【正文】 本研究提供過幫助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。涉密論文按學校規(guī)定處理。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。如果我國把集成智能傳感器的研制和生產(chǎn)作為半導體工藝的主要發(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。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源信息進行綜合處理，從而得到更為準確、可靠的結(jié)論。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樣化；功能上的系統(tǒng)化、智能化和結(jié)構(gòu)上的復合性。在國家有關(guān)政策的引導下，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。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 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：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。 2) 精簡指令使其執(zhí)行效率大為提高。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。 方案三：采用RS232C接口。它率先推出采用精簡指令集計算機RISC(Reduced Instruction Set Computer)、哈佛（Harvard）雙總線和兩級指令流水線結(jié)構(gòu)的高性能價格比的8位嵌入式控制器（Embedded Controller)。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114和16位，且分別只有335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。 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。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。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。PIC的小晶片尺寸加上MICROCHIP先進的CMOS技術(shù)使芯片具有很寬的性能范圍以及低工作電流(典型值：在3V，32kHz時工作電流為15181。芯片可以在一個指令周期內(nèi)(200ns)對任何寄存器(包括I／O寄存器)中的任何一位完成位置I、位清零和位測試功能。中斷控制可以進行全局控制和分別控制。八級硬件堆棧16位定時器／計數(shù)器TMRl，睡眠中仍可計數(shù) 上電定時器，保障工作電壓的穩(wěn)定建立 寬工作電壓：2．OV～6．OV(1)通用寄存器組通過(寄存器)組選擇寄存器FSR可對寄存器組進行直接或間接訪問。 (2)DC(D)(Di gi t Carry／Borrow)半進位／借位標志位 對加法指令A(yù)DDWF和ADDLW，運算結(jié)果中的低4位向高4位有進位，被置l，無進位清零。 (7)PA2(D7)保留位未用四、選擇寄存器ORTION選擇寄存器OPTION不屬于數(shù)據(jù)存儲器，是一個用來設(shè)置TMRO/WDT預(yù)分頻值、外部INT中斷和TMRO存放各種控制位的只寫寄存器，本身是一個8位寄存器，但是只用了其中的低6位。、BankBank3的低位地址的l 6個寄存器都被跌射到BankO，即4個體的低位地址的16個邏輯地址的寄存器共用16個物理寄存器，這就是說只能對80個物理寄存器進行訪問。 (2)“CALL調(diào)用指令可直接把低位裝入PC，同時對第9位清零。 八、I/O端口控制寄存器TRISX 這是一個只寫寄存器。64位ROM的排的循環(huán)冗余校驗碼(CRC=X8+X5+X4+1)。 同時，計數(shù)器被復位到一個值，這個值由斜坡式累加器電路確定，斜坡式累加器電路用來補償感溫振蕩器的拋物線特性。在任何使用CRC進行數(shù)據(jù)傳輸校驗的情況下，總線控制器必須用上面的公式計算出一個CRC值，和存儲在DS18B20的64位ROM中的值或DS1820內(nèi)部計算出的8位CRC值(當讀暫存器時，做為第9個字節(jié)讀出來)進行比較。圖11DSl8B20與微處理器的典型連接圖3．3無線模塊PTR4000一、特點，125個頻道，能滿足多頻及跳頻需要，其最高速率為1Mbps,具有高數(shù)據(jù)吞吐量，內(nèi)置硬件CRC糾檢錯，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過軟件設(shè)置完成，能滿足低功耗的設(shè)計要求。減少電能消耗不僅能延長電池的壽命、降低用戶更換電池的次數(shù)，而且能帶來提高系統(tǒng)性能與降低系統(tǒng)開銷的好處，甚至能起到保護環(huán)境的作用。否則如果采用的頻率太高將造成極大的浪費，電池的壽命也將大大的縮短。該策略可采用不同方法來實現(xiàn)，如計數(shù)器、硬件控制器或軟件控制。首先，介紹硬件的節(jié)能設(shè)計方法。在基于微處理器、微控制器的系統(tǒng)中，軟件起到了應(yīng)到硬件活動的主導作用。指令總線上的轉(zhuǎn)換是由將要執(zhí)行的操作指令的順序決定的。2．應(yīng)用系統(tǒng)中的有效操作時空占空比如果將系統(tǒng)運行中，所有時間、空間上的有效操作和無效操作采用時空占空比來量化描述，那么，有效操作占空比定義為：有效操作與系統(tǒng)全部運行操作之比。如果能按照系統(tǒng)有效操作時空占空比實施精細的功耗管理，使無效操作期間沒有功耗，就可實現(xiàn)系統(tǒng)的零功耗。因此，實現(xiàn)零功耗管理必須有相應(yīng)的技術(shù)基礎(chǔ)，這就是CMOS工藝的電路基礎(chǔ)、嵌入式系統(tǒng)實時的智能化控制以及具有功耗管理功能的外圍器件。降低系統(tǒng)供電電壓，降低時鐘頻率，減少硬件電路設(shè)計制作時的分布電容等，這樣可以減少有效操作電路中的功耗水平；減少CMOS電路的靜態(tài)泄漏電流的措施，則可降低非有效操作時空電路上的功耗。本設(shè)計的低功耗設(shè)計貫穿整個設(shè)計的方方面面。2. 控制失靈一般情況下，控制狀態(tài)的輸出時通過微機控制系統(tǒng)的輸出通道實現(xiàn)的。故實質(zhì)上它是一種程序濾波。在其他元器件的選用上，盡量采用低功耗器件，如無線收發(fā)模塊選用超低功耗無線收發(fā)模塊PTR4000，其最大工作電流僅為18mA，在掉電模式下僅為1uA．總之，在PIC單片機為核心的控制硬件電路設(shè)計上，采用及篩選低功率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。對系統(tǒng)實現(xiàn)低功耗設(shè)計與零功耗設(shè)計可實現(xiàn)系統(tǒng)的最小功耗一微功耗。它是根據(jù)電路功耗特性參數(shù)來實現(xiàn)滿足低功耗設(shè)計要求，在很多情況下并沒有功耗管理的參與。二、零功耗系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)基礎(chǔ)零功耗系統(tǒng)設(shè)計的核心技術(shù)，是按系統(tǒng)中有效操作時空占空比來實現(xiàn)按需分配的功耗管理。零功耗系統(tǒng)按照有效操作時空占空比實行精細的功耗管理，非有效操作期間沒有功耗，從而使系統(tǒng)功耗與原來相比達到趨于零的效果。在一個嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，由于普遍存在CPU高速運行功能和有限任務(wù)處理要求的巨大差異，會形成系統(tǒng)在時間與空間上巨大的無效操作。至于由系統(tǒng)總線引起的能耗，可根據(jù)與每一總線相連接的模塊數(shù)及總線路徑的長度，在一個指令處理系統(tǒng)中的總線一般具有較高的裝載容量。它不僅耗能少，而且能滿足一般的微處理器的應(yīng)用.低能耗軟件設(shè)計在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計中，人們往往會認為只有硬件消耗能量。低能耗硬件設(shè)計 前面兩種技術(shù)主要著眼于提高系統(tǒng)能源的利用率，即動態(tài)電源管理和動態(tài)電壓縮放只能改進系統(tǒng)的使用。DPM是建立在假設(shè)系統(tǒng)及成分的工作負載各不相同，且工作負載的變化能準確地被預(yù)測出來的基礎(chǔ)上的。同樣，電能消耗與操作頻率成比例，當操作頻率逐漸向O逼近時，能量消耗的動態(tài)部分也向O靠近。圖14 串行接口電路該芯片的第2腳輸出大約+9V左右的電壓，該條件在基準電壓的獲取上將使用。六、4DSl8820與單片機的典型接口設(shè)計 圖5以MCS一5 l系列單片機為例，畫出了DS18B20與微處理器的典型連接?？偩€控制器可以用64位ROM中的前56位計算出一個CRC值，再用這個和存儲在DSl820中的值進行比較，以確定ROM數(shù)據(jù)是否被總線控制器接收無誤。計數(shù)器被預(yù)置到對應(yīng)于55℃的一個值。DSl8B20的管腳排列如圖8所示，DQ為數(shù)字信號輸入／輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端(在寄生電源接線方式時接地)。PC的高2位D10和D9交用狀態(tài)寄存器STATUS中的頁面選擇位PA1和PAO(D6和D5位)來加載作為高位地址。當程序計數(shù)器的計數(shù)值大于512個字時，PC的高2位D10和D9將用狀態(tài)寄存器STATUS中的頁面選擇位PA1和PAO(D6和D5位)來加載作為高位地址。對INDF寄存器本身進行間接尋址訪問，將讀出FSR寄存器的內(nèi)容。 對PIC16C56/57，片內(nèi)有4頁(2K個字)程序存儲器，需要2位頁面預(yù)選地址，故PAl和PAO兩位都作為頁面預(yù)選地址。這一點與大多數(shù)微處理機的情況不一樣。通用寄存器用于指令執(zhí)行中存放數(shù)據(jù)或控制信息；專用寄存器SFR(Special Function Register)包括定時器、寄存器、程序計算器PC(Program Counter)、狀態(tài)寄存器SATAUS、I/0寄存器(端口)和(寄存器)組選擇寄存器FSR(File Select Register)等。低功耗 2MA5V，4MHZ 15UA3V，32KHZ 1UA低功耗Sleep模式下 三、微控制器特性 ． 8位定時器／計數(shù)器TMR0，帶8位預(yù)分頻 除地址分支跳轉(zhuǎn)指令(GOTO、CALL)為雙周期指令，其余皆為單周期指令8 中斷特性 PIC16CXX和PIC17CXX有中斷功能。5 程序代碼加密保護 具有程度代碼加密保護功能，可通過對片內(nèi)EPROM保密設(shè)置進行加密。3 低功耗 由于采用全靜態(tài)CMOS設(shè)計，電源操作能耗很低，但非?？煽俊Ｖ挥猩婕暗礁淖兂绦蛴嫈?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。一個用于指令，一個用于數(shù)據(jù)。 (2) 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。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)。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?！發(fā)，在+“0’’。本設(shè)計中采用PTR4000作為無線收發(fā)模塊。 但其價格昂貴，功能強大，用在此處屬于大材小用。但是AD590是集成模擬傳感器，需要進行A／D轉(zhuǎn)換才能與控制器連接。溫度測量部分由傳感器、MCU、和無線發(fā)射模塊構(gòu)成。 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。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。一 集成智能傳感器四大熱點：1．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。、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。處理器選用低功耗單片機PIC16F74。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。中央廣播電視大學畢業(yè)設(shè)計（論文）評審表 題目 數(shù)字化無線溫度傳感器的分析與設(shè)計 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），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。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?！?，要求靜態(tài)功耗電流小于10，動態(tài)功耗電流小于8mA，無線傳輸距離大于10米，． 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。 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。