數(shù)字化無線溫度傳感器的設(shè)計與開發(fā)畢業(yè)設(shè)計

1、武漢紡織大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書課題名稱：數(shù)字化無線溫度傳感器的設(shè)計與開發(fā) 一、課題訓(xùn)練內(nèi)容1. 使學(xué)生進一步鞏固和加深對基礎(chǔ)理論、基本技能和專業(yè)知識的認識與掌握，使之系統(tǒng)化、綜合化。培養(yǎng)學(xué)生綜合運用基礎(chǔ)知識和基本技能進行分析問題和解決實際問題的能力，將理論與實踐結(jié)合。2. 培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計計算、工程繪圖、實驗方法、數(shù)據(jù)處理、文件編輯、文字表達、文獻查閱的能力，熟練掌握VISIO 、AUTOcad 、CAD、 protell 、Matlab等專業(yè)軟件應(yīng)用和調(diào)試等基本實踐能力，提高外文資料的閱讀和翻譯的基本技能，使學(xué)生初步掌握科學(xué)研究的基本方法。3. 使學(xué)生樹立符合國情和生產(chǎn)實際的正確設(shè)計思想和

2、觀點，培養(yǎng)嚴謹、負責(zé)、實事求是、刻苦鉆研、勇于探索、具有創(chuàng)新意識、善于與他人合作和交流的團隊作風(fēng)。4. 使學(xué)生獲得從事科研工作的初步訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生獨立工作、獨立思考和綜合運用已學(xué)知識解決實際問題的能力，尤其注重培養(yǎng)學(xué)生獨立獲取新知識和解決新問題的能力。二、設(shè)計（論文）任務(wù)和要求1、設(shè)計任務(wù)1) 基于無線溫度傳感器的總體方案設(shè)計與論證，并選定研究對象。2） 搜集資料，掌握無線溫度傳感器的基本原理。3） 編寫程序，畫好實驗圖，做好設(shè)計實驗并得出數(shù)據(jù)。4） 分析數(shù)據(jù)并得出實驗結(jié)果。5） 結(jié)束與展望。2、設(shè)計要求1） 實驗應(yīng)當穩(wěn)定并精確的進行。2） 得出數(shù)據(jù)并與預(yù)想吻合。3） 完成系統(tǒng)框圖和詳細原理圖

3、，并對各部分進行詳細說明。4） 設(shè)計要考慮經(jīng)濟性、實用性和可靠性。5） 按武漢紡織大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）格式模板要求書寫畢業(yè)設(shè)計報告三、畢業(yè)設(shè)計（論文）主要參考資料1無線溫度傳感器的設(shè)計.選自傳感器技術(shù)2王道憲Microchip PIC系列單片機原理，應(yīng)用與開發(fā)國防工業(yè)出版社3何立民單片機應(yīng)用技術(shù)選編10北京航空航天大學(xué)出版社4許海燕，盧偉，楊晨暉，吳蕓低功耗嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計福建廈門大學(xué)計算機科學(xué)系5何立民嵌入式應(yīng)用中的零功耗設(shè)計北京航空航天大學(xué)6沙占友智能溫度傳感器的發(fā)展趨勢石家莊河北科技大學(xué)電子信息工程系7馬云峰，陳子夫，李培全數(shù)字溫度傳感器DS18B20的原理與應(yīng)用(山東濰坊)學(xué)院自動化系

4、）8李景友，侯瑩多通道溫度循環(huán)監(jiān)測儀9胡生清，幸國全AD590溫度傳感器的非線性補償及應(yīng)用J傳感器技術(shù)四、畢業(yè)設(shè)計（論文）進度表武漢紡織大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）進度表序號起止日期計劃完成內(nèi)容實際完成情況檢查人簽名檢查日期12010.2.22-2010.3.2查閱資料，了解無線溫度傳感器的基本知識。22010.3.3-2010.3.10確定研究方向。 32010.3.11-2010.3.14完成開題報告。42010.3.15-2010.3.28改進不足，完善設(shè)計方案。52010.3.29-2010.4.18制定任務(wù)書62010.4.19-2010.4.25搜集、整理編程相關(guān)輔助資料和工具。72010

5、.4.26-2010.5.2畫好程序流程圖圖。102010.5.3-2010.5.10編寫控制程序，進行實驗并得出結(jié)果112010.5.11-2010.5.27完成撰寫畢業(yè)論文所需工作，準備答辯。武漢紡織大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告課題名稱數(shù)字化無線溫度傳感器的設(shè)計與開發(fā)院系名稱外經(jīng)貿(mào)學(xué)院專 業(yè)電氣工程班 級電氣0722學(xué)生姓名廖 銳一、課題研究的意義目前集成化智能傳感器技術(shù)發(fā)展非常迅速，然而由于我國國有資金和技術(shù)等方面的不足，在此方面的研究上同國外的差距還很大。 集成化智能傳感器研制是較新的發(fā)展方向，具有廣闊的市場空間，它主要利用集成電路的工藝和微機械加工技術(shù)取得研究進展；但比國外集成電路的

6、主流工藝要落后到兩代以上。如果我國把集成智能傳感器的研制和生產(chǎn)作為半導(dǎo)體工藝的主要發(fā)展方向之一，就可以在現(xiàn)有的集成電路工藝和微機械加工的優(yōu)勢的基礎(chǔ)上另辟蹊徑，使集成智能傳感器的研制與生產(chǎn)具有一定功能模塊化能力，為傳感器產(chǎn)業(yè)的集成化智能化發(fā)展積累新的技術(shù)經(jīng)驗，并拓展應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性，使其成為未來傳感器發(fā)展的主流。 二、所屬領(lǐng)域的發(fā)展狀況近年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，國外一些著名的公司和高等院校正在大力開展有關(guān)集成智能傳感器的研制，國內(nèi)一些著名的高校和研究所也積極跟進，集成化智能傳感器技術(shù)取得了令人矚目的發(fā)展。 大規(guī)模集成電路技術(shù)和微機械加工技術(shù)的迅猛發(fā)展，為傳感器向集成化、智能化方向發(fā)展奠定了

7、基礎(chǔ)，集成智能傳感器在應(yīng)用領(lǐng)域成為傳感器發(fā)展的新趨勢。 集成智能傳感器采用微機械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用硅作為基本材料來制作敏感元件、信號調(diào)制電路，以及微處理器單元，并把它們集成在一塊芯片上。這樣，使智能傳感器達到了微型化和結(jié)構(gòu)一體化，從而提高了精度和穩(wěn)定性。 目前，市場上的集成智能傳感器已經(jīng)成為研究熱點，其發(fā)展方向主要有以下幾個方面： (1)向微型化發(fā)展； (2)應(yīng)用新的物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)、生物效應(yīng)作為傳感器原理； (3)使用新型材料； (4)向微功耗及無源化發(fā)展； (5)采用新的加工技術(shù)(如化學(xué)微腐技術(shù)、微機械加工技術(shù))； (6)向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展。三、本課題的研究內(nèi)

8、容數(shù)字化無線溫度傳感器的設(shè)計應(yīng)包含兩個部分：一部分是溫度測量(發(fā)射)電路，一部分是溫度處理(接收)電路。溫度測量部分由傳感器、MCU、和無線發(fā)射模塊構(gòu)成。溫度處理部分由無線接收模塊、MCU、與上位機通訊的接口電路構(gòu)成。其系統(tǒng)原理框圖如下所示：12CI/O溫度傳感器發(fā)射模塊接收模塊上位機USART12C圖2 溫度處理部分原理框圖采用AD590作為傳感器。AD590是AD公司利用PN結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。這種器件在被測溫度一定時，相當于一個恒流源。該器件具有良好的線性和互換性，測量精度高，并具有消除電源波動的特性。即使電源在5-15V之間變化，其電流只是在l以下作微

9、小變化。但是AD590是集成模擬傳感器，需要進行AD轉(zhuǎn)換才能與控制器連接。四、研究方法及方案1、傳感器方案 溫度傳感器的種類很多，選擇的空間就很廣闊，可以使用熱電偶，熱電阻等測溫元件，也可以選用集成溫度傳感器。 方案一：采用AD590作為傳感器。AD590是AD公司利用PN結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。這種器件在被測溫度一定時，相當于一個恒流源。該器件具有良好的線性和互換性，測量精度高，并具有消除電源波動的特性。即使電源在5-15V之間變化，其電流只是在l以下作微小變化。但是AD590是集成模擬傳感器，需要進行AD轉(zhuǎn)換才能與控制器連接。 方案二：選用單線數(shù)字溫度傳感器D

10、Sl8B20，它與其他傳感器相比有以下幾個優(yōu)點：(1)單總線，節(jié)省IO 口線；(2)數(shù)字化，內(nèi)部自帶AD，編程方便；(3)集成度高，外圍硬件電路簡單；(4)精度高，測溫分辨率可達0.0625；本設(shè)計中選用DS18B20作為溫度傳感器。2、 微處理器方案 方案一：主機采用以89C51系列單片機為核心的微控制器完成對無線發(fā)射接收模塊的控制，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集。由于受單片機指令運行速度的影響，影響到它的數(shù)據(jù)采集能力，而且它不具有低功耗狀態(tài)，不能滿足低功耗的要求。 方案二：以高速數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320F240為中央處理單元，配以極少的外圍電路構(gòu)成了檢測器的核心控制部件。本方案的主要優(yōu)點：

11、速度快，執(zhí)行速度達到20MIPS，幾乎所有的指令可以在50ns的單周期內(nèi)完成，如此高的性能非常適合實時數(shù)據(jù)采集。 硬件結(jié)構(gòu)簡單，具有豐富的可編程多路復(fù)用IO引腳，能實現(xiàn)對溫度傳感器、鍵盤顯示接口、輸出打印接口的編程功能。 軟件編程靈活，可采用C語言與匯編語言混合編程。 但其價格昂貴，功能強大，用在此處屬于大材小用。 方案三：以PIC系列單片機作為中央處理單元，本方案具有前兩個方案無法取代的優(yōu)點： 1) 選型靈活，PIC系列從低到高有幾十個型號，可以滿足各種需要。 2) 精簡指令使其執(zhí)行效率大為提高。 3) 睡眠和低功耗模式。雖然PIC在這方面已不能與新型的TIMSP430相比，但在大多數(shù)應(yīng)用場

12、合還是能滿足需要的?；诘凸牡脑O(shè)計要求，本設(shè)計中采用，PIC系列單片機作為中央處理單元。3、 射頻模塊方案方案一：采用PTR2000作為無線收發(fā)模塊，其集成度相對較高，外圍硬件電路簡單，收發(fā)一體，但因為是無線通信，在通信過程中易受干擾，誤碼率高。方案二：采用PTR4000作為無線收發(fā)模塊，它含有CRC硬件校驗，當PTR4000接收到數(shù)據(jù)與攝制的本機地址一致且CRC效驗正確時，才把接收到的數(shù)據(jù)以中斷方式傳給CPU，誤碼率低，與PTR2000相比較，其可靠性高。本設(shè)計中采用PTR4000作為無線收發(fā)模塊。4、 串行通訊方案 方案一:采用RS-422A標準規(guī)定了差分平衡的電氣接口，它采用平衡驅(qū)動和

13、差分接收的方法。這相當于兩個單端驅(qū)動器，輸入同一信號時，其中一個驅(qū)動器的輸出永遠是另一個驅(qū)動器的反向信號。 方案二:采用RS-485接口，它是RS-422A的變型，它與RS-422A的區(qū)別在于：RS-422A為全雙工，采用兩對平衡差分信號線；而RS-485為半雙工，采用一對平衡差分信號線。RS-485對于多站互連是十分方便的。RS-485標準允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器?？偩€兩端接匹配電阻(100左右)，驅(qū)動器負載為54。驅(qū)動器輸出電平在-1.5V以下時為邏輯“l(fā)"，在+1.5V以上時為邏輯“O。接收器輸入電平在-0.2V以下時為邏輯“l(fā)"，在+0.2V以上時為邏

14、輯“0。RS-485傳輸速率最高為10Mbit/s，最大電纜長度為1200米。 方案三：采用RS-232C接口。它是異步串行通訊中應(yīng)用最廣泛的標準總線，它包括了按位串行傳輸?shù)碾姎夂蜋C械方面的規(guī)定。適用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備之間的接口。本設(shè)計中采用RS-232C接口進行異步通訊即可滿足要求。五、主要參考資料1無線溫度傳感器的設(shè)計.選自傳感器技術(shù)2王道憲Microchip PIC系列單片機原理，應(yīng)用與開發(fā)國防工業(yè)出版社3何立民單片機應(yīng)用技術(shù)選編10北京航空航天大學(xué)出版社4許海燕，盧偉，楊晨暉，吳蕓低功耗嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計福建廈門大學(xué)計算機科學(xué)系5何立民嵌入式應(yīng)用中的零功耗設(shè)計北京航空航天大學(xué)6

15、沙占友智能溫度傳感器的發(fā)展趨勢石家莊河北科技大學(xué)電子信息工程系7馬云峰，陳子夫，李培全數(shù)字溫度傳感器DS18B20的原理與應(yīng)用(山東濰坊)學(xué)院自動化系）8李景友，侯瑩多通道溫度循環(huán)監(jiān)測儀9胡生清，幸國全AD590溫度傳感器的非線性補償及應(yīng)用J傳感器技術(shù)指導(dǎo)教師簽名： 2009年5月12日畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助

16、和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他

17、個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日摘 要集成化智能傳感器概念的提出僅僅十余年，但近年發(fā)展很快，

18、國外刊物上關(guān)于新型集成化智能傳感器研制的報道很多，國內(nèi)一些著名高校和研究所也在開展此類工作。和經(jīng)典的傳感器相比，集成化智能傳感器具有體積小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精密度高以及功能強大等優(yōu)點。集成化智能傳感器的優(yōu)點使它成為目前傳感器研究的熱點和傳感器發(fā)展的主要方向，必將主宰下個世紀的傳感器市場。文本的數(shù)字化無線溫度傳感器具有集成化、智能化的特點，它由溫度測量（發(fā)射部分）、溫度處理（接收部分）和溫度值顯示（上位機）三部分構(gòu)成。溫度測量采用一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20,其體積小，集成度高自帶A/D，功耗低。處理器選用低功耗單片機PIC16F74。溫度傳輸采用超低功耗發(fā)射接收模塊PT

19、R4000，以I2C方式與處理器通訊。PTR4000在測量點接受傳感器的數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)以無線方式傳輸出去，接收部分通過接受模塊（PTR4000）接收數(shù)據(jù)，并進行數(shù)字濾波，同時將接收到的數(shù)據(jù)以異步串行通信方式傳給上位機。關(guān)鍵詞：PIC16F74； 低功耗； 無線； 數(shù)字化； I2C總線Abstract The integration turns the submission of the brain sensor, transducer notion only more than ten years,but the recent years shape is very quick .The sen

20、sor，transducer of the sum classic compare，the integration turns the sensor，transducer of brain to have the solid measure sterigma，cost low,the work consumes the sterigma,partial velocity quick,the reliability higher-,the accuracy higher-and the function strong etcmeritThe integration turns the merit

21、 of the sensor，transducer of brain to make it become the hot spot of the sensor,transducer researcn and the cardinal direction of the sensor，transducer shape currently，will dominate the sensor，transducer market place of the next age necessarilyThe textual temperature transducer，temperature sensor of

22、 digitize wireless has namely the integration turn,the brain turn of characteristics，it is measure(the emission fraction)by the gradient of temeprature，the gradient of temeprature treating(the reception fraction) sum gradient of temeprature is worth three fraction constituent s of display(the place

23、of honor machine)The gradient of temeprature survey adoption is a glimmer of to make the numerical temperature transducer，temperature sensor DSl8B20The low work of the treater application consumes the single sheet machine PIC16F74The gradient of temeprature transmission adopts the super and low work

24、 to consume the emission reception shuttering cake PTR4000，with the mode and treater telecommunicationsPTR4000 at measure the data of the dot reception sensor，transducer amalgamation the data the transmission goes out by wireless，receiving the fraction to pass to accept the shuttering cake(PTR4000)r

25、eceive data，the data that will receive passes the place of honor machine with the nonsynchronous string row correspondence method at the same time.Keywords：PICl6F74 ； low_Power； Wireless；Digital；I2C目 錄1 選題背景 11.1 分析內(nèi)容 11.2 國內(nèi)、國外現(xiàn)狀及發(fā)展情況 21.3 來源及意義 32 方案論證 52.1 總體方案設(shè)計 52.2 傳感器方案 52.3 微處理器方案 62.4 射頻模塊方

26、案 72.5 串行通訊方案 73 硬件原理與實現(xiàn) 83.1 PIC系列單片機 8 PIC系列微控制器硬件結(jié)構(gòu)特點 9 PIC系列微控制器技術(shù)性能特點 11 PIC16F74單片機 133.2 溫度傳感器DS18B20 213.3 無線模塊PTR4000 263.4 串行接口 304 技術(shù)要點 314.1 低功耗設(shè)計 31 實現(xiàn)低功耗的措施 31 嵌入式系統(tǒng)中的零功耗設(shè)計 33 本設(shè)計中的低功耗技術(shù) 354.2 軟件抗干擾技術(shù) 36 軟件出錯對系統(tǒng)的傷害 36 數(shù)字濾波方法 36 軟件冗余技術(shù) 394.3 I2C總線技術(shù) 405 軟件設(shè)計 445.1 溫度采集程序的實現(xiàn) 445.2 PTR400

27、0的軟件編程 515.3 上位機界面設(shè)計 545.4 工作流程 55參考文獻 56英文資料57中文翻譯60結(jié)束語 63致 謝 641 選題背景1.1 分析內(nèi)容本課題的研究涉及兩方面內(nèi)容，其一是無線通訊技術(shù)，其二是數(shù)字化傳感器技術(shù)。再將這兩方面結(jié)合到一起的同時，研究低功耗的設(shè)計方法及無線傳輸中仰制噪音的濾波算法。在以單片機為核心的控制硬件電路設(shè)計上，采用及篩選低功耗的電子元件與集成電路，進行低功耗線路設(shè)計和線路板優(yōu)化；在軟件控制上采用降低功耗的休眠技術(shù)及采樣周期優(yōu)化，以期達到最大限度地降低計量儀表功耗，延長電池壽命。本設(shè)計中的測溫范圍在O100之間，測溫精度為±0.2，要求靜態(tài)功耗電流

28、小于10，動態(tài)功耗電流小于8mA，無線傳輸距離大于10米，傳輸速率為19.2Kbps 本設(shè)計中利用無線技術(shù)和數(shù)字化集成溫度傳感器技術(shù)，研制數(shù)字化無線集成溫度傳感器，以確保熱量表一體化，解決現(xiàn)有熱量表需有線測量回水溫度帶來的可靠性、安全性差等諸多問題。1.2國內(nèi)、國外現(xiàn)狀及發(fā)展情況目前集成化智能傳感器技術(shù)發(fā)展非常迅速，然而由于我國國有資金和技術(shù)等方面的不足，在此方面的研究上同國外的差距還很大。 集成化智能傳感器研制是較新的發(fā)展方向，具有廣闊的市場空間，它主要利用集成電路的工藝和微機械加工技術(shù)取得研究進展；但比國外集成電路的主流工藝要落后到兩代以上。如果我國把集成智能傳感器的研制和生產(chǎn)作為半導(dǎo)體工

29、藝的主要發(fā)展方向之一，就可以在現(xiàn)有的集成電路工藝和微機械加工的優(yōu)勢的基礎(chǔ)上另辟蹊徑，使集成智能傳感器的研制與生產(chǎn)具有一定功能模塊化能力，為傳感器產(chǎn)業(yè)的集成化智能化發(fā)展積累新的技術(shù)經(jīng)驗，并拓展應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性，使其成為未來傳感器發(fā)展的主流。 電子自動化產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展與進步促使傳感器技術(shù)、特別是集成智能傳感器技術(shù)日趨活躍起來，近年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，國外一些著名的公司和高等院校正在大力開展有關(guān)集成智能傳感器的研制，國內(nèi)一些著名的高校和研究所也積極跟進，集成化智能傳感器技術(shù)取得了令人矚目的發(fā)展。 大規(guī)模集成電路技術(shù)和微機械加工技術(shù)的迅猛發(fā)展，為傳感器向集成化、智能化方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，集成智

30、能傳感器在應(yīng)用領(lǐng)域成為傳感器發(fā)展的新趨勢。 集成智能傳感器采用微機械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用硅作為基本材料來制作敏感元件、信號調(diào)制電路，以及微處理器單元，并把它們集成在一塊芯片上。這樣，使智能傳感器達到了微型化和結(jié)構(gòu)一體化，從而提高了精度和穩(wěn)定性。 目前，市場上的集成智能傳感器已經(jīng)成為研究熱點，其發(fā)展方向主要有以下幾個方面： (1)向微型化發(fā)展； (2)應(yīng)用新的物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)、生物效應(yīng)作為傳感器原理； (3)使用新型材料； (4)向微功耗及無源化發(fā)展； (5)采用新的加工技術(shù)(如化學(xué)微腐技術(shù)、微機械加工技術(shù))； (6)向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展。一 集成智能傳感器四大熱點：1

31、物理轉(zhuǎn)化機理 由于集成智能傳感器可以很容易對非線性的傳遞函數(shù)進行校正，得到一個線性度非常好的輸出結(jié)果，從而消除了非線性傳遞對傳感器應(yīng)用的制約，所以一些科研工作者正在對這些穩(wěn)定性好、精確度高、靈敏度高的轉(zhuǎn)換機理或材料進行研究。 比如，諧振式傳感器具有高穩(wěn)定性、高精度、準數(shù)字化輸出等許多優(yōu)點，但傳統(tǒng)的傳感器頻率信號檢測需要較復(fù)雜的設(shè)備，限制了諧振式傳感器的應(yīng)用和發(fā)展，現(xiàn)在利用同一硅片上集成的智能檢測電路，可以迅速提取頻率信號，使得諧振式微機械傳感器成為國際上傳感器領(lǐng)域的一個研究熱點。2數(shù)據(jù)融合理論 數(shù)據(jù)融合是集成智能傳感器理論的重要領(lǐng)域，也是各國研究的熱點，數(shù)據(jù)融合技術(shù)，簡言之，即對多個傳感器或多

32、源信息進行綜合處理，從而得到更為準確、可靠的結(jié)論。對于多個傳感器組成的陣列，數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠充分發(fā)揮各個傳感器的特點，利用其互補性、冗余性，提高測量信息的精度和可靠性，延長系統(tǒng)的使用壽命。 數(shù)據(jù)融合是一種數(shù)據(jù)綜合和處理技術(shù)，是許多傳統(tǒng)學(xué)科和新技術(shù)的集成和應(yīng)用，如通信、模式識別、決策論、不確定性理論、信號處理、估計理論、最優(yōu)化技術(shù)、計算機科學(xué)、人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。近年來，不少學(xué)者又將遺傳算法、小波分析技術(shù)、虛擬技術(shù)引入數(shù)據(jù)融合技術(shù)中。3CMOS工藝兼容 目前，國外在研究二次集成技術(shù)的同時，集成智能傳感器在工藝上的研究熱點集中在研制與CMOS工藝兼容的各種傳感器結(jié)構(gòu)及制造工藝流程，探求在制造工藝

33、和微機械加工技術(shù)上有所突破。 利用CMOS工藝兼容的集成濕度傳感器將敏感電容和處理電路集成在一塊硅片上，通過Coventor模擬得到全量程總的敏感濕敏電容變化值，同時提高了可靠性并降低了成本，隨著微機械加工技術(shù)的逐步發(fā)展，使得以CMOS工藝技術(shù)制造的集成濕度傳感器已經(jīng)成為當前研究的熱點。圖像傳感器在CMOS工藝兼容基礎(chǔ)上使得其動態(tài)范圍擴展技術(shù)有所進步。4傳感器的微型化 集成智能傳感器的微型化決不僅僅是尺寸上的縮微與減少，而是一種具有新機理、新結(jié)構(gòu)、新作用和新功能的高科技微型系統(tǒng)，并在智能程度上與先進科技融合。其微型化主要基于以下發(fā)展趨勢：尺寸上的縮微和性質(zhì)上的增強性；各要素的集成化和用途上的多

34、樣化；功能上的系統(tǒng)化、智能化和結(jié)構(gòu)上的復(fù)合性。 本設(shè)計中的無線溫度傳感器為正在研究中的科研項目，暫時只用各種器件臨時組合，如果方案進入成熟階段，可將其集成在一塊芯片上，實現(xiàn)其微型化。1.3 來源及意義 現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集(即傳感器技術(shù))、信息傳輸(通信技術(shù))和信息處理(計算機技術(shù))。傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，數(shù)量高居各種傳感器之首。近百年來，溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段；(1)傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件)；(2)模擬集成溫度傳感器控制器；(3)智能溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式

35、向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。 進入2 1世紀后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。 隨著國家對城鎮(zhèn)供熱采暖采用熱量計量的不斷推廣，熱量表項目將成為一項高科技、高效益的投資項目，將帶動起一個年產(chǎn)值幾百億的新興產(chǎn)業(yè)群，并且它的持續(xù)發(fā)展期在1 5年以上。在國家有關(guān)政策的引導(dǎo)下，目前，全國各地正在進行供熱分戶改造，未來幾年內(nèi)，國家將逐步實行按甩熱量分戶計量收費，屆時將會催生一個非常龐大的實時在線供熱表市場。因此，戶用熱量計是給暖商品化必不可少的工具，也是建筑節(jié)能的一項重要措，隨著供暖事

36、業(yè)的發(fā)展必將得到普遍應(yīng)用。無線溫度傳感器作為熱表的一部分，用來測量回水溫度。 本設(shè)計中的無線溫度傳感器是測量回水溫度的部件，以解決目前國內(nèi)外熱量表生產(chǎn)單位普遍采用的有線采集回水溫度帶來的施工安裝不便及可靠性低這一突出的共性問題。以適應(yīng)我國民用計量儀表使用的實際現(xiàn)狀，達到節(jié)約能源和供需平衡的目的。2 方案論證2.1 總體方案設(shè)計數(shù)字化無線溫度傳感器的設(shè)計應(yīng)包含兩個部分：一部分是溫度測量(發(fā)射)電路，一部分是溫度處理(接收)電路。溫度測量部分由傳感器、MCU、和無線發(fā)射模塊構(gòu)成。溫度處理部分由無線接收模塊、MCU、與上位機通訊的接口電路構(gòu)成。其系統(tǒng)原理框圖如下所示：12CI/O溫度傳感器發(fā)射模塊圖

37、1 溫度測量部分原理框圖接收模塊上位機USART12C圖2 溫度處理部分原理框圖2.2 傳感器方案 溫度傳感器的種類很多，選擇的空間就很廣闊，可以使用熱電偶，熱電阻等測溫元件，也可以選用集成溫度傳感器。 方案一：采用AD590作為傳感器。AD590是AD公司利用PN結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。這種器件在被測溫度一定時，相當于一個恒流源。該器件具有良好的線性和互換性，測量精度高，并具有消除電源波動的特性。即使電源在5-15V之間變化，其電流只是在l以下作微小變化。但是AD590是集成模擬傳感器，需要進行AD轉(zhuǎn)換才能與控制器連接。 方案二：選用單線數(shù)字溫度傳感器DSl8B

38、20，它與其他傳感器相比有以下幾個優(yōu)點：(1)單總線，節(jié)省IO 口線；(2)數(shù)字化，內(nèi)部自帶AD，編程方便；(3)集成度高，外圍硬件電路簡單；(4)精度高，測溫分辨率可達0.0625；本設(shè)計中選用DS18B20作為溫度傳感器。2.3 微處理器方案 方案一：主機采用以89C51系列單片機為核心的微控制器完成對無線發(fā)射接收模塊的控制，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集。由于受單片機指令運行速度的影響，影響到它的數(shù)據(jù)采集能力，而且它不具有低功耗狀態(tài)，不能滿足低功耗的要求。 方案二：以高速數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320F240為中央處理單元，配以極少的外圍電路構(gòu)成了檢測器的核心控制部件。本方案的主要優(yōu)點： 速度快

39、，執(zhí)行速度達到20MIPS，幾乎所有的指令可以在50ns的單周期內(nèi)完成，如此高的性能非常適合實時數(shù)據(jù)采集。 硬件結(jié)構(gòu)簡單，具有豐富的可編程多路復(fù)用IO引腳，能實現(xiàn)對溫度傳感器、鍵盤顯示接口、輸出打印接口的編程功能。 軟件編程靈活，可采用C語言與匯編語言混合編程。 但其價格昂貴，功能強大，用在此處屬于大材小用。 方案三：以PIC系列單片機作為中央處理單元，本方案具有前兩個方案無法取代的優(yōu)點： 1) 選型靈活，PIC系列從低到高有幾十個型號，可以滿足各種需要。 2) 精簡指令使其執(zhí)行效率大為提高。 3) 睡眠和低功耗模式。雖然PIC在這方面已不能與新型的TIMSP430相比，但在大多數(shù)應(yīng)用場合還是

40、能滿足需要的。基于低功耗的設(shè)計要求，本設(shè)計中采用，PIC系列單片機作為中央處理單元。2.4 射頻模塊方案方案一：采用PTR2000作為無線收發(fā)模塊，其集成度相對較高，外圍硬件電路簡單，收發(fā)一體，但因為是無線通信，在通信過程中易受干擾，誤碼率高。方案二：采用PTR4000作為無線收發(fā)模塊，它含有CRC硬件校驗，當PTR4000接收到數(shù)據(jù)與攝制的本機地址一致且CRC效驗正確時，才把接收到的數(shù)據(jù)以中斷方式傳給CPU，誤碼率低，與PTR2000相比較，其可靠性高。本設(shè)計中采用PTR4000作為無線收發(fā)模塊。2.5 串行通訊方案 方案一:采用RS-422A標準規(guī)定了差分平衡的電氣接口，它采用平衡驅(qū)動和差

41、分接收的方法。這相當于兩個單端驅(qū)動器，輸入同一信號時，其中一個驅(qū)動器的輸出永遠是另一個驅(qū)動器的反向信號。 方案二:采用RS-485接口，它是RS-422A的變型，它與RS-422A的區(qū)別在于：RS-422A為全雙工，采用兩對平衡差分信號線；而RS-485為半雙工，采用一對平衡差分信號線。RS-485對于多站互連是十分方便的。RS-485標準允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器?？偩€兩端接匹配電阻(100左右)，驅(qū)動器負載為54。驅(qū)動器輸出電平在-1.5V以下時為邏輯“l(fā)"，在+1.5V以上時為邏輯“O。接收器輸入電平在-0.2V以下時為邏輯“l(fā)"，在+0.2V以上時為邏輯

42、“0。RS-485傳輸速率最高為10Mbit/s，最大電纜長度為1200米。 方案三：采用RS-232C接口。它是異步串行通訊中應(yīng)用最廣泛的標準總線，它包括了按位串行傳輸?shù)碾姎夂蜋C械方面的規(guī)定。適用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備之間的接口。本設(shè)計中采用RS-232C接口進行異步通訊即可滿足要求。3 硬件原理與實現(xiàn)3.1PIC系列單片機 在微控制器(Microcontroller)應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛的今天，各個領(lǐng)域的應(yīng)用也向微控制器廠商提出了更高要求，希望速度更快、功耗更低、體積更小、價格更廉以及組成系統(tǒng)時所需要的外圍器件更少；隨著越來越多的各種非電子工程技術(shù)人員的應(yīng)用需求，他們想把微控制器作為嵌入

43、式部件應(yīng)用到自己熟悉的領(lǐng)域，還提出簡單易學(xué)用的要求，用戶的需求就是商家的市場和動力，老的半導(dǎo)體廠商順應(yīng)潮流不斷推出新品種，新的半導(dǎo)體廠商則后來居上，把越來越多的外圍接口器件集成到片內(nèi)，功能越來越強、性能越來越高。迄今為止，至少有35家半導(dǎo)體廠商的微控制器進入中國市場。應(yīng)該說，每一個廠商的微控制器能在市場上占有一定份額，肯定有它存在的道理，即各個不同公司的芯片有它自己的特點才能吸引住有特定要求的部分用戶。在這眾多的五彩繽紛的微控制器中，美國Microchip技術(shù)公司的PIC系列微控制器則異軍突起，獨樹一幟。它率先推出采用精簡指令集計算機RISC(Reduced Instruction Set C

44、omputer)、哈佛（Harvard）雙總線和兩級指令流水線結(jié)構(gòu)的高性能價格比的8位嵌入式控制器（Embedded Controller)。其高速度（每條指令最快可達160ns）、低電壓（最低工作電壓可為2V）、低功耗（3V，32kHz時15µA）、較大的輸入輸出電流直接驅(qū)動LED（灌電流可達25mA）、一次性編程OTP（One Time Programmable）芯片的低價位（最低的不到6元人民幣）、小體積（8引腳）、指令簡單易學(xué)易用等，都體現(xiàn)了微控制器工業(yè)發(fā)展的新趨勢。該公司推出了三個不同層次系列、幾十種產(chǎn)品來滿足不同的產(chǎn)品設(shè)計需要，這三個系列微控制器的每一種型號的芯片都含有片

45、內(nèi)程序存儲器，而且它們的指令系統(tǒng)向上兼容，用戶可以根據(jù)需要選擇具有各種不同外圍接口功能、不同封裝形式和不同電壓范圍的芯片；該公司還可以提供完整的可兼容的開發(fā)工具套件和世界范圍的現(xiàn)場應(yīng)用支持，所以這個系列的微控制器在市場上極具強勁的競爭力，在全球都可以看到PIC微控制器從辦公自動化設(shè)備、消耗電子產(chǎn)品、電訊通信、智能儀器儀表、到汽車電子、金融電子、工業(yè)控制等不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。PIC系列微控制器在世界微控制器市場份額排名逐年上升，在8位微控制器市場，已從1990年的第20位提高到1996年的第5位，以至成為一種新的8位微控制器的世界標準和最有影響力的主流嵌入式控制器。 PIC系列微控制器硬件結(jié)構(gòu)特

46、點1 精簡指令集計算機(RISC-like-Reduced Instruction Set Computer-like)結(jié)構(gòu)Microchip技術(shù)公司具有先進的類RISC結(jié)構(gòu)的PIC系列微控制器的簡潔性，為8位微計算機市場設(shè)立了一種事實上的新的性能標準。為了達到獨一無二的高速性能，PIC微控制器采用了小型機設(shè)計結(jié)構(gòu)。先進的類RISC結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在每一條高效率和功能強大的指令上。三個系列微控器的指令都是單字的寬字位指令：低檔、中檔和高檔系列的指令位數(shù)分別為12、14和16位，且分別只有33、35和58條指令，它們向上兼容其指令系統(tǒng)除了程序分支指令是單字雙周期指令外，其它指令都是單周期、單字指令，在這

47、些指令中，沒有功能相交叉的指令，使所有的指令具有簡潔性；而一般CISC(Complex Instruction Set Computer)結(jié)構(gòu)的微控制器通常有50到110條多字節(jié)多周期的指令。單字節(jié)指令提高了軟件編碼的效率和減少了所需要的程序存儲單元，使系統(tǒng)具有高處理性能和突出性能。另外，由于所用指令數(shù)較少和較簡潔，編程任務(wù)和調(diào)試相對就比較容易，而且學(xué)習(xí)和實現(xiàn)都非?？臁Ｔ谙嗤闆r上，PIC微控制器所需要的編碼比一般要少一半，其指令的高效率又可使編碼開發(fā)時間節(jié)約30。 (1) 指令流水線結(jié)構(gòu)可以在一個周期內(nèi)同時完成一條指令的執(zhí)行和下一條指令的取指。最大限度地提高了每個內(nèi)部時鐘周期的效率。 (2)

48、 高速的指令執(zhí)行時間，在20MHz時鐘情況下達到200ns，在25MHz時可達到160ns。在單周期內(nèi)可以對IO 口的任一位直接進行位操作。 程序分支指令CALL、GOTO和在PCL上的操作需要兩個周期的執(zhí)行時間，在20MHz的情況下為400ns。 (3) 由于采用寬字指令，在相同情況下，程序量大為減少，形成的代碼是一般微控制器的一半。2 哈佛(Harvard)雙總線結(jié)構(gòu) 其存儲結(jié)構(gòu)是基于哈佛雙總線概念，數(shù)據(jù)的指令傳輸總線完全分開以避免出現(xiàn)典型的普通CISC設(shè)計中經(jīng)常出現(xiàn)的處理瓶勁問題。 傳統(tǒng)的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的計算機是在同一個存儲空間取指令和數(shù)據(jù)(即普林斯頓結(jié)構(gòu))，兩者不能同時進行，

49、故限制了工作帶寬。而在哈佛結(jié)構(gòu)的計算機中，指令和數(shù)據(jù)空間是完全分開的。一個用于指令，一個用于數(shù)據(jù)。由于可以對程序和數(shù)據(jù)同時進行訪問，所以提高了數(shù)據(jù)吞吐率。正因為在PIC系列微控制器中采用了哈佛雙總線結(jié)構(gòu)，所以與常見的微控制器不同的一點是：程序和數(shù)據(jù)總線可以采用不同的寬度。數(shù)據(jù)總線都是8位的，但低檔、中檔和高檔系列的指令總線位數(shù)分別為12、14和16位。圖3是表示兩種不同結(jié)構(gòu)的示意圖。 CPU程序和數(shù)據(jù)存儲 馮.諾依曼結(jié)構(gòu)CPU數(shù)據(jù)存儲程序存儲 哈佛結(jié)構(gòu)圖3 兩種不同結(jié)構(gòu)的示意圖3兩級指令流水線結(jié)構(gòu)PIC系列微控制器的取指和執(zhí)行采用指令流水線結(jié)構(gòu)(見圖4)，當一條指令被執(zhí)行時允許下一條指令同時被

50、取出，使得在每個時鐘周期可以獲得最高效率。 在大多數(shù)在大多數(shù)微控制器中，取指和指令執(zhí)行都是順序進行的。而在指令流水線結(jié)構(gòu)中，取指和指令執(zhí)行在時間上是相互重疊的，所以才可能實現(xiàn)單周期指令。只有涉及到改變程序計數(shù)器PC（Progran Counter）值的程序分支指令（例如GOTO、CALL或?qū)C寫操作）等才需要兩個周期。 周期0 周期1 周期2 周期3 周期4執(zhí)行1取指1執(zhí)行2取指2取指3執(zhí)行3執(zhí)行4取指4圖4 指令流水線結(jié)構(gòu)示意圖PIC的結(jié)構(gòu)特點還體現(xiàn)在寄存器組上（見圖5)。所有的寄存器，包括I/0口、定時器和程序計數(shù)器等都是采用RAM結(jié)構(gòu)形式，而且都只需要一個周期就可以完成訪問和操作。而大多數(shù)其它微控制器都有需要兩個以上的周期才能改變寄存器的內(nèi)容。INSDTMROPCLSTATUSFSRPORTA其他專用寄存器通用寄存器GPRA L UW寄存器圖5 寄存器組示意圖 PIC系列微控制器技術(shù)性能特點1高速度由于PIC系列控制器所用的寬字單周期指令、哈佛雙總線和PISC結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)吞吐率最高可達6MIPS(即每秒鐘可執(zhí)行600萬條指令)，這幾乎是其它大多數(shù)8位微控制器速度的4倍。 2實時執(zhí)行 對時間要求苛刻的應(yīng)用，例如電機控制、高速I/O或串行數(shù)據(jù)位流操作等，PIC系列微控制器可以提供一種新的低成本的解決方案。利用PIC高性能算法處理能力的實時性可以取代低效率的存儲