数字化无线温度传感器的设计与开发毕业设计(编辑修改稿)

数字化无线温度传感器的设计与开发毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

集成智能传感器在应用领域成为传感器发展的新趋势。 集成智能传感器采用微机械加工技术和大规模集 成电路工艺技术，利用硅作为基 本材料来制作敏感元件、信号调制电路， 以及微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上。 这样，使智能传感器达到了微型化和结构一体化，从而提高了精度和稳定性。 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。 一 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。 武汉纺织大学 2020 毕业设计 3 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。 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 2 1 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，并且它的持续发武汉纺织大学 2020 毕业设计 4 展期在 1 5 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，国家将逐步实行按甩热量分户计量收费，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 暖商品化必不可少的工具，也是建筑节能的一项重要措，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。 武汉纺织大学 2020 毕业设计 5 2 方案论证 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： 图 1 温度测量部分原理框图 图 2 温度处理部分原理框图 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。 USART 12C 温度传感器 I/O 12C 发射模块 接收模块 上位机 武汉纺织大学 2020 毕业设计 6 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 515V 之间变化，其电流只是在 l A 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 DSl8B20，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 ℃ ； 本设计中选用 DS18B20 作为温度传感器。 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。 武汉纺织大学 2020 毕业设计 7 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。 射频模块方案 方案一：采用 PTR2020 作为无线收发模块，其集成度相对较高，外围硬件电 路简 单，收发一体，但因为是无线通信，在通信过程中易受干扰，误码率高。 方案二：采用 PTR4000 作为无线收发模块，它含有 CRC 硬件校验，当 PTR4000接收到数据与摄制的本机地址一致且 CRC 效验正确时，才把接收到的数据以中断方式传给 CPU，误码率低，与 PTR2020 相比较，其可靠性高。 本设计中采用 PTR4000 作为无线收发模块。 串行通讯方案 方案一 :采用 RS422A 标准规定了差分平衡的电气接口，它采用平衡驱动和差分接收的方法。 这相当于两个单端驱动器，输入同一信号时，其中一个驱动器的 输出永远是另一个驱动器的反向信号。 方案二 :采用 RS485 接口，它是 RS422A 的变型，它与 RS422A 的区别在于：RS422A 为全双工，采用两对平衡差分信号线；而 RS485 为半双工，采用一对平衡差分信号线。 RS485 对于多站互连是十分方便的。 RS485 标准允许最多并联 32台驱动器和 32 台接收器。 总线两端接匹配电阻 (100Ω 左右 )，驱动器负载为 54Ω。 驱动器输出电平在 以下时为逻辑“ l，在 +“ O’’。 接收器输入电平在 以下时为逻辑“ l， 在 + 以上时为逻辑“ 0’’。 RS485 传输速率最高为 10Mbit/s，最大电缆长度为 1200 米。 方案三：采用 RS232C 接口。 它是异步串行通讯中应用最广泛的标准总线，它 包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定。 适用于数据终端设备和数据通讯设备 之间的接口。 本设计中采用 RS232C 接口进行异步通讯即可满足要求。 武汉纺织大学 2020 毕业设计 8 3 硬件原理与实现 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 15181。 A） 、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。 武汉纺织大学 2020 毕业设计 9 PIC 系列微控制器硬件结构特点 1． 精简指令集计算机 (RISClikeReduc。