STM32 और LED का उपयोग करके भौतिक स्थिरांक का निर्धारण

परिचय

एलईडी - एक अर्धचालक उपकरण जो दृश्य या इसके करीब के विद्युत चुम्बकीय तरंगों का उत्सर्जन करता है। उनका काम फोटॉन उत्सर्जन के साथ अर्धचालक संक्रमण में चार्ज वाहक के पुनर्संयोजन के प्रभाव पर आधारित है (भौतिकी पर संबंधित पुस्तकों में एक पूर्ण सैद्धांतिक स्पष्टीकरण पाया जा सकता है, यह यहां वर्णित नहीं है)। मुख्य विद्युत और ऑप्टिकल गुण (किसी दिए गए डिजाइन के लिए) मौलिक भौतिक स्थिरांक द्वारा निर्धारित किए जाते हैं, जिसका अप्रत्यक्ष माप मैं इस लेख में वर्णन करूंगा। अर्थात्, परिणामस्वरूप, प्राथमिक आवेश (इलेक्ट्रॉन आवेश) और प्लैंक स्थिरांक का मान निर्धारित किया जाता है।

मैं लंबे समय से माइक्रोकंट्रोलर्स का अध्ययन करना चाहता था और उनके लिए प्रोग्रामिंग को समझना चाहता था, इसलिए मैंने ऐसा प्रयोग करने का फैसला किया। इसके परिणामों को कुछ हफ़्ते पहले एक भौतिकी परीक्षा में एक विकल्प प्रश्न के रूप में सफलतापूर्वक प्रस्तुत किया गया था।

माइक्रोकंट्रोलर चयन

चूंकि परीक्षा से कुछ समय पहले मुझे इस तरह का विचार आया था, इसलिए मुझे कुछ दिनों में तैयार कार्य योजना को समझना और लागू करना था। पहले, मुझे माइक्रोकंट्रोलर्स के साथ बिल्कुल कोई अनुभव नहीं था, इसलिए मैंने विभिन्न लेखों और मंचों से जानकारी के अनुसार चुना। नतीजतन, वह एसटी - एसटीएम 32 से 32-बिट एआरएम कोर्टेक्स के परिवार पर बसे। ऐसे नियंत्रकों पर डिबग बोर्डों का काफी बड़ा वर्गीकरण है, जिसमें एक सुविधाजनक रूप में सबसे अधिक आवश्यक है: प्रोसेसर खुद, एक साधारण बंडल, एक यूएसबी डिबगर (STLink)। मैंने STM32V100ISB नियंत्रक के आधार पर STM32VLDISCOVERY का आधार लिया। मुख्य विशेषताएं: 8 केबी रैम, 128 केबी फ्लैश, 24 मेगाहर्ट्ज डिफ़ॉल्ट रूप से, सभी प्रकार के एडीसी / डीएसी, टाइमर, दर्जनों जीपीओ पिन, साथ ही अन्य इंटरफेस। कार्यक्रम आमतौर पर सी में लिखे जाते हैं, हालांकि कोडांतरक और सी ++ निश्चित रूप से संभव हैं।

कनेक्ट करें और आरंभ करें

मैंने लिनक्स के तहत इस डिवाइस को हाफ-किक के साथ प्राप्त करने का प्रबंधन नहीं किया था (तब यह वास्तव में काम किया था), इसलिए मैंने विंडोज के तहत CoCCox CoIDE वातावरण का उपयोग किया - इसमें तैयार सेटिंग्स और मेरा जैसे डिबग बोर्ड के लिए एक उदाहरण है। वास्तव में, कनेक्शन के साथ या इसमें संकलन के साथ कोई समस्या नहीं थी - सब कुछ तुरंत काम किया।

प्रोसेसर और बाह्य उपकरणों को नियंत्रित करने के लिए पुस्तकालयों का पर्याप्त चयन है: एआरएम और एसटी से सीएमएसआईएस, एसटी से स्टैडरपिप, कोऑक्स और अन्य से लाइब्रेरी। सामान्य तौर पर, अब यह मुझे CMSIS का उपयोग करने के लिए सबसे सही और यहां तक ​​कि सबसे सरल लगता है: यह उन संरचनाओं और स्थिरांक की परिभाषा प्रदान करता है जो डेटाशीट के अनुरूप हैं। हालाँकि, चूंकि यह परियोजना जल्दी में लिखी गई थी, इसलिए मैंने यह भी नोटिस नहीं किया कि मैंने वहाँ सूचीबद्ध सभी तीन पुस्तकालयों का उपयोग कैसे किया है: बेशक, आंतरिक संरचना को जानते हुए, आप आसानी से आधार CMSIS में यह सब स्थानांतरित कर सकते हैं। STM32 के लिए विकास शुरू करने के लिए पर्याप्त ट्यूटोरियल हैं, इसलिए मैंने इस पर अधिक ध्यान नहीं दिया।

सर्किट आरेख

चूंकि डिस्कवरी बोर्ड में एक अलग यूएसबी बिजली की आपूर्ति (5 वी, साथ ही साथ 3.3 वी स्टेबलाइज़र) है, फिर सर्किट का माप भाग उसी स्रोत से संचालित होता है। अतिरिक्त विवरणों में से - 3 प्रतिरोधक, 1 संधारित्र, 1 ट्रांजिस्टर, और निश्चित रूप से एल ई डी। विद्युत सर्किट बहुत सरल है, और मैंने इसे हिंग वाले तरीके से हल किया - तत्वों के निष्कर्षों पर सब कुछ आराम किया:



यहां, स्विच आलंकारिक रूप से नियंत्रक पिन से कनेक्शन को इंगित करता है, जिसमें 0 या 1 की आपूर्ति की जाती है। 5 वी के लिए एक पुल-अप का उपयोग किया जाता है, क्योंकि इस तथ्य के बावजूद कि अधिकांश पिन उन्हें 5 वी आपूर्ति का समर्थन करते हैं, वे स्वयं केवल 3.3 दे सकते हैं। यहां, क्रमशः, पिन पर शून्य पर, वोल्टेज 0 होगा, और एकता पर - लगभग 5 वी। संधारित्र कई सेकंड के लिए वोल्टेज में एक चिकनी वृद्धि और कमी प्रदान करता है। "एडीसी" चिह्नित टर्मिनलों को माइक्रोकंट्रोलर के एडीसी के किसी भी दो इनपुट से जोड़ा जाता है, और एलईडी के वोल्टेज और वर्तमान दोनों का माप प्रदान करता है:

प्रदर्शन

बेशक, आप बस एक कंप्यूटर को सभी डेटा भेज सकते हैं, और पहले से ही इसे संसाधित कर सकते हैं, लेकिन मैं मौके पर ही सही जानकारी प्रदर्शित करना चाहता था। ऐसा करने के लिए, मैंने नियमित रूप से दो-पंक्ति पाठ प्रदर्शन का उपयोग किया जैसे कि:
6 GPIO पिन इसे डेटा स्थानांतरित करने के लिए पर्याप्त हैं, और सॉफ़्टवेयर की ओर से सबसे तेज़ तरीका किसी प्रकार की लाइब्रेरी का उपयोग करना है। मैंने ड्राइवर को HD44780 के लिए ले लिया (यह डिस्प्ले में कंट्रोलर है), जो सीधे कोऑक्स में मेनू से जुड़ा हुआ है। ऐसे ड्राइवर को लिखने के लिए खुद भी सरल है (जो मैंने बाद में किया, वैसे), लेकिन लंबे समय तक।

माप

अर्धचालकों के सिद्धांत से यह ज्ञात है (पाठ्यपुस्तकों में पढ़ा जा सकता है) कि पीएन जंक्शन के माध्यम से वर्तमान के छोटे मूल्यों के लिए, जबकि संतृप्ति दूर है, वोल्टेज पर वर्तमान की निर्भरता घातीय है: , जहां मैं संक्रमण के माध्यम से वर्तमान है, I ₀ वोल्टेज की अनुपस्थिति में इलेक्ट्रॉनों या छिद्रों का वर्तमान है, ई इलेक्ट्रॉन का प्रभार है, V संक्रमण के समय वोल्टेज है, k _b बोल्ट्जमान स्थिरांक है, T तापमान है। बाद की अनुमानित समानता पर्याप्त रूप से छोटे वोल्टेज (एक वोल्ट के दसवें) के लिए भी लगभग सही है।

वर्तमान के पर्याप्त रूप से बड़े मूल्यों के लिए, जब संतृप्ति होती है, तो डायोड को एक श्रृंखला से जुड़े स्थिर वोल्टेज ड्रॉप (जंक्शन के संभावित अवरोध के बराबर) और एक प्रतिरोधक के रूप में दर्शाया जा सकता है जो अर्धचालक और संपर्कों के प्रतिरोध से मेल खाता है। एलईडी के मामले में संभावित संक्रमण बाधा उत्सर्जित फोटॉनों की ऊर्जा से मेल खाती है, अर्थात। जहां V ₀ संक्रमण वोल्टेज है, h प्लैंक स्थिरांक है, c प्रकाश की गति है, - एलईडी के विकिरण की तरंग दैर्ध्य। वास्तव में, यह एलईडी (और साधारण डायोड नहीं है) जो तरंगदैर्ध्य निर्धारित करने के लिए आवश्यक है। मैंने इस डेटा को डेटशीट से एलइडी में ले लिया, हालांकि सामान्य तौर पर इसे घर पर मापा जा सकता है - मैंने सीडी / डीवीडी डिस्क पर आधारित स्पेक्ट्रोमीटर बनाने पर कई लेख देखे।

माइक्रोकंट्रोलर एलईडी की वर्तमान-वोल्टेज विशेषता को मापता है, अर्थात् इसके दो खंड: कम धाराएं, और अपेक्षाकृत बड़े। माप को बटन दबाने के बाद स्वचालित रूप से किया जाता है, जिससे वर्तमान में 25 मिलीमीटर बढ़ जाता है, और फिर जब यह शून्य तक कम हो जाता है। I - V विशेषता के दिलचस्प वर्गों के लिए, नियंत्रक फिर कम से कम चौकोर विधि द्वारा गुणांक की गणना करता है, और उनसे सरल स्थिरांक द्वारा सरल स्थिरांक प्राप्त किए जाते हैं।

CVC के रैखिक भाग का एक विशिष्ट दृश्य:

और घातांक:

नतीजतन, निर्धारित स्थिरांक का मान वास्तविक के बहुत करीब निकला: e = 1.54 * 10 ^-19 C, h = 5.72 * 10 ^-34 J * s (सभी उपलब्ध एल ई डी के लिए औसत, एक बड़ा प्रसार)।

प्रोग्रामिंग

मैं इस मामले में लेखन कोड पर ज्यादा ध्यान नहीं देना चाहता, क्योंकि इसका एक महत्वपूर्ण हिस्सा, जो बाह्य उपकरणों के साथ बातचीत के लिए जिम्मेदार है, विभिन्न लेखों और ट्यूटोरियल से लिया गया था - यही कारण है कि विभिन्न पुस्तकालयों का उपयोग किया जाता है, और सिर्फ एक नहीं :) बिना लेख वाला लेख काफी बड़ा है। । शायद निकट भविष्य में मैं एक ही माइक्रोकंट्रोलर के आधार पर एक अलग प्रोजेक्ट पर अधिक प्रोग्रामिंग-उन्मुख लेख लिखूंगा।

संपूर्ण परियोजना (स्रोत, CooCox सेवा फाइलें, एक छोटी रिपोर्ट) hg.plav.in/stm32_ledcvc/file ( रिपोर्ट फ़ोल्डर में है) पर देखी या डाउनलोड की जा सकती है।

निष्कर्ष

प्रारंभ में, इस परियोजना द्वारा निर्धारित लक्ष्यों को प्राप्त किया गया था: मैंने माइक्रोकंट्रोलर्स की प्रोग्रामिंग को समझना शुरू किया, और परीक्षा में पसंद का एक सवाल भी बताया :), निश्चित रूप से, कुछ चीजों में सुधार किया जा सकता है या अलग तरीके से किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, संधारित्र के क्रमिक चार्जिंग की बजाय, माइक्रोकंट्रोलर के डीएसी के माध्यम से वोल्टेज में एक सहज परिवर्तन किया जा सकता है - फिर कम अतिरिक्त भागों के साथ करना संभव होगा। और 27 ओम से अधिक की रेटिंग वाले अवरोधक का उपयोग कम वर्तमान सीमा में अधिक सटीक माप देगा - लेकिन पहले तो मैंने इस तरह के माप की योजना नहीं बनाई थी, और फिर सर्किट को फिर से तैयार करने में बहुत देर हो गई थी। वैसे, इस तरह के अधिक सटीक माप संभवतः तापमान माप की अनुमति देंगे (और उपरोक्त आरेख में त्रुटि +30 डिग्री या इससे भी अधिक हो गई है)।

यदि आपके पास किसी भी भाग पर कोई प्रश्न है, या ऐसी चीजें हैं जो मैं STM32 प्रोग्रामिंग से संबंधित लेख में देखना चाहूंगा - लिखो :)