无线温度传感器

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1、无线温度传感器电气工程学院 电力 063 班 姚陆军 20064450343【摘摘 要要】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

2、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。关键词关键词 PIC16F74 低功耗 无线 数字化 I2C 总线1.1 研究内容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，

3、 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 0100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

4、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)

5、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：集成智能传感器四大热点：1.物理转化机理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

6、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

7、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

8、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 来源及意义来源及意义现代信息技术的三

9、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

10、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

11、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

12、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 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

13、。2.3 微处理器方案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： 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。 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

14、口、输出打印接口的编程功能。 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 TIMSP430 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 系列单片机系列单片机在微控制器（Microcontroller

15、）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

16、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 15A） 、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