数字化无线温度传感器的设计与开发毕业设计

1、武汉纺织大学毕业设计（论文）任务书课题名称：数字化无线温度传感器的设计与开发 一、课题训练内容1. 使学生进一步巩固和加深对基础理论、基本技能和专业知识的认识与掌握，使之系统化、综合化。培养学生综合运用基础知识和基本技能进行分析问题和解决实际问题的能力，将理论与实践结合。2. 培养学生的设计计算、工程绘图、实验方法、数据处理、文件编辑、文字表达、文献查阅的能力，熟练掌握VISIO 、AUTOcad 、CAD、 protell 、Matlab等专业软件应用和调试等基本实践能力，提高外文资料的阅读和翻译的基本技能，使学生初步掌握科学研究的基本方法。3. 使学生树立符合国情和生产实际的正确设计思想和

2、观点，培养严谨、负责、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、具有创新意识、善于与他人合作和交流的团队作风。4. 使学生获得从事科研工作的初步训练，培养学生独立工作、独立思考和综合运用已学知识解决实际问题的能力，尤其注重培养学生独立获取新知识和解决新问题的能力。二、设计（论文）任务和要求1、设计任务1) 基于无线温度传感器的总体方案设计与论证，并选定研究对象。2） 搜集资料，掌握无线温度传感器的基本原理。3） 编写程序，画好实验图，做好设计实验并得出数据。4） 分析数据并得出实验结果。5） 结束与展望。2、设计要求1） 实验应当稳定并精确的进行。2） 得出数据并与预想吻合。3） 完成系统框图和详细原理图

3、，并对各部分进行详细说明。4） 设计要考虑经济性、实用性和可靠性。5） 按武汉纺织大学毕业设计（论文）格式模板要求书写毕业设计报告三、毕业设计（论文）主要参考资料1无线温度传感器的设计.选自传感器技术2王道宪Microchip PIC系列单片机原理，应用与开发国防工业出版社3何立民单片机应用技术选编10北京航空航天大学出版社4许海燕，卢伟，杨晨晖，吴芸低功耗嵌入式系统的设计福建厦门大学计算机科学系5何立民嵌入式应用中的零功耗设计北京航空航天大学6沙占友智能温度传感器的发展趋势石家庄河北科技大学电子信息工程系7马云峰，陈子夫，李培全数字温度传感器DS18B20的原理与应用(山东潍坊)学院自动化系

4、）8李景友，侯莹多通道温度循环监测仪9胡生清，幸国全AD590温度传感器的非线性补偿及应用J传感器技术四、毕业设计（论文）进度表武汉纺织大学毕业设计（论文）进度表序号起止日期计划完成内容实际完成情况检查人签名检查日期12010.2.22-2010.3.2查阅资料，了解无线温度传感器的基本知识。22010.3.3-2010.3.10确定研究方向。 32010.3.11-2010.3.14完成开题报告。42010.3.15-2010.3.28改进不足，完善设计方案。52010.3.29-2010.4.18制定任务书62010.4.19-2010.4.25搜集、整理编程相关辅助资料和工具。72010

5、.4.26-2010.5.2画好程序流程图图。102010.5.3-2010.5.10编写控制程序，进行实验并得出结果112010.5.11-2010.5.27完成撰写毕业论文所需工作，准备答辩。武汉纺织大学毕业设计（论文）开题报告课题名称数字化无线温度传感器的设计与开发院系名称外经贸学院专 业电气工程班 级电气0722学生姓名廖 锐一、课题研究的意义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

6、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。 二、所属领域的发展状况近年来随着半导体技术的迅猛发展，国外一些著名的公司和高等院校正在大力开展有关集成智能传感器的研制，国内一些著名的高校和研究所也积极跟进，集成化智能传感器技术取得了令人瞩目的发展。 大规模集成电路技术和微机械加工技术的迅猛发展，为传感器向集成化、智能化方向发展奠定了

7、基础，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。三、本课题的研究内

8、容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：12CI/O温度传感器发射模块接收模块上位机USART12C图2 温度处理部分原理框图采用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5-15V之间变化，其电流只是在l以下作微

9、小变化。但是AD590是集成模拟传感器，需要进行AD转换才能与控制器连接。四、研究方法及方案1、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5-15V之间变化，其电流只是在l以下作微小变化。但是AD590是集成模拟传感器，需要进行AD转换才能与控制器连接。 方案二：选用单线数字温度传感器D

10、Sl8B20，它与其他传感器相比有以下几个优点：(1)单总线，节省IO 口线；(2)数字化，内部自带AD，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。2、 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：

11、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IO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。 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

12、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、 射频模块方案方案一：采用PTR2000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PTR2000相比较，其可靠性高。本设计中采用PTR4000作为无线收发模块。4、 串行通讯方案 方案一:采用RS-422A标准规定了差分平衡的电气接口，它采用平衡驱动和

13、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RS-485接口，它是RS-422A的变型，它与RS-422A的区别在于：RS-422A为全双工，采用两对平衡差分信号线；而RS-485为半双工，采用一对平衡差分信号线。RS-485对于多站互连是十分方便的。RS-485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(100左右)，驱动器负载为54。驱动器输出电平在-1.5V以下时为逻辑“l"，在+1.5V以上时为逻辑“O。接收器输入电平在-0.2V以下时为逻辑“l"，在+0.2V以上时为逻

14、辑“0。RS-485传输速率最高为10Mbit/s，最大电缆长度为1200米。 方案三：采用RS-232C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RS-232C接口进行异步通讯即可满足要求。五、主要参考资料1无线温度传感器的设计.选自传感器技术2王道宪Microchip PIC系列单片机原理，应用与开发国防工业出版社3何立民单片机应用技术选编10北京航空航天大学出版社4许海燕，卢伟，杨晨晖，吴芸低功耗嵌入式系统的设计福建厦门大学计算机科学系5何立民嵌入式应用中的零功耗设计北京航空航天大学6

15、沙占友智能温度传感器的发展趋势石家庄河北科技大学电子信息工程系7马云峰，陈子夫，李培全数字温度传感器DS18B20的原理与应用(山东潍坊)学院自动化系）8李景友，侯莹多通道温度循环监测仪9胡生清，幸国全AD590温度传感器的非线性补偿及应用J传感器技术指导教师签名： 2009年5月12日毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助

16、和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他

17、个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 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，

18、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、精密度高以及功能强大等优点。集成化智能传感器的优点使它成为目前传感器研究的热点和传感器发展的主要方向，必将主宰下个世纪的传感器市场。文本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机PIC16F74。温度传输采用超低功耗发射接收模块PT

19、R4000，以I2C方式与处理器通讯。PTR4000在测量点接受传感器的数据并把数据以无线方式传输出去，接收部分通过接受模块（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：PIC16F74； 低功耗； 无线； 数字化； I2C总线Abstract The integration turns the submission of the brain sensor, transducer notion only more than ten years,but the recent years shape is very quick .The sen

20、sor，transducer of the sum classic compare，the integration turns the sensor，transducer of brain to have the solid measure sterigma，cost low,the work consumes the sterigma,partial velocity quick,the reliability higher-,the accuracy higher-and the function strong etcmeritThe integration turns the merit

21、 of the sensor，transducer of brain to make it become the hot spot of the sensor,transducer researcn and the cardinal direction of the sensor，transducer shape currently，will dominate the sensor，transducer market place of the next age necessarilyThe textual temperature transducer，temperature sensor of

22、 digitize wireless has namely the integration turn,the brain turn of characteristics，it is measure(the emission fraction)by the gradient of temeprature，the gradient of temeprature treating(the reception fraction) sum gradient of temeprature is worth three fraction constituent s of display(the place

23、of honor machine)The gradient of temeprature survey adoption is a glimmer of to make the numerical temperature transducer，temperature sensor DSl8B20The low work of the treater application consumes the single sheet machine PIC16F74The gradient of temeprature transmission adopts the super and low work

24、 to consume the emission reception shuttering cake PTR4000，with the mode and treater telecommunicationsPTR4000 at measure the data of the dot reception sensor，transducer amalgamation the data the transmission goes out by wireless，receiving the fraction to pass to accept the shuttering cake(PTR4000)r

25、eceive data，the data that will receive passes the place of honor machine with the nonsynchronous string row correspondence method at the same time.Keywords：PICl6F74 ； low_Power； Wireless；Digital；I2C目 录1 选题背景 11.1 分析内容 11.2 国内、国外现状及发展情况 21.3 来源及意义 32 方案论证 52.1 总体方案设计 52.2 传感器方案 52.3 微处理器方案 62.4 射频模块方

26、案 72.5 串行通讯方案 73 硬件原理与实现 83.1 PIC系列单片机 8 PIC系列微控制器硬件结构特点 9 PIC系列微控制器技术性能特点 11 PIC16F74单片机 133.2 温度传感器DS18B20 213.3 无线模块PTR4000 263.4 串行接口 304 技术要点 314.1 低功耗设计 31 实现低功耗的措施 31 嵌入式系统中的零功耗设计 33 本设计中的低功耗技术 354.2 软件抗干扰技术 36 软件出错对系统的伤害 36 数字滤波方法 36 软件冗余技术 394.3 I2C总线技术 405 软件设计 445.1 温度采集程序的实现 445.2 PTR400

27、0的软件编程 515.3 上位机界面设计 545.4 工作流程 55参考文献 56英文资料57中文翻译60结束语 63致 谢 641 选题背景1.1 分析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。再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仰制噪音的滤波算法。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，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。本设计中的测温范围在O100之间，测温精度为±0.2，要求静态功耗电流

28、小于10，动态功耗电流小于8mA，无线传输距离大于10米，传输速率为19.2Kbps 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

29、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。 电子自动化产业的迅速发展与进步促使传感器技术、特别是集成智能传感器技术日趋活跃起来，近年来随着半导体技术的迅猛发展，国外一些著名的公司和高等院校正在大力开展有关集成智能传感器的研制，国内一些著名的高校和研究所也积极跟进，集成化智能传感器技术取得了令人瞩目的发展。 大规模集成电路技术和微机械加工技术的迅猛发展，为传感器向集成化、智能化方向发展奠定了基础，集成智

30、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

31、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

32、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。3CMOS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

33、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

34、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 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

35、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

36、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。2 方案论证2.1 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：12CI/O温度传感器发射模块图

37、1 温度测量部分原理框图接收模块上位机USART12C图2 温度处理部分原理框图2.2 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5-15V之间变化，其电流只是在l以下作微小变化。但是AD590是集成模拟传感器，需要进行AD转换才能与控制器连接。 方案二：选用单线数字温度传感器DSl8B

38、20，它与其他传感器相比有以下几个优点：(1)单总线，节省IO 口线；(2)数字化，内部自带AD，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。2.3 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

39、，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IO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。 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

40、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。2.4 射频模块方案方案一：采用PTR2000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PTR2000相比较，其可靠性高。本设计中采用PTR4000作为无线收发模块。2.5 串行通讯方案 方案一:采用RS-422A标准规定了差分平衡的电气接口，它采用平衡驱动和差

41、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RS-485接口，它是RS-422A的变型，它与RS-422A的区别在于：RS-422A为全双工，采用两对平衡差分信号线；而RS-485为半双工，采用一对平衡差分信号线。RS-485对于多站互连是十分方便的。RS-485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(100左右)，驱动器负载为54。驱动器输出电平在-1.5V以下时为逻辑“l"，在+1.5V以上时为逻辑“O。接收器输入电平在-0.2V以下时为逻辑“l"，在+0.2V以上时为逻辑

42、“0。RS-485传输速率最高为10Mbit/s，最大电缆长度为1200米。 方案三：采用RS-232C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RS-232C接口进行异步通讯即可满足要求。3 硬件原理与实现3.1PIC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

43、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 C

44、omputer)、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15µA）、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

45、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。 PIC系列微控制器硬件结构特

46、点1 精简指令集计算机(RISC-like-Reduced Instruction Set Computer-like)结构Microchip技术公司具有先进的类RISC结构的PIC系列微控制器的简洁性，为8位微计算机市场设立了一种事实上的新的性能标准。为了达到独一无二的高速性能，PIC微控制器采用了小型机设计结构。先进的类RISC结构体现在每一条高效率和功能强大的指令上。三个系列微控器的指令都是单字的宽字位指令：低档、中档和高档系列的指令位数分别为12、14和16位，且分别只有33、35和58条指令，它们向上兼容其指令系统除了程序分支指令是单字双周期指令外，其它指令都是单周期、单字指令，在这

47、些指令中，没有功能相交叉的指令，使所有的指令具有简洁性；而一般CISC(Complex Instruction Set Computer)结构的微控制器通常有50到110条多字节多周期的指令。单字节指令提高了软件编码的效率和减少了所需要的程序存储单元，使系统具有高处理性能和突出性能。另外，由于所用指令数较少和较简洁，编程任务和调试相对就比较容易，而且学习和实现都非常快。在相同情况上，PIC微控制器所需要的编码比一般要少一半，其指令的高效率又可使编码开发时间节约30。 (1) 指令流水线结构可以在一个周期内同时完成一条指令的执行和下一条指令的取指。最大限度地提高了每个内部时钟周期的效率。 (2)

48、 高速的指令执行时间，在20MHz时钟情况下达到200ns，在25MHz时可达到160ns。在单周期内可以对IO 口的任一位直接进行位操作。 程序分支指令CALL、GOTO和在PCL上的操作需要两个周期的执行时间，在20MHz的情况下为400ns。 (3) 由于采用宽字指令，在相同情况下，程序量大为减少，形成的代码是一般微控制器的一半。2 哈佛(Harvard)双总线结构 其存储结构是基于哈佛双总线概念，数据的指令传输总线完全分开以避免出现典型的普通CISC设计中经常出现的处理瓶劲问题。 传统的冯·诺依曼结构的计算机是在同一个存储空间取指令和数据(即普林斯顿结构)，两者不能同时进行，

49、故限制了工作带宽。而在哈佛结构的计算机中，指令和数据空间是完全分开的。一个用于指令，一个用于数据。由于可以对程序和数据同时进行访问，所以提高了数据吞吐率。正因为在PIC系列微控制器中采用了哈佛双总线结构，所以与常见的微控制器不同的一点是：程序和数据总线可以采用不同的宽度。数据总线都是8位的，但低档、中档和高档系列的指令总线位数分别为12、14和16位。图3是表示两种不同结构的示意图。 CPU程序和数据存储 冯.诺依曼结构CPU数据存储程序存储 哈佛结构图3 两种不同结构的示意图3两级指令流水线结构PIC系列微控制器的取指和执行采用指令流水线结构(见图4)，当一条指令被执行时允许下一条指令同时被

50、取出，使得在每个时钟周期可以获得最高效率。 在大多数在大多数微控制器中，取指和指令执行都是顺序进行的。而在指令流水线结构中，取指和指令执行在时间上是相互重叠的，所以才可能实现单周期指令。只有涉及到改变程序计数器PC（Progran Counter）值的程序分支指令（例如GOTO、CALL或对PC写操作）等才需要两个周期。 周期0 周期1 周期2 周期3 周期4执行1取指1执行2取指2取指3执行3执行4取指4图4 指令流水线结构示意图PIC的结构特点还体现在寄存器组上（见图5)。所有的寄存器，包括I/0口、定时器和程序计数器等都是采用RAM结构形式，而且都只需要一个周期就可以完成访问和操作。而大多数其它微控制器都有需要两个以上的周期才能改变寄存器的内容。INSDTMROPCLSTATUSFSRPORTA其他专用寄存器通用寄存器GPRA L UW寄存器图5 寄存器组示意图 PIC系列微控制器技术性能特点1高速度由于PIC系列控制器所用的宽字单周期指令、哈佛双总线和PISC结构，其数据吞吐率最高可达6MIPS(即每秒钟可执行600万条指令)，这几乎是其它大多数8位微控制器速度的4倍。 2实时执行 对时间要求苛刻的应用，例如电机控制、高速I/O或串行数据位流操作等，PIC系列微控制器可以提供一种新的低成本的解决方案。利用PIC高性能算法处理能力的实时性可以取代低效率的存储