无线温度传感器
无线温度传感器
电气工程学院 电力063班 姚陆军 [1**********]
【摘 要】集成化智能传感器概念的提出仅仅十余年,但近年发展很快,国外刊物上关于新型集成化智能传感器研制的报道很多,国内一些著名高校和研究所也在开展此类工作。和经典的传感器相比,集成化智能传感器具有体积小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精度高以及功能强大等优点。本文的数字化无线温度传感器具有集成化、智能化的特点，它由温度测量（发射部分）、温度处理（接收部分）和温度值显示（上位机）三部分构成。温度测量采用一线制数字温度传感器DS18B20，其体积小，集成度高，自带A/D，功耗低。处理器选用低功耗单片机PIC16F74。温度传输采用超低功耗发射接收模块PTR4000，以 方式与处理器通讯。PTR4000在测量点接收传感器的数据并把数据以无线方式传输出去，接收部分通过接收模块（PTR4000）接收数据，并进行数字滤波，同时将接收到的数据以异步串行通信方式传给上位机。
关键词 PIC16F74 低功耗 无线 数字化 I2C总线
1.1研究内容
本课题的研究涉及两方面内容，其一是无线通讯技术，其二是数字化传感器技术。在将这两方面结合到一起的同时，研究低功耗的设计方法及无线传输中抑制噪音的滤波算法。 在以单片机为核心的控制硬件电路设计上，采用及筛选低功耗的电子元件与集成电路，进行低功耗线路设计和线路板优化；在软件控制上采用降低功耗的休眠技术及采样周期优化，以期达到最大限度地降低计量仪表功耗，延长电池寿命。
本设计根据实际工作环境的需要，提出以下几个性能指标：测温范围在0℃～100℃之间，测温精度为±0.2℃，要求静态功耗电流小于10 ，动态功耗电流小于8mA，无线传输距离大于10米。本设计中利用无线技术和数字化集成温度传感器技术，研制数字化无线集成温度传感器，以确保热量表一体化，解决现有热量表需有线测量回水温度带来的可靠性、安全性差等诸多问题。
1.2国内、国外现状及发展情况
目前集成化智能传感器技术发展非常迅速，然而由于我国国有资金和技术等方面的不足,在此方面的研究上同国外的差距还很大。集成化智能传感器研制是较新的发展方向，具有广阔的市场空间，它主要利用集成电路的工艺和微机械加工技术取得研究进展，但比国外集成电路的主流工艺要落后到两代以上。如果我国把集成智能传感器的研制和生产作为半导体工艺的主要发展方向之一，就可以在现有的集成电路工艺和微机械加工的优势的基础上另辟蹊径，使集成智能传感器的研制与生产具有一定功能模块化能力，为传感器产业的集成化智能化发展积累新的技术经验，并拓展应用领域的广泛性，使其成为未来传感器发展的主流。目前，市场上的集成智能传感器已经成为研究热点，其发展方向主要有以下几个方面：
(1)向微型化发展；
(2)应用新的物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理；
(3)使用新型材料；
(4)向微功耗及无源化发展；
(5)采用新的加工技术(如化学微腐技术、微机械加工技术)；
(6)向高可靠性、宽温度范围发展。
集成智能传感器四大热点：
1.物理转化机理
由于集成智能传感器可以很容易对非线性的传递函数进行校正，得到一个线性度非常好的输出结果，从而消除了非线性传递对传感器应用的制约，所以一些科研工作者正在对这些稳定性好、精确度高、灵敏度高的转换机理或材料进行研究。
比如，谐振式传感器具有高稳定性、高精度、准数字化输出等许多优点，但传统的传感器频率信号检测需要较复杂的设备，限制了谐振式传感器的应用和发展，现在利用同一硅片上集成的智能检测电路，可以迅速提取频率信号，使得谐振式微机械传感器成为国际上传感器领域的一个研究热点。
2.数据融合理论
数据融合是集成智能传感器理论的重要领域，也是各国研究的热点，数据融合技术，简言之，即对多个传感器或多源信息进行综合处理，从而得到更为准确、可靠的结论。对于多个传感器组成的阵列，数据融合技术能够充分发挥各个传感器的特点，利用其互补性、冗余性，提高测量信息的精度和可靠性，延长系统的使用寿命。
数据融合是一种数据综合和处理技术，是许多传统学科和新技术的集成和应用，如通信、模式识别、决策论、不确定性理论、信号处理、估计理论、最优化技术、计算机科学、人工智能和神经网络等。近年来，不少学者又将遗传算法、小波分析技术、虚拟技术引入数据融合技术中。
3.CMOS工艺兼容
目前，国外在研究二次集成技术的同时，集成智能传感器在工艺上的研究热点集中在研制与CMOS工艺兼容的各种传感器结构及制造工艺流程，探求在制造工艺和微机械加工技术上有所突破。利用CMOS工艺兼容的集成湿度传感器将敏感电容和处理电路集成在一块硅片上，通过Coventor模拟得到全量程总的敏感湿敏电容变化值，同时提高了可靠性并降低了成本，随着微机械加工技术的逐步发展，使得以CMOS工艺技术制造的集成湿度传感器已经成为当前研究的热点。图像传感器在CMOS工艺兼容基础上使得其动态范围扩展技术有所进步。
4.传感器的微型化
集成智能传感器的微型化决不仅仅是尺寸上的缩微与减少，而是一种具有新机理、新结构、新作用和新功能的高科技微型系统，并在智能程度上与先进科技融合。其微型化主要基于以下发展趋势：尺寸上的缩微和性质上的增强性；各要素的集成化和用途上的多样化；功能上的系统化、智能化和结构上的复合性。
本设计中的无线温度传感器为正在研究中的科研项目，暂时只用各种器件临时组合，如果方案进入成熟阶段，可将其集成在一块芯片上，实现其微型化。
1.3来源及意义
现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。近百年来，温度传感器的发展大致经历
了以下三个阶段；(1)传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；(2)模拟集成温度传感器／控制器；(3)智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。
进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
随着国家对城镇供热采暖采用热量计量的不断推广，热量表项目将成为一项高科技、高效益的投资项目，将带动起一个年产值几百亿的新兴产业群，并且它的持续发展期在15年以上。在国家有关政策的引导下，目前，全国各地正在进行供热分户改造，未来几年内，国家将逐步实行按用热量分户计量收费，届时将会催生一个非常庞大的实时在线供热表市场。因此，户用热量计是给供暖商品化必不可少的工具，也是建筑节能的一项重要措施，随着供暖事业的发展必将得到普遍应用。无线温度传感器作为热表的一部分，用来测量回水温度。 本设计中的无线温度传感器是测量回水温度的部件，以解决目前国内外热量表生产单位普遍采用的有线采集回水温度带来的施工安装不便及可靠性低这一突出的共性问题。以适应我国民用计量仪表使用的实际现状，达到节约能源和供需平衡的目的。
2.1 总体方案设计
数字化无线温度传感器的设计应包含两个部分：一部分是温度测量（发射）电路，一部分是温度处理（接收）电路。温度测量部分由传感器、MCU、和无线发射模块构成。温度处理部分由无线接收模块、MCU、与上位机通讯的接口电路构成。其系统原理框图如下所示：
2.2 传感器方案
温度传感器的种类很多，选择的空间就很广阔，可以使用热电偶，热电阻等测温元件，也可以选用集成温度传感器。
方案一：采用AD590作为传感器。AD590是AD公司利用PN 结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。即使电源在5～15V之间变化，其电流只是在1 以下作微小变化。但是AD590是集成模拟传感器，需要进行A/D转换才能与控制器连接。
方案二：选用单线数字温度传感器DS18B20，它与其他传感器相比有以下几个优点：
（1）单总线，节省I/O口线；
（2）数字化，内部自带A/D，编程方便；
（3）集成度高，外围硬件电路简单；
（4）精度高，测温分辨率可达0.0625℃；
本设计中选用DS18B20作为温度传感器。
2.3 微处理器方案
方案一：主机采用以89C51系列单片机为核心的微控制器完成对无线发射接收模块的控制，实现对数据的采集。由于受单片机指令运行速度的影响，影响到它的数据采集能力,而且它不具有低功耗状态，不能满足低功耗的要求。
方案二：以高速数字信号处理器（DSP）TMS320F240为中央处理单元，配以极少的外围电路构成了检测器的核心控制部件。本方案的主要优点：
①速度快，执行速度达到20MIPS，几乎所有的指令可以在50ns的单周期内完成，如此高的性能非常适合实时数据采集。
②硬件结构简单，具有丰富的可编程多路复用I/O引脚，能实现对温度传感器、键盘显示接口、输出打印接口的编程功能。
③软件编程灵活，可采用C语言与汇编语言混合编程。
但其价格昂贵，功能强大，用在此处属于大材小用。
方案三：以PIC系列单片机作为中央处理单元，本方案具有前两个方案无法取代的优点：
1） 选型灵活，PIC系列从低到高有几十个型号，可以满足各种需要。
2） 精简指令使其执行效率大为提高。
3） 睡眠和低功耗模式。虽然PIC在这方面已不能与新型的TI－MSP430相比，但在大多数应用场合还是能满足需要的。
基于低功耗的设计要求，本设计中采用PIC系列单片机作为中央处理单元。
3.1 PIC系列单片机
在微控制器（Microcontroller）应用领域日益广泛的今天，各个领域的应用也向微控制器厂商提出了更高要求，希望速度更快、功耗更低、体积更小、价格更廉以及组成系统时所需要的外围器件更少；随着越来越多的各种非电子工程技术人员的应用需求，他们想把微控制器作为嵌入式部件应用到自己熟悉的领域，还提出简单易学易用的要求，用户的需求就是商家的市场和动力，老的半导体厂商顺应潮流不断推出新品种，新的半导体厂商则后来居上，把越来越多的外围接口器件集成到片内，功能越来越强、性能越来越高。迄今为止，至少有35家半导体厂商的微控制器进入中国市场。应该说，每一个厂商的微控制器能在市场上占有一定份额，肯定有它存在的道理，即各个不同公司的芯片有它自己的特点才能吸引住有特定要求的部分用户。在这众多的五彩缤纷的微控制器中，美国Microchip技术公司的PIC系
列微控制器则异军突起，独树一帜。它率先推出采用精简指令集计算机RISC(Reduced Instruction Set Computer)、哈佛（Harvard）双总线和两级指令流水线结构的高性能价格比的8位嵌入式控制器（Embedded Controller）。其高速度（每条指令最快可达160ns）、低电压（最低工作电压可为2V）、低功耗（3V，32kHz时15μA）、较大的输入输出电流直接驱动LED（灌电流可达25mA）、一次性编程OTP（One Time Programmable）芯片的低价位（最低的不到6元人民币）、小体积（8引脚）、指令简单易学易用等，都体现了微控制器工业发展的新趋势。该公司推出了三个不同层次系列、几十种产品来满足不同的产品设计需要，这三个系列微控制器的每一种型号的芯片都含有片内程序存储器，而且它们的指令系统向上兼容，用户可以根据需要选择具有各种不同外围接口功能、不同封装形式和不同电压范围的芯片；该公司还可以提供完整的可兼容的开发工具套件和世界范围的现场应用支持，所以这个系列的微控制器在市场上极具强劲的竞争力，在全球都可以看到PIC微控制器从办公自动化设备、消耗电子产品、电讯通信、智能仪器仪表、到汽车电子、金融电子、工业控制等不同领域的广泛应用。PIC系列微控制器在世界微控制器市场份额排名逐年上升，在8位微控制器市场，已从1990年的第20位提高到1996年的第5位，以至成为一种新的8位微控制器的世界标准和最有影响力的主流嵌入式控制器。
3.1.1 PIC系列微控制器硬件结构特点
1. 精简指令集计算机（RISC-like—Reduced Instruction Set Computer-like）结构Microchip技术公司具有先进的类-RISC结构的PIC系列微控制器的简洁性，为8位微计算机市场设立了一种事实上的新的性能标准。为了达到独一无二的高速性能，PIC微控制器采用了小型机设计结构。先进的类-RISC结构体现在每一条高效率和功能强大的指令上。三个系列微控器的指令都是单字的宽字位指令：低档、中档和高档系列的指令位数分别为12、14和16位，且分别只有33、35和58条指令，它们向上兼容其指令系统除了程序分支指令是单字双周期指令外，其它指令都是单周期、单字指令，在这些指令中，没有功能相交叉的指令，使所有的指令具有简洁性；而一般CISC（Complex Instruction Set Computer）结构的微控制器通常有50到110条多字节多周期的指令。单字节指令提高了软件编码的效率和减少了所需要的程序存储单元，使系统具有高处理性能和突出性能。另外，由于所用指令数较少和较简洁，编程任务和调试相对就比较容易，而且学习和实现都非常快。在相同情况上，PIC微控制器所需要的编码比一般控制器要少一半，其指令的高效率又可使编码开发时间节约30%。
（1）指令流水线结构可以在一个周期内同时完成一条指令的执行和下一条指令的取指。最大限度地提高了每个内部时钟周期的效率。
（2）高速的指令执行时间，在20MHz时钟情况下达到200ns，在25MHz时可达到160ns。在单周期内可以对I/O口的任一位直接进行位操作。
程序分支指令CALL、GOTO和在PCL上的操作需要两个周期的执行时间，在20MHz的情况下为400ns。
（3）由于采用宽字指令，在相同情况下，程序量大为减少，形成的代码是一般微控制器的一半。
2. 哈佛（Harvard）双总线结构
其存储结构是基于哈佛双总线概念，数据的指令传输总线完全分开以避免出现典型的普通CISC设计中经常出现的处理瓶劲问题。
传统的冯•诺依曼结构的计算机是在同一个存储空间取指令和数据（即普林斯顿结构），两者不能同时进行，故限制了工作带宽。而在哈佛结构的计算机中，指令和数据空间是完全分开的。一个用于指令，一个用于数据。由于可以对程序和数据同时进行访问，所以提高了
数据吞吐率。正因为在PIC系列微控制器中采用了哈佛双总线结构，所以与常见的微控制器不同的一点是：程序和数据总线可以采用不同的宽度。数据总线都是8位的，但低档、中档和高档系列的指令总线位数分别为12、14和16位。图3是表示两种不同结构的示意图。
3. 两级指令流水线结构
PIC系列微控制器的取指和执行采用指令流水线结构（见图4），当一条指令被执行时允许下一条指令同时被取出，使得在每个时钟周期可以获得最高效率。在大多数微控制器中，取指和指令执行都是顺序进行的。而在指令流水线结构中，取指和指令执行在时间上是相互重叠的，所以才可能实现单周期指令。
只有涉及到改变程序计数器PC（Progran Counter）值的程序分支指令（例如GOTO、CALL或对PC写操作）等才需要两个周期。
3.1.2 PIC系列微控制器技术性能特点
1 高速度
由于PIC系列控制器所用的宽字单周期指令、哈佛双总线和RISC结构，其数据吞吐率
最高可达6MIPS（即每秒钟可执行600万条指令），这几乎是其它大多数8位微控制器速度的4倍。
2 实时执行
对时间要求苛刻的应用，例如电机控制、高速I/O或串行数据位流操作等，PIC系列微控制器可以提供一种新的低成本的解决方案。利用PIC高性能算法处理能力的实时性可以取代低效率的存储操作和精确度不高的查表法。
设计师还可以用PIC微控制器，通过对其编程来取代那些低档的门阵列、PLD、胶合（Glue Logic）逻辑和多芯片状态机等设计来进一步开发其高性能价格比的优点，PIC微控制器除了其价格优势外，设计师还可以得到多方面的可编程灵活性、强有力的控制器功能和节约空间的诸多好处。
3 低功耗
由于采用全静态CMOS设计，电源操作能耗很低，但非常可靠。因为片内有上电复位电路、监视定时器电路和RC振荡器电路选择等，所以就不需要增加价格较高的片外支持的功能元器件，从而降低了系统成本和系统功耗。PIC的小晶片尺寸加上MICROCHIP先进的CMOS技术使芯片具有很宽的性能范围以及低工作电流（典型值：在3V，32kHz时工作电流为15μA）和极小的待命状态电流（休眠方式3V工作情况下小于1μA）。低电流特性应用于长寿命电池供电的系统是很理想的。
4 用户可选择振荡器
片内集成带有RC振荡器的监视定时器，而且引进了“用户可选择振荡器”的新设计概念，它允许用户在4种从直流到20MHZ（200ns）频率范围内选择一种振荡形式让芯片执行指令，以优化系统的功耗。这4种振荡方式是：RC型—低成本的RC振荡器，XT型—标准的石英晶体振荡器，HS型—高速石英晶体振荡器和LP型—低功耗低频石英晶体振荡器。 5 程序代码加密保护
具有程度代码加密保护功能，可通过对片内EPROM保密设置进行加密。
6 功能强大的I/O性能
PIC系列微控制器的一个特点就是其输入输出功能十分强大。芯片可以在一个指令周期内（200ns）对任何寄存器（包括I/O寄存器）中的任何一位完成位置1、位清零和位测试功能。所以PIC系列芯片与外部电路和接口效率非常高，可以用来作为高速I/O控制器。 PIC的I/O口有多种功能，通过软件配置，每2个引脚都可以对输入和输出分别分时多路复用，或者可以被编程呈高阻状态，例如可以支持用普通总线进行多片配置。 数据输入线允许有25mA的倒灌电流，可以直接驱动LED。
3.1.3 PIC16F74单片机
一、高性能RISC结构CPU
•精简指令集，仅35条单字节指令，易学易用
•除地址分支跳转指令（GOTO、CALL）为双周期指令，其余皆为单周期指令
•执行速度
时钟振荡 指令周期40HZ 100us1MHZ 4us4MHZ 1us10MHZ 400ns20MHZ 200ns
•八级硬件堆栈
•多种硬件中断
•直接、间接、相对三种寻址方式
二、功能部件特性
•带8位A/D转换输入
•高驱动电流，I/O脚可直接驱动数码管（LED）显示
- 每个I/O引脚最大拉电流25MA
- 每个I/O引脚最大灌电流20MA
•双向可独立编程设置I/O引脚
•8位定时器/计数器TMR0，带8位预分频
•有1～2路捕抓输入/比较输出/PWM输出（CCP）
•16位定时器/计数器TMR1，睡眠中仍可计数
•8位定时器/计数器TMR2，带有8位的周期寄存器及预分频和后分频
•并行口操作
•同步串行口I2C/SPI总线操作
•同步通讯接口SCI/USART操作
•flagsh 存储器。
三、微控制器特性
•内置上电复位电路（POR）
•上电定时器，保障工作电压的稳定建立•振荡定时器，保障振荡的稳定建立•断电复位锁定•内置自振式（RC振荡）看门狗•程序保密位，可防程序代码的非法拷贝
四种可选振荡方式
低成本阻容：RC- 标准晶体/陶瓷：XT- 高速晶体/陶瓷：HS- 低频晶体：LP
四、CMOS工艺特性
•低功耗＜2MA ＠5V，4MHZ＜15UA ＠3V，32KHZ＜1UA 低功耗Sleep模式下 •全静态设计
•宽工作电压：2.0V～6.0V
•宽工作温度范围：-商用级：0℃～＋70℃-工业级：－40℃～＋85℃-汽车级：－40℃～＋125℃PIC16F74是片内带A/D的芯片所以它在测量仪器表、工业控制、汽车电子、家用电器及通讯等众多方面应用广泛。而它所拥有的高性能，如CCP模块、并行口、I2C/SPI、SCI通讯等等使它能适合于各种应用.