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,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。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。
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。

目录
摘  要... 1
Abstract. 2
第一章 选题背景... 4
1.1研究内容... 4
1.2国内、国外现状及发展情况... 4
1.3来源及意义... 6
第二章 方案论证... 7
2.1 总体方案设计... 7
2.2 传感器方案... 7
2.3 微处理器方案... 8
2.4 射频模块方案... 8
2.5 串行通讯方案... 9
第三章 硬件原理与实现... 10
3.1 PIC系列单片机... 10
3.1.1  PIC系列微控制器硬件结构特点... 10
3.1.2 PIC系列微控制器技术性能特点... 12
3.1.3 PIC16F74单片机... 14
3.2 温度传感器DS18B20. 21
3.3无线模块PTR4000. 24
3.4串行接口... 27
第四章 技术要点... 28
4.1低功耗设计... 28
4.1.1 实现低功耗的措施... 28
4.1.2 嵌入式系统中的零功耗设计... 29
4.1.3本设计中的低功耗技术... 31
4.2 软件抗干扰技术... 32
4.2.1软件出错对系统的危害... 32
4.2.2数字滤波方法... 32
4.2.3软件冗余技术... 35
4.3  I2C总线技术... 36
第五章 软件设计... 39
5.1 温度采集程序的实现... 39
5.2  PTR4000的软件编程... 45
5.3  上位机界面设计... 47
5.4 工作流程... 48
结束语... 49
致  谢... 50
参考文献... 51
附录A  程序流程图... 52
附录B  硬件外观图... 53
附录C  程序清单... 54
附录D  硬件原理图... 67
第一章 选题背景
1.1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，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0℃～100℃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
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。
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。
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。
 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。