【正文】 地降低計(jì)量儀表功耗，延長電池壽命?！?，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(jì)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。 ’ 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(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。 電子自動化產(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。 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片上。 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。 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)域的一個研究熱點(diǎn)。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(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。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。 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(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)。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。 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，暫時只用各種器件臨時組合，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。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。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。 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。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。 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。2 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。 方案一：采用AD590作為傳感器。這種器件在被測溫度一定時，相當(dāng)于一個恒流源。即使電源在515V之間變化，其電流只是在l以下作微小變化。 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，℃；本設(shè)計(jì)中選用DS18B20作為溫度傳感器。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。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)時數(shù)據(jù)采集。 ③軟件編程靈活，可采用C語言與匯編語言混合編程。 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型號，可以滿足各種需要。 3) 睡眠和低功耗模式?；诘凸牡脑O(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。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，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。 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)動和差分接收的方法。 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標(biāo)準(zhǔn)允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器?！發(fā)，在+“O’’。RS485傳輸速率最高為10Mbit/s，最大電纜長度為1200米。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。本設(shè)計(jì)中采用RS232C接口進(jìn)行異步通訊即可滿足要求。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。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。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15181。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(jì)需要，這三個系列微控制器的每一種型號的芯片都含有片內(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(qiáng)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系列微控制器硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1． 精簡指令集計(jì)算機(jī)(RISClikeReduced Instruction Set Computerlike)結(jié)構(gòu)Microchip技術(shù)公司具有先進(jìn)的類RISC結(jié)構(gòu)的PIC系列微控制器的簡潔性，為8位微計(jì)算機(jī)市場設(shè)立了一種事實(shí)上的新的性能標(biāo)準(zhǔn)。先進(jìn)的類RISC結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在每一條高效率和功能強(qiáng)大的指令上。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。在相同情況上，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％。最大限度地提高了每個內(nèi)部時鐘周期的效率。在單周期內(nèi)可以對I／O 口的任一位直接進(jìn)行位操作。 (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。 傳統(tǒng)的馮而在哈佛結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)中，指令和數(shù)據(jù)空間是完全分開的。由于可以對程序和數(shù)據(jù)同時進(jìn)行訪問，所以提高了數(shù)據(jù)吞吐率。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114和16位。 CPU程序和數(shù)據(jù)存儲 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(dāng)一條指令被執(zhí)行時允許下一條指令同時被取出，使得在每個時鐘周期可以獲得最高效率。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(shí)現(xiàn)單周期指令。 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(diǎn)還體現(xiàn)在寄存器組上（見圖5)。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。 2實(shí)時執(zhí)行 對時間要求苛刻的應(yīng)用，例如電機(jī)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。設(shè)計(jì)師還可以用PIC微控制器，通過對其編程來取代那些低檔的門陣列、PLD、膠合(G1ue Logic)邏輯和多芯片狀態(tài)機(jī)等設(shè)計(jì)來進(jìn)一步開發(fā)其高性能價格比的優(yōu)點(diǎn)，PIC微控制器除了其價格優(yōu)勢外，設(shè)計(jì)師還可以得到多方面的可編程靈活性、強(qiáng)有力的控制器功能和節(jié)約空間的諸多好處。因?yàn)槠瑑?nèi)有上電復(fù)位電路、監(jiān)視定時器電路和RC振蕩器電路選擇等，所以就不需要增加價格較高的片外支持的功能元器件，從而降低了系統(tǒng)成本和系統(tǒng)功耗。A)和極小的待命狀態(tài)電流(休眠方式3V工作情況下小于1181。低電流特性應(yīng)用于長壽命電池供電的系統(tǒng)是很理想的。這4種振蕩方式是：RC型—低成本的RC振蕩器，XT型一標(biāo)準(zhǔn)的石英晶體振蕩器，HS型一高速石英晶體振蕩器和LP型—低功耗低頻石英晶體振蕩器。6 功能強(qiáng)大的I／O性能 PIC系列微控制器的一個特點(diǎn)就是其輸入輸出功能十分強(qiáng)大。所以PIC系列芯片與外部電路和接口效率非常高，可以用來作為高速I／O控制器。數(shù)據(jù)輸入線允許有25mA的倒灌電流，可以直接驅(qū)動LED。s SAR A／D轉(zhuǎn)換器； (3)16通道16位單斜率積分A／D轉(zhuǎn)換器； (4)雙5mV典型偏置的比較器； (5)8位D／A轉(zhuǎn)換器； (6)內(nèi)部集成的溫度傳感器； (7)內(nèi)部集成的基準(zhǔn)電壓源； (8)內(nèi)部集成的振蕩器； (9)32*4點(diǎn)陣多路復(fù)用的LCD驅(qū)動器； (10)8／9位通用異步串行接收發(fā)送器USART(串行通信接口)； (11)用電池供電的實(shí)時時鐘； (12)雙1 6位200ns捕捉寄存器； (13)雙1 6位200ns比較輸出接口； (14)并行從動(SLAVE)端口； (15)64字節(jié)EEPROM數(shù)據(jù)存儲器。根據(jù)要求可以選用多個不同數(shù)目的內(nèi)容和外部中斷源。外圍接口的中斷優(yōu)先級用軟件確定。有固定的中斷開銷時間，同步中斷是3個周期(Tcy)。精簡指令集，僅35條單字節(jié)指令，易學(xué)易用 執(zhí)行速度時鐘振蕩指令周期40HZ100us1MHZ4us4MHZ1us101VIHZ400ns20MHZ200ns多種硬件中斷 帶8位A／D轉(zhuǎn)換輸入 雙向可獨(dú)立編程設(shè)置I／0引腳 有1～2路捕抓輸入／比較輸出／PWM輸出(CCP) 8位定時器／計(jì)數(shù)器TMR2，帶有8位的周期寄存器及預(yù)分頻和后分頻 同步串行I2C／SPI總線操作 flagsh存儲器。內(nèi)置上電復(fù)位電路(POR) 振蕩定時器，保障振蕩的穩(wěn)定建立 內(nèi)置自振式(RC振蕩)看門狗四種可選振蕩方式 一低成本阻容：RC 一標(biāo)準(zhǔn)晶體／陶瓷：XT 一高速晶體／陶瓷：HS 一低頻晶體：LP四、CMOS工藝特性全靜態(tài)設(shè)計(jì) 寬工作溫度范圍： 一商用級：O℃～+70℃ 一工業(yè)級：一40℃～+85℃ 一汽車級：一40℃～+125℃ PIC16F74是片內(nèi)帶A/D的芯片所以它在測量儀器表、工業(yè)控制、汽車電子、家用電器及通訊等眾多方面應(yīng)用廣泛。 圖6 PICl6F74的管腳圖表1 管腳功能引腳名I／O特性電平功能OSCI／CLKIN輸入COMS振蕩輸入腳OSC2/CLKOUT輸出震蕩輸出腳MCLR輸入斯密特輸入復(fù)位輸入腳，低電平有效RAO/ANORA1/AN1RA2/AN2RA3/AN3/VREFRA4/TOCK1RA5/AN4/SSI/OI/OI/OI/OI/OI/OTTLTTLTTLTTL斯密特輸入TTLPORTA數(shù)字I/O口，雙向可編程，并可做A/D輸入A/D輸入通道0A/D輸入通道1A/D輸入通道2A/D輸入通道3可作為TMRO外部時鐘輸入亦可作A/D輸入通道4，或同步串行口的從屬器選擇輸入RB