C语言程序设计在传感器中的应用
——以智能温度传感器为例
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《C语言程序设计》课程期末论文 2
目 录
1.C语言的概述及特点 1
2传感器的介绍 1
2.1传感器的概述及分类 1
2.1.1传感器的概述 1 2.1.2传感器的分类 2
2.2传感器技术的发展历程及前景 2
2.2.1发展历程 3 2.2.2未来展望 3 2.3传感器的作用 3
3.传感器在生活中的应用 4
3.1传感器在生活中广泛应用 5 3.2.DS18B20智能温度控制器 6
3.2.1温度传感器DS18B20简介 6 3.2.2.DS18B20温度传感器的存储器 7
4课程学习及此次论文写作心得 9
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C语言程序设计在传感器中的应用
【摘要】传感器是现代化工业生产领域中不可或缺的一种设备备件，传感器系统更是工业生产实现信息处理和自动化控制的关键部件。传感器的作用是收集外界的物理信息和化学信息，再将这些信息转化为电信号进行传导。传感器比人类感官更优秀的地方在于，传感器的工作灵敏度更高、准确性更高、可靠性更高，这些标准也是传感器设计和制造的标准。传感器在设计和制造中还要兼顾使用寿命、重复实用性、抗环境影响能力等。
【关键词】C语言 ；传感器 ；应用及发展；智能温度控制器
正文：
1.C语言的概述及特点
C语言是一种计算机程序设计语言。它既有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它可以作为系统设计语言，编写工作系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。因此，它的应用范围广泛。C 语言的主要特点有：（1）语言简洁、紧凑，使用方便、灵活；（2）运算符极其丰富；（3）数据结构丰富；（4）允许直接访问物理地址；（5）生成的目标代码质量高，程序执行效率高；（6）可移植性好。
2传感器的介绍
2.1传感器的概述及分类
2.1.1传感器的概述
传感器是自动化系统技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显. 传感器的作用是收集外界的物理信息和化学信息，再将这些信息转化为电信号进行传导。传感器的测量对象可以是固体、液体或气体，被测量对象可以为任何运动状态，即可以为静态也可以为动态。传感器对被测量物体的测量即包括其物理特性也包括其化学特性，例如被测量物体的温度、压力、流速、辐射性及生物特征等。
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传感器在使用时会按照自己工作原理，针对被测量对象收集各种状态参数，并将这些收集到的状态参数转化为可用的电学量。传感器的另外一个任务就是将这些电信号进行分离，并传导给传感器接受系统，以完成显示、评测或标示等。
传感器发展至今，在一些对象的测量上尚不及人类的正常感觉能力，但在另外一些领域则已经有了比人类感官更优越的功能，例如在紫外线辐射、红外线辐射、电磁场感应和无色物体的气体感应等。 2.1.2传感器的分类
传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号转换或信息处理，或都最佳数据的显示与控制都是不可能实现的。
一、根据输入物理量可分为：位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器及气敏传感器等。
二、根据工作原理可分为：电阻式、电感式、电容式及电势式等。 三、根据输出信号的性质可分为：模拟式传感器和数字式传感器。即模拟式传感器输出模拟信号，数字式传感器输出数字信号。
四、根据能量转换原理可分为：有源传感器和无源传感器。有源传感器将非电量转换为电能量，如电动势、电荷式传感器等；无源程序传感器不起能量转换作用，只是将被测非电量转换为电参数的量，如电阻式、电感式及电容光焕发式传感器等。
2.2传感器技术的发展历程及前景
科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信息。
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2.2.1发展历程
早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。 2.2.2未来展望
无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性，如家用、保健、交通等领域。我们可以大胆的预见，将来无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。比如微型传感器网最终可能将家用电器、个人电脑和其他日常用品同互联网相连，实现远距离跟踪，家庭采用无线传感器网络负责安全、节电等。无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。
但是，我们还应该清楚的认识到，无线传感器网络才刚刚开始发展，它的技术、应用都还还远谈不上成熟，国内企业应该抓住商机，加大投入力度，推动整个行业的发展。
2.3传感器的作用
人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。
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新技术的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。
在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。
3.传感器在生活中的应用
随着科学技术的进一步发展，单凭人的感觉器官来获取信息已远远不能满足需要，于是人们研制了各种传感器，使人类获取信息的领域更宽广、更深入。
人用感觉器官来获取外界的信息通过神经传送给大脑，进行分析处理后，指挥行为动作。如果把人体看作是一个信息系统的话，那么眼、耳、鼻、舌、皮肤等感觉器官就是这个信息系统的传感器。
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3.1传感器在生活中广泛应用
随着科学技术的进一步发展，单凭人的感觉器官来获取信息已远远不能满足需要，于是人们研制了各种传感器，使人类获取信息的领域更宽广、更深入。传感器是通过测量外界的物理量化学量来捕捉和识别信息，并将被测量的非电学量转成电学量的装置。它一般包括敏感元件与转换电路等。其中，敏感元件是传感器的核心它可以利用各种物理、化学、生物效应，将非电学参数的变化转换成电学参数的变化。转换电路将敏感元件采集的信息进行处理，并输出数字信息，以电压或电流的形式输出。
随着现代信息技术和传感器技术的发展，传感器开始进入中学实验的课堂。用传感器替代传统的电表、温度计、测力计等测量仪器，能够把包括力、热、声、光、电、磁、原子物理等多种物理量数据采集器处理后的数据上传到计算机，由专门的科学软件进行实时的处理与分析。20世纪70年代，随着信息技术和计算机技术的发展，传感器技术迈入了快速发展时期。我国将传感器技术列为重点发展的尖端技术，投入大量人力物力，研制和开发了各种新型的传感器。传感器技术已经深入到日常生活、生产、科学研究和军事技术等各个领域。2003年，当SARS肆虐时，在机场、车站等公共场所都配备了红外测温仪。这是一种将红外辐射波转换成电信号的传感装置，能够非接触快速测温，可帮助机场、车站工作人员快速检测旅客体温，而又不会造成交叉感染。在数码摄像器材中，使用了一种新型的敏感元件，叫做电荷耦合器件它能将光信号转换成模拟电信号。模拟电信号再通过一种专门的装置——A/D转换器就可转换为数字电信号，以便于计算机处理。处理后的信号可根据需要储存或发送出去。机动车驾驶员酒后驾车，极易发生交通事故，严重危害交通安全和人身安全。怎样才能判定驾驶员酒后驾车呢？人饮酒后，酒精通过消化系统被人体吸收，经血液循环，因此测量呼气中的酒精含量就可以判断饮酒程度。我国已制成对低浓度有高灵敏性的酒精传感器。交通使用这样的酒精传感器，就能迅速检查出机动车驾驶员是否酒后驾车。
传感器在现代生活中应用的例子还有很多，如：1.自动门，利用人体的红外微波来开关门；2.烟雾报警器，利用烟敏电阻来测量烟雾浓度，从而达到报警目的；3.手机，数码相机的照相机，利用光学传感器来捕获图象；4.电子称，利用
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力学传感器（导体应变片技术）来测量物体对应变片的压力，从而达到测量重量目的；5.水位报警，温度报警，湿度报警，光学报警等。
3.2.DS18B20智能温度控制器
3.2.1温度传感器DS18B20简介
DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20简介新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20、 DS1822 “一线总线”数字化温度传感器 同DS1820一样，DS18B20也 支持“一线总线”接口，测量温度范围为 -55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。DS1822的精度较差为± 2°C 。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。 DS18B20、 DS1822 的特性 DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色！ DS1822与 DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±2°C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。 继“一线总线”的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。
光刻ROM中的位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
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DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。
这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。 3.2.2.DS18B20温度传感器的存储器
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。
根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。
读取温度时主要是根据如下C语言编制程序进行： ReadTemperature(void) {
unsigned char a=0;
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unsigned char b=0; unsigned char t=0; Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC); // 跳过读序号列号的操作 WriteOneChar(0x44); // 启动温度转换 Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC); //跳过读序号列号的操作
WriteOneChar(0xBE); //读取温度寄存器等（共可读9个寄存器） 前两个就是温度
a=ReadOneChar(); //读取温度值低位 b=ReadOneChar(); //读取温度值高位
a=a>>4; //低位右移4位，舍弃小数部分 t=b<<4; //高位左移4位，舍弃符号位 t=t|a; return(t); }
void display_tempmain(unsigned char i) //主程序温度显示函数 {
P0=tab[i/10]; shi=0; ge=1; delay(1000); P0=tab[i%10]; shi=1; ge=0; }
void main(void) {unsigned int temp;
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while(1) //主循环 { temp=ReadTemperature(); display_tempmain(temp);
4课程学习及此次论文写作心得
通过学习C语言程序设计这门课程，我觉得对自己有很大提高：知道了自己的操作能力有待提高，明白了自己的弱项，才能有所改进，有所提高，从而也为我今后的学习起到一定程度的帮助。我第一次感受到了编程不是像高数算题那样，你只要 解出来就行，编程是一项非常烦琐周密的活动，他不但需要一个人周密的思考问题的能力，处理问题的能力，还需要有足够的耐心，并且来不得半点马虎。编错一个代码，少一个标点符号都有可能影响程序的运行，因此，在学习课程以及平常编写程序的时候都必须认认真真对待，不能有得过且过的心理，不仅上课要认真听讲，还要加强自己动手操作能力，只有这样才懂得其中的奥妙。
通过这次写论文，让我初步掌握了写论文的基本格式、基本方法，学会了怎样去借鉴别人的方法和经验，知道如何去查找资料和整合处理这些资料的能力，这为以后的论文写作打下了一个初良好的基础。
传感器的不断发展和进步为人类的现代化、自动化系统发展提供了保证，传感器在未来的应用也将不断继续。传感器相关技术的研究，已经被世界各国公认为是国家综合科技能力的标志，可见传感器在未来的科学技术发展中还将占据重要的位置 参考文献：
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[7]于庆广.可编程控制器原理及系统设计.北京：清华大学出版社.2004
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