC, e a tensão de comparação (U<sub>ref</sub>) do conversor deve ser tida em conta. A fórmula é seguinte:

U<sub>2</sub> = U<sub>ref</sub> * (ADC / 1024)

Da fórmula para o divisor de tensão (veja o capítulo sobre divisor de tensão) a resistência do fotoresistor superior (R<sub>1</sub>) pode ser encontrada:

R<sub>1</sub> = (R<sub>2</sub> * U<sub>1</sub>) / U<sub>2</sub> - R<sub>2</sub>

No seguinte cálculo de tensão e resistência, os factores conhecidos substituídos com números e índices foram removidos:

U = 5 * (ADC / 1024) \\ \\
R = (10 * 5) / U - 10 \\ \\

Para encontrar a intensidade de luz, conversões simplificadas podem ser feitas:

E = 10<sup>log(18.5/R) / 0.9 + 1</sup> = 10<sup>log(18.5/R) * 10/9</sup> * 10<sup>1</sup> = \\ \\
= 10<sup>log18.5*10/9 - logR*10/9</sup> * 10 = (10<sup>log18.5*10/9</sup> / 10<sup>logR*10/9</sup>) * 10 = \\ \\
= (18.5<sup>10/9</sup> / R<sup>10/9</sup>) * 10 = 18.5<sup>10/9</sup> * 10 * R<sup>-10/9</sup>

Ao calcular a constante em frente da variável de campo R, a expressão permanece a seguinte:

E = 255,84 * R<sup>-10/9</sup>

Estas fórmulas ajudam apenas se o fotoresistor no módulo do HomeLab é usado. Se o circuito utilizado é equipado com componentes diferentes, as respectivas variáveis ​​precisam de ser alteradas. De seguida, o código-fonte do programa de exemplo é apresentado. Este mede e calcula usando o ADC e exibe a intensidade da luz no LCD.

No programa de exemplo as variáveis de tensão, resistência e intensidade são definidas usando o tipo //double// de variáveis ​​floating point. As variáveis ​​que devem ser usadas como variáveis ​​tipo floating point devem conter sempre um ponto decimal (pode ser também apenas 0, pois o compilador também o entende corretamente).

<code c>
// HomeLab photoresistor demonstration
// LCD screen displays the approximate illuminance in lux
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <homelab/module/lcd_gfx.h>
#include <homelab/adc.h>
#include <homelab/delay.h>

// Main program
int main(void)
{
	char text[16];
	unsigned short adc_value;
	double voltage, resistance, illuminance;

	// Initializing the LCD
	lcd_gfx_init();

        // Setting LCD backlight to work
        lcd_gfx_backlight(true);

	// Clearing the LCD.
	lcd_gfx_clear();

	//Cursor on the position
	lcd_gfx_goto_char_xy(3, 2);

	// Name of the program
	lcd_gfx_write_string("Luxmeter");

	// Setting the ADC
	adc_init(ADC_REF_AVCC, ADC_PRESCALE_8);

	// Endless loop.
	while (1)
	{
		// Reading the average value of the photoresistor
		adc_value = adc_get_average_value(13, 10);
		// HomeLab II
		//adc_value = adc_get_average_value(1, 10);

		// Calculating the voltage in the input of the ADC
		// HomeLab II 		
		//voltage = 5.0 * ((double)adc_value / 1024.0);
		// HomeLab III
		voltage = 2.0625 * ((double)adc_value / 2048.0);

		// Calculating the resistance of the photoresistor 
                // in the voltage divider
		// HomeLab II
		//resistance = (10.0 * 5.0) / voltage - 10.0;
		// HomeLab III
		resistance = (33.0) / voltage - 10.0;
		
		// Calculating the intensity of light in lux		
		illuminance = 255.84 * pow(resistance, -10/9);
		// Dividing variable into two integer variable
		// to display it on the screen
		int8_t illu = illuminance;
    		int16_t illudp = trunc((illuminance - illu) * 1000);

		// Converting the intensity of light to text		
		sprintf(text, "%3u.%3u lux   ", illu,illudp); 

		// Displaying it on the LCD
		lcd_gfx_goto_char_xy(3, 3);
		lcd_gfx_write_string(text);

		// Delay 500 ms
		sw_delay_ms(500);
	}
}
</code>