網(wǎng)絡空間安全學院網(wǎng)絡安全基礎技術(shù)應用第十章傳感器模塊開發(fā)技術(shù)目錄CONTENT10.1.傳感器知識簡介10.2.溫度傳感DS18B20數(shù)據(jù)的讀取10.3.超聲波數(shù)據(jù)的讀取10.1.傳感器知識簡介傳感器是人工智能的基礎，傳感器代替了人對周圍環(huán)境的感知能力，人的“五官”——眼、耳、鼻、舌、皮膚分別具有視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等功能，能直接感受外部環(huán)境和世界的變化，人的大腦對“五官”感受到的信息進行加工、處理，從而調(diào)節(jié)人的行為活動。傳感器可以代替人的五官功能，甚至其能力比人的感官功能更加強大。比如，攝像頭可以代替人的眼睛，錄音機可以采集聲音，各種化學試劑可以代替代替鼻子和舌頭分辨物品的成分，壓力傳感器、溫度傳感器可以代替皮膚獲得重量以及冷熱信息。表征世界和環(huán)境的參量有很多種，我們可以分為電量和非電量兩大類。10.1.傳感器知識簡介電量：電壓、電流、電阻等。非電量：壓力、位移、重量、速度、溫度、酸堿度等。我們知道人工智能的核心是計算機，就是說能和計算機連接的數(shù)據(jù)才屬于人工智能的范疇。計算機能檢測到的是電參量。因此非電量要轉(zhuǎn)換成電參量。能將非電量按照一定的規(guī)律（數(shù)學函數(shù)法則）轉(zhuǎn)換成電量的器件或裝置，就稱為傳感器。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)構(gòu)成了現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱產(chǎn)業(yè)，分別充當著信息系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”，它們可以構(gòu)成一個完整的自動檢測系統(tǒng)。10.1.1.傳感器電路傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，如圖10.1-1所示。圖中敏感元件是指傳感器中能直接感受和響應被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸和測量的電信號部分；調(diào)理電路是把傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換成便于處理、控制、記錄和顯示的有用電信號所涉及的有關(guān)電路，如放大、濾波、阻抗變換等電路。圖10.1-1傳感器的組成框圖10.1.傳感器知識簡介以溫度傳感器為例，溫度傳感器內(nèi)部電路說明如下。1.圖10.1-2中RT是鉑電阻，是敏感元件。金屬鉑在溫度變化時自身電阻值也隨之改變，因此可以利用這個特性測量溫度。2.圖10.1-2中電阻橋是溫度測量電路。測量電阻橋電壓就得到溫度值。測量原理如下：是非平衡電橋的輸出電壓。電源流過電橋臂的電流見公式（10.1-1）、（10.1-2），輸出電壓公式（10.1-3）。（10.1-1）(10.1-2）10.1.傳感器知識簡介當

時，電橋平衡，；當RT發(fā)生變化，電橋非平衡，，根據(jù)電壓差就可以得到鉑電阻對應的溫度。圖10.1-2電阻橋法的測溫原理圖

（10.1-3

）10.1.2.傳感器的分類1.按照工作原理分類：傳感器按其傳感的工作原理不同，大體上可分為物理型、化學型及生物型三大類。（1）物理傳感器利用某些變換元件的物理性質(zhì)，以及某些功能材料的特殊物理性能制成的傳感器。如利用金屬、半導體材料在被測量作用下引起的電阻值變化的電阻式傳感器；利用磁阻隨被測量變化的電感、差動變壓器式傳感器；利用壓電晶體在被測力作用下產(chǎn)生的壓電效應而制成的壓電式傳感器等。特別值得提及的是近年來利用半導體材料的某些特殊性質(zhì)又制成了多種傳感器，如利用半導體材料的壓阻效應、光電效應和霍爾效應制成的壓敏、光敏和磁敏傳感器。10.1.2.傳感器的分類物理傳感器中又可分為物性型傳感器和結(jié)構(gòu)型傳感器、所謂物性型傳感器是利用某些功能材料本身所具有的內(nèi)在特性及效應把被測量直接轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。如利用壓電晶體制成的壓力傳感器，就是利用壓電材料本身所具有的正壓電效應而實現(xiàn)壓力測量的；又例如光敏電阻，則是利用半導體材料對光強的變化使其電導率發(fā)生變化的所謂光電導效應而制成的傳感器。結(jié)構(gòu)型傳感器是以結(jié)構(gòu)（如形狀、尺寸等）為基礎，利用某些物理規(guī)律實現(xiàn)把被測信息轉(zhuǎn)換為電量，例如氣隙型電感式傳感器，它必須由按規(guī)定尺寸制成的鐵芯、一定匝數(shù)的線圈以及和鐵芯有一定間隙的銜鐵組成，只有滿足這些結(jié)構(gòu)與尺寸上的要求，才能保證在被測量使銜鐵與鐵芯間間隙變化時使其磁阻變化，從而產(chǎn)生相應的電信號；10.1.2.傳感器的分類（2）化學傳感器是利用電化學反應原理，把無機和有機化學物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。最常用的是離子選擇性電極，利用這種電極來測量溶液中的pH值或某些離子的活度，如K、Na、Ca等。化學傳感器廣泛應用于化學分析，以及化學工業(yè)的在線檢測及環(huán)保監(jiān)測。（3）生物傳感器它是一種利用生物活性物質(zhì)選擇性的識別和測定生物化學物質(zhì)的傳感器，生物活性物質(zhì)對某種物質(zhì)具有選擇性親和力，也稱其為功轉(zhuǎn)換能識別能力，利用這種單一的識別能力來判斷某種物質(zhì)是否存在，其濃度是多少，進而利用電化學的方法進行電信號的轉(zhuǎn)換。10.1.2.傳感器的分類2.按照被測物理量分類按傳感器的被測物理量進行分類，這種分類方法可以表現(xiàn)傳感器的功能。比如：位移、速度，加速度、力、壓力、流速、溫度、光強、濕度、黏度和濃度等傳感器。這種分類方法通常忽略傳感器的工作原理，如溫度傳感器中就包含有用不同材料和方法制成的各種溫度傳感器，如熱電偶溫度傳感器、熱敏電阻溫度傳感器、PN結(jié)二極管溫度傳感器、熱釋電溫度傳感器等。3.按輸出信號分類：按照傳感器輸出的信號特征，可以分為模擬傳感器、數(shù)字傳感器、開關(guān)傳感器。模擬傳感器：將被測量的非電學量轉(zhuǎn)換成模擬電信號。數(shù)字傳感器：將被測量的信號量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號（二進制數(shù)字構(gòu)成的碼字輸出）。開關(guān)傳感器：當一個被測量的信號達到某個特定閾值時，傳感器相應地輸出一個特定地低電平或高電平信號。10.1.3.傳感器的主要特征參數(shù)1.分辨率（Resolution）分辨率是傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測出的被測輸入量的最小變化量，有時用該值對滿量程輸入值百分數(shù)表示，則稱為分辨力。比如一個溫度傳感器的分辨率是0.5℃，那么只有溫度變化超過0.5度，傳感器的輸出值才會發(fā)生變化。2.靈敏度（Sensitivity）靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化△y對輸入量變化△x的比值，即輸出、輸入量的量綱之比。傳感器靈敏度是輸出——輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關(guān)系，則靈敏度S是一個常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。當傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時，靈敏度可理解為放大倍數(shù)。提高靈敏度，可得到較高的測量精度。但靈敏度愈高，測量范圍愈窄，穩(wěn)定性也往往愈差。10.1.3.傳感器的主要特征參數(shù)3.精度精度反應了傳感器的測量準確度，可以用測量誤差來表示。誤差越小，表明測量值越接近真實值；反之則表明測量值偏離真實值較大。誤差的表示方法有三種，分別是引用誤差、相對誤差和絕對誤差。(1)引用誤差引用誤差=（絕對誤差的最大值/測量滿量程）×100%(2)相對誤差相對誤差=（絕對誤差的最大值/測量值）×100%(3)絕對誤差絕對誤差值=|測量值-真實值|，絕對誤差表明了測量值偏離真實值的大小程度。工業(yè)測量中儀表銘牌上會注明精度等級，精度等級是最大誤差去掉正負號及百分號。常見的精度等級有0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.35、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等，數(shù)值越小，代表精度越高。10.1.3.傳感器的主要特征參數(shù)例1：一臺精度為0.5級、量程范圍500~700℃的溫度傳感器，它最大允許誤差是多少？檢驗時某點最大絕對誤差是4℃，問此表是否合格？根據(jù)精度定義表達式，允許的絕對誤差的最大值=滿量程×（精度/100)=700×0.005=3.5℃此溫度傳感器最大允許誤差3.5℃.檢驗某點的最大絕對誤差為4℃，大于3.5℃，因此傳感器不合格。例2：某溫度傳感器測量范圍是0~500℃，根據(jù)工藝要求，測量誤差不允許超過±2℃，應該如何選擇其精度才能滿足要求？知道了量程和誤差，現(xiàn)在問的是傳感器選取多大的精度合適，因為精度是引用誤差的值，所以先計算引用誤差引用誤差=（絕對誤差的最大值/測量滿量程）×100%=2/500×100%=0.4%精度是0.4，因此，精度要選擇0.4或者小于0.4的傳感器才能滿足要求。10.2.1.DS18B20功能概述DS18B20是美信（MAXIM）公司開發(fā)的一款數(shù)字溫度傳感器，它提供9~12位的攝氏溫度測量精度，并具有用戶可編程的過溫和低溫報警功能。1.芯片外觀及管腳DS18B20采用1-wire即單線通信方式——單根數(shù)據(jù)線（圖10.2-1中的DQ）與微控制器交換數(shù)據(jù)。傳感器溫度檢測范圍是-55℃至+125℃，即使溫度范圍超過-10℃至+85℃依然有±0.5℃的精度的精度。圖10.2-1溫度傳感器18B20芯片的外觀圖10.2.1.DS18B20功能概述18B20只有三種功能管腳。(1)VDD：電源管腳，在圖10.2-2外部供電方式下，VDD提供3.0~5.5V電源；在圖10.2-3寄生電源供電模式下，VDD要和GND連接在一起，此時DQ高電平時給內(nèi)部寄生電容供電，低電平時內(nèi)部寄生電容放電。圖10.2-2寄生電源供電模式下的電路連接圖圖10.2-3外部供電模式下的電路連接圖10.2.1.DS18B20功能概述(2)DQ：數(shù)據(jù)線。DQ連接DS18B20和微控制器，DQ是開漏管腳，在使用的時候，必須在該管腳上連接一個上拉電阻4.7K，DQ支持數(shù)據(jù)輸入和輸出雙向傳輸。(3)VSS：接地線。2.溫度值存儲和計算DS18B20內(nèi)部有一組暫存存儲器（scratchpadmemory），如圖10.2-5所示。Byte0、1存儲溫度測量結(jié)果；Byte2、3存儲過溫和低溫報警值；Byte4是配置寄存器；Byte8是CRC校驗寄存器。圖10.2-4暫存寄存器的存儲內(nèi)容10.2.1.DS18B20功能概述(1)溫度寄存器Byte0、Byte1DS18B20的核心功能是溫度測量并通過內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式存儲。Byte0、Byte1分別存儲了溫度的低8位和高8位。兩個字節(jié)的內(nèi)部定義如表10.2-1所示。表10.2-1兩個溫度寄存器的位定義10.2.1.DS18B20功能概述溫度寄存器2個字節(jié)共16位。Byte0的Bit7~bit5：整數(shù)部分。Byte0的Bit4~bit0：小數(shù)部分，小數(shù)點后面的值。Byte1的Bit15~bit11：符號位，當S=0的時候，是正數(shù)，當S=1是負數(shù)。Byte1的Bit10~bit8：整數(shù)部分。DS18B20模數(shù)轉(zhuǎn)換精度有9、10、11、12位四種精度可選，它們的分辨率分別是0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃。上電后默認是12位轉(zhuǎn)換精度。當12位精度時，兩個字節(jié)里所有位的值都有效；當11位精度時，bit0無效；當10位精度時，bit1和bit0無效；當9位精度時，bit2、bit1、bit0無效。10.2.1.DS18B20功能概述(2)閾值寄存器Byte2和Byte3圖10.2-5是閾值寄存器的位定義，注意：最高位是符號位，其余是整數(shù)數(shù)值。圖10.2-5TH和TL寄存器的位定義(3)配置寄存器Byte4圖10.2-6是配置寄存器的位定義，bit6和bit5是不同分辨率的選擇設置，見表10.2-2。。圖10.2-6配置寄存器的位定義表10.2-2不同分辨率的轉(zhuǎn)換時間10.2.1.DS18B20功能概述(4)CRC校驗寄存器CRC校驗公式：CRC校驗（即循環(huán)冗余校驗）是數(shù)據(jù)通訊中最常用的差錯檢測措施。在使用的時候，對通訊數(shù)據(jù)進行多項式計算，并將得到的結(jié)果附在幀的后面（如圖10.2-4所示，是DS18B20傳輸數(shù)據(jù)的最后一個字節(jié)）。接收設備在接收到幀數(shù)據(jù)后做同樣的計算，如果計算結(jié)果為0，就表示通信正確，否則錯誤。單片機讀取DS18B20的寄存器值后，要轉(zhuǎn)換成溫度值，在寄存器值基礎上乘以分辨率。表10.2-3是12位轉(zhuǎn)換精度下溫度寄存器輸出數(shù)據(jù)與測量值之間的關(guān)系表。10.2.1.DS18B20功能概述計算舉例：第1行：07D0H×0.0625=125，溫度值125℃。第3行：0191H×0.0625=25.0625，溫度值25.0625℃。第7行：(FFFFH-FFF8+1)×0.0625=(7H+1)×0.0625=0.5，人為加上符號位后是-0.5℃。第7行開始，符號位是1，表明溫度值負數(shù)。轉(zhuǎn)換時，要反碼加1后再進行計算。表10.2-3溫度值與溫度寄存器內(nèi)容轉(zhuǎn)換關(guān)系10.2.2.DS18B20的單總線數(shù)據(jù)通信過程單片機訪問DS18B20有三個步驟：第1步：總線復位，見圖10.2-7。首先單片機拉低總線最少480μs，DS18B20等待16-60μs后，DS18B20主動拉低總線60-240μs。圖10.2-7總線復位過程第2步：單片機發(fā)送ROM地址，選定器件。第3步：單片機發(fā)送DS18B20功能命令10.2.2.DS18B20的單總線數(shù)據(jù)通信過程這兩個步驟都有讀和寫總線的過程，其時序如圖10.2-8所示，在單片機“寫”18B20的過程中，數(shù)據(jù)至少要維持45μs讓18B20采樣；在單片機“讀”的過程中，CPU至少要在總線拉低維持15us后再讀總線數(shù)據(jù)。圖10.2-8主機寫和讀的時間順序10.2.2.DS18B20的單總線數(shù)據(jù)通信過程按照兩個時序圖編寫DS18B20的底層驅(qū)動代碼。1.首先編寫延時函數(shù)：voidDelay_OneWire(unsignedintt)//延時t個微秒{ unsignedchari; while(t--){ for(i=0;i<12;i++); }}2.初始化bitinit_ds18b20(void)10.2.2.DS18B20的單總線數(shù)據(jù)通信過程{ bitinitflag=0; DQ=1;//在復位之前，確認DQ在高電平 Delay_OneWire(12); DQ=0;//下降沿，提醒從機有事件發(fā)生 Delay_OneWire(80);//延時大于480us DQ=1;//交出總線，等待從機的應答 Delay_OneWire(10);//14 initflag=DQ;//從機將總線拉低，表示復位正確，否則失敗 Delay_OneWire(5); returninitflag;}10.2.2.DS18B20的單總線數(shù)據(jù)通信過程3.數(shù)據(jù)寫，通過單總線向DS18B20寫一個字節(jié)voidWrite_DS18B20(unsignedchardat){ unsignedchari; for(i=0;i<8;i++)//循環(huán)8次，完成8個位的傳輸 { DQ=0;//搶占總線 DQ=dat&0x01;//LSB開始 Delay_OneWire(5); DQ=1;//釋放總線 dat>>=1; } Delay_OneWire(5);}10.2.2.DS18B20的單總線數(shù)據(jù)通信過程4.數(shù)據(jù)讀，從DS18B20讀取一個字節(jié)unsignedcharRead_DS18B20(void){ unsignedchari; unsignedchardat; for(i=0;i<8;i++)//循環(huán)8次，讀完整字節(jié) { DQ=0;//下降沿，提醒從機有事件

10.2.2.DS18B20的單總線數(shù)據(jù)通信過程 dat>>=1; DQ=1;//釋放總線 if(DQ)//dat初始化是0，如果讀到1，就改變dat的值 { dat|=0x80;//先獲得LSB，最后MSB } Delay_OneWire(5); } returndat;}任務1.DS18B20溫度測量應用開發(fā)圖10.2-9是DS18B20電路連接圖，使用表10.2-5的通信過程。圖10.2-9DS18B20連接電路表10.2-4推薦通信過程，注意：Tx是主機發(fā)送數(shù)據(jù)給從機，Rx表示主機等待從機發(fā)送數(shù)據(jù)給它。序號MastermodeData（LSBfirst）說明1TxReset主機發(fā)布復位脈沖2RxPresenceDS18B20應答脈沖3TxCCh主機發(fā)布跳過ROM命令4Tx44h主機發(fā)布溫度轉(zhuǎn)換命令5

等待等待18B20轉(zhuǎn)換結(jié)束，等待時間見表6TxReset主機發(fā)布復位脈沖7RxPresenceDS18B20應答脈沖8TxCCh主機發(fā)布跳過ROM命令9TxBEh主機發(fā)布溫度讀取命令10Rx9databytes18B20將暫存寄存器的內(nèi)容發(fā)送給主機。任務1.DS18B20溫度測量應用開發(fā)具體任務要求如下：1.查詢DS18B20的溫度值，要求能顯示正溫度和負溫度，正數(shù)的時候符號位數(shù)碼管熄滅，負數(shù)的時候符號位顯示“-”。2.按鍵切換是否顯示小數(shù)點后溫度值，第一次按下，帶小數(shù)的顯示，溫度值精確到小數(shù)點后3位；再次按下溫度值只顯示整數(shù)部分。-25℃整數(shù)的顯示格式：

-25.125℃小數(shù)的顯示格式：任務1.DS18B20溫度測量應用開發(fā)3.為了調(diào)試方便，溫度值同步發(fā)送到電腦串口。任務分析：單片機按照表10.2-5的流程讀寫DS18B20獲取溫度值。unsignedintrd_temperature(void){unsignedinttemp;unsignedcharlow,high;init_ds18b20();Write_DS18B20(0xCC);Write_DS18B20(0x44);//啟動溫度轉(zhuǎn)換任務1.DS18B20溫度測量應用開發(fā)Delay_OneWire(200);init_ds18b20();Write_DS18B20(0xCC);Write_DS18B20(0xBE);//讀取寄存器low=Read_DS18B20();//低字節(jié)high=Read_DS18B20();//高字節(jié) temp=(high&0x0f); temp<<=8; temp|=low; returntemp;}任務1.DS18B20溫度測量應用開發(fā)1.由于DS18B20的溫度有兩個字節(jié)構(gòu)成，在上面的程序中我們用一個int整型數(shù)據(jù)類型的變量temp保存溫度值。數(shù)據(jù)格式如下：當這個變量右移四位就是溫度值的整數(shù)部分，最后4位和最小分辨率相乘就是小數(shù)點后的溫度值。因此，顯示整數(shù)的時候，我們讓獲取的溫度值右移四位，在顯示小數(shù)的時候，將獲取溫度值的最后四位乘以分辨率。任務1.DS18B20溫度測量應用開發(fā)2.主要過程說明如下：（1）增加關(guān)于18B20單總線讀寫的函數(shù)文件和頭文件，如圖10.2-11所示。圖10.2-10工程文件目錄任務1.DS18B20溫度測量應用開發(fā)（2）定時器定期采集溫度值/******定時器0中斷服務函數(shù)***********************/voidisr_timer_0(void)interrupt1{ staticunsignedintintr=0; inttemp; intr++; display(); //每隔1ms數(shù)碼管動態(tài)移位顯示一次 if(intr==1000) //每隔1s讀溫度傳感器內(nèi)容一次 { intr=0;任務1.DS18B20溫度測量應用開發(fā)temp=rd_temperature(); temp_integer=temp>>4; //整數(shù)部分 temp_fraction=temp&0x0f;//小數(shù)部分 S=(temp_integer>>7);//正負號 sprintf(test_temp,"%s%6.3f%c%c","temperature:",temp*0.0625,'\r','\n');//串口發(fā)送內(nèi)容 } }任務1.DS18B20溫度測量應用開發(fā)二維碼10.2-1DS18B20測溫應用編程任務30具體代碼參考二維碼10.2-1：10.2.3.擴展閱讀：關(guān)于sprintf()函數(shù)庫函數(shù)sprintf（）是字符串寫入函數(shù)，能把格式化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字符串。該函數(shù)是庫函數(shù)，所以在使用該函數(shù)之前，要包含stdio.h頭文件。任務30中使用sprintf函數(shù)將溫度值轉(zhuǎn)換成了字符串。函數(shù)原型：intsprintf(char*buffer,constchar*format,[argument]...);功能：將format規(guī)定的文本數(shù)據(jù)寫入到字符串buffer里。format是文本格式，雙引號引起來：“%[標識符][寬度][.精度]指示符”%——格式的提示符，必須有。標識符：填空字元，0表示不夠長度的自動加0，可選。寬度：字符總寬度，可選。精度：小數(shù)點后的位數(shù)，可選。指示符：常用的有，d——十進制整數(shù)；f——精度值；c——字符；s——字符串，必須有。10.2.3.擴展閱讀：關(guān)于sprintf()函數(shù)舉例：sprintf(test_temp,"%s%7.3f%c%c","temperature:",temp*0.0625,'\r','\n');//假設溫度值是24.625攝氏度字符串test_temp的文本格式是"%s%7.3f%c%c"：%s——字符串，無需轉(zhuǎn)換，長度由實際內(nèi)容決定。%7.3f——將精度值轉(zhuǎn)換成字符串，字符總寬度是7，小數(shù)點后浮點數(shù)是3位。%c——單個字符，無需轉(zhuǎn)換，長度是1.結(jié)果：test_temp={'t','e','m','p','e','r','a','t','u','r','e',':','0','2','4','.','6','2','5','\r','\n','0'};庫函數(shù)sprintf()的執(zhí)行結(jié)果：字符數(shù)組變量test_temp有21個字符，將溫度變量temp成功轉(zhuǎn)換成一串打印字符。10.3.超聲波數(shù)據(jù)的讀取所謂超聲波，是指人耳聽不見的聲波。正常人的聽覺在16Hz-20KHz，低于16Hz的聲波稱為次聲