【正文】 闊的市場空間，它主要利用集成電路的工藝和微機(jī)械加工技術(shù)取得研究進(jìn)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(jī)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(yàn)，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(dòng)化產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展與進(jìn)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(jìn)，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(jī)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(jī)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陜西廣播電視大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 片上。這樣，使智能傳感器達(dá)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(diǎn)，其發(fā)展方向主要有以下幾個(gè)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(jī)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(diǎn)： 1．物理轉(zhuǎn)化機(jī)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(jìn)行校正，得到一個(gè)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(jī)理或材料進(jìn)行研究。 比如，諧振式傳感器具有高穩(wěn)定性、高精度、準(zhǔn)數(shù)字化輸出等許多優(yōu)點(diǎn)，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(jī)械傳感器成為國際上傳感器領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 2．?dāng)?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(diǎn)，數(shù)據(jù)融合技術(shù)，簡言之，即對多個(gè)傳感器或多源信息進(jìn)行綜合處理，從而得到更為準(zhǔn)確、可靠的結(jié)論。對于多個(gè)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(gè)傳感器的特點(diǎn)，利用其互補(bǔ)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(jì)理論、最優(yōu)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)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。 3． CMOS 工藝兼容 目前，國外在研究二次集成技術(shù)的同時(shí)，集成智能傳感器在工藝上的研究熱點(diǎn)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，探求在制造工藝和微機(jī)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(shí)提高了可靠性并降低了成本，隨著微機(jī)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(dāng)前研究的熱點(diǎn)。圖像傳感器在 CMOS 工藝兼容基礎(chǔ)上使得其動(dòng)態(tài)陜西廣播電視大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 范圍擴(kuò)展技術(shù)有所進(jìn)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(jī)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(jìn)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(qiáng)性；各要素的集成化和用途上的多樣化；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(jì)中的無線溫度傳感器為正在研究中的科研項(xiàng)目，暫時(shí) 只用各種器件臨時(shí)組合，如果方案進(jìn)入成熟階段，可將其集成在一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)其微型化。 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(jì)算機(jī)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(gè)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(jìn)入 2 1 世紀(jì)后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)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(jì)量的不斷推廣，熱量表項(xiàng)目將成為一項(xiàng)高科技、高效益的投資項(xiàng)目，將帶動(dòng)起一個(gè)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(jìn)行供熱分戶改造，未來幾年內(nèi)，國家將逐步實(shí)行按甩熱量分戶計(jì)量收費(fèi)，屆時(shí)將會(huì)催生一個(gè)非常龐大 的實(shí)時(shí)在線供熱表市場。因此，戶用熱量計(jì)是給暖商品化必不可少的工具，也是建筑節(jié)能的一項(xiàng)重要措，隨著 供 暖事業(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(jì)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(jì)量儀表使用的實(shí)際現(xiàn)狀，達(dá)到節(jié)約能源和供需平衡的目的。 陜西廣播電視大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 第二章 方案論證 總體方案設(shè)計(jì) 數(shù)字化無線溫度傳感器的設(shè)計(jì)應(yīng)包含兩個(gè)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(jī)通訊的接口電路構(gòu)成。其系 統(tǒng)原理框圖如下所示： 圖 1 溫度測量部分原理框圖 圖 2 溫度處理部分原理框圖 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(shí)，相當(dāng)于一個(gè)恒 USART 12C 溫度傳感器 I/O 12C 發(fā)射模塊 接收模塊 上位機(jī) 陜西廣播電視大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 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(dòng)的特性。即使電源在 515V 之間變化，其電流只是在 l A? 以下作微小變化。但是 AD590 是集成模擬傳感器，需要進(jìn)行 A／ D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 DSl8B20，它與其他傳感器相比有以下幾個(gè) 優(yōu)點(diǎn)： (1)單總線，節(jié)省 I／ O 口 線； (2)數(shù)字化，內(nèi)部自帶 A／ D，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(dá) ℃ ； 本設(shè)計(jì)中選用 DS18B20 作為溫度傳感器。 微處理器方案 方案一：主機(jī)采用以 89C51系列單片機(jī)為核心的微控制器完成對無線發(fā)射接收模塊的控制，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集。由于受單片機(jī)指令運(yùn)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(diǎn)： ①速度快，執(zhí)行速度達(dá)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。 ②硬件結(jié)構(gòu)簡單，具有豐富的可編程多路復(fù)用 I／ O 引腳，能實(shí)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。 ③軟件編程靈活，可采用 C 語言與匯編語言混合編程。 但其價(jià)格昂貴，功能強(qiáng)大，用在此處屬于大材小用。 方案 三：以 PIC 系列單片機(jī)作為中央處理單元，本方案具有前兩個(gè)方案無法取代 的優(yōu)點(diǎn)： 1) 選型靈活， PIC 系列從低到高有幾十個(gè)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 TI— MSP430 相比， 但在大多數(shù)應(yīng)用場合還是能滿足需要的。 基于低功耗的設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)中采用， PIC 系列單片機(jī)作為中央處理單元。 2． 4 射頻模塊方案 方案一：采用 PTR20xx 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?yàn)槭菬o線通信，在通信過程中易受干擾，誤碼率高。 陜西廣播電視大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 方案二：采用 PTR4000 作為無線收發(fā)模塊，它含有 CRC 硬件校驗(yàn)，當(dāng) PTR4000接收到數(shù)據(jù)與攝制的本機(jī)地址一致且 CRC 效驗(yàn)正確時(shí)，才把接收到的數(shù)據(jù)以中斷方式傳給 CPU，誤碼率低，與 PTR20xx 相比較，其可靠性高。本設(shè)計(jì)中采用 PTR4000 作為無線收發(fā)模塊。 串行通訊方案 方案一 :采用 RS422A 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了差分平衡的電氣接口，它采用平衡驅(qū)動(dòng)和差分接收的方法。這相當(dāng)于兩個(gè)單端驅(qū)動(dòng)器，輸入同一信號時(shí)，其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的輸出永遠(yuǎn) 是另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的反向信號。 方案二 :采用 RS485 接口，它是 RS422A 的變型，它與 RS422A 的區(qū)別在于：RS422A 為全雙工，采用兩對平衡差分信號線；而 RS485 為半雙工，采用一對平衡差分信號線。 RS485 對于多站互連是十分方便的。 RS485 標(biāo)準(zhǔn)允許最多并聯(lián) 32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和 32 臺(tái)接收器?？偩€兩端接匹配電阻 (100Ω 左右 )，驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為 54Ω 。驅(qū)動(dòng)器輸出電平在 以下時(shí)為邏輯“ l，在 +“ O’’。接收器輸入電平在 以下時(shí)為邏輯“ l，在 + 以上時(shí)為邏輯“ 0’’。 RS485 傳輸速率最高為 10Mbit/s，最大電纜長度為 1200 米。 方案三：采用 RS232C 接口。它是異步串行通訊中應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)總線，它 包括了按位串行傳輸?shù)碾姎夂蜋C(jī)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(jì)中采用 RS232C 接口進(jìn)行異步通訊即可滿足要求。 陜西廣播電視大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 第三章硬件原理與實(shí)現(xiàn) 在微控制器 (Microcontroller)應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛的今天，各個(gè)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(jià)格更廉以及組成系統(tǒng)時(shí)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(dòng)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(qiáng)、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(jìn)入中國市場。應(yīng)該說，每一個(gè)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(gè)不同公司的芯片有它自己的特點(diǎn)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(dú)樹一幟。它率先推出采用精簡指令集計(jì)算機(jī) RISC(Reduced Instruction Set Computer)、哈佛 （ Harvard） 雙總線和兩級指令流水線結(jié)構(gòu)的高性能價(jià)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(dá) 160ns） 、低電壓 （ 最低工作電壓可為 2V） 、低功耗 （ 3V， 32kHz 時(shí) 15181。A） 、較大的輸入輸出電流直接驅(qū)動(dòng) LED（ 灌電流可達(dá) 25mA） 、一次性編程 OTP（ One Time Programmable） 芯片的低價(jià)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(gè)不同層次系列、幾十種產(chǎn)品來滿足不同的產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要，這三個(gè)系列微控