MSP430F單片機(jī)設(shè)計(jì)的超低功耗電子溫度計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的超低功耗電子溫度計(jì)能夠通過溫度傳感器測量和顯示被測量點(diǎn)的溫度，并可進(jìn)行擴(kuò)展控制。該溫度計(jì)帶電子時鐘，其檢測范圍為l0℃～30℃，檢測分辨率為1℃，采用LCD液晶顯示，整機(jī)靜態(tài)功耗為0.5μA。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想對其它類型的超低功耗微型便攜式智能化檢測儀表的研究和開發(fā)，也具有一定的參考價值。

1 元器件選擇

本系統(tǒng)的溫度傳感器可選用熱敏電阻。在10～30℃的測量范圍內(nèi)，該器件的阻值隨溫度變化比較大，電路簡單，功耗低，安裝尺寸小，同時其價格也很低，但其熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性相對稍差，因此，這種傳感器對于檢測在1℃以下，特別是分辨率要求更高的溫度信號不太適用。

顯示部分可以采用筆段式LCD液晶顯示。特別是黑白筆段式液晶顯示器的功耗極低，美觀適中，價格低廉，而且驅(qū)動芯片可選擇性強(qiáng)。為此，本設(shè)計(jì)選用了技術(shù)成熟、功耗較低、性能穩(wěn)定、價格低廉的通用性LCD驅(qū)動器HT1621。

作為整個系統(tǒng)的核心部件，單片機(jī)的選擇至關(guān)重要。通過比較多家單片機(jī)芯片，最終選定了TI公司的MSP430系列控制器，該系列控制器功耗極低，性能強(qiáng)大，成本也較低。

2 MSP430F單片機(jī)的主要特點(diǎn)

MSP430F系列是美國TI公司生產(chǎn)的一種超低功耗的FLASH控制器，該器件有“綠色”控制器(GREEN Mcu)之稱，其技術(shù)特征代表了單片機(jī)的發(fā)展方向。MSP430的片內(nèi)存儲器該器件單元是能耗非常低的單元，消耗功率僅為其它閃速微控制器的五分之一。MSP430F同其它控制器相比，既可縮小線路板空間，又可降低系統(tǒng)成本。

MSP430F系列器件集成了超低功率閃存、高性能模擬電路和一個16位精簡指令集(RISC)CPU，且指令周期短，大部分指令可在一個指令周期內(nèi)完成。該器件的工作電流極小，并且超低功耗，關(guān)斷狀態(tài)下的電流僅為0.1μA，待機(jī)電流為0.8μA，常規(guī)模式下的(250μA/1MIPS@3V)，端口漏電流不足50 nA，并可零功耗掉電復(fù)位(BOR)。另外，該芯片屬低電器件，僅需1.8～3.6V電壓供電，因而可有效降低系統(tǒng)功耗。由于其具有超低功耗的數(shù)控振蕩器技術(shù)，因而可以實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)和無晶振運(yùn)行。其6μs的快速啟動時間可以延長待機(jī)時間并使啟動更加迅速，同時也降低了電池的功耗。MSP430系列芯片的片內(nèi)資源豐富，I/O端口功能強(qiáng)大且十分靈活，所有的I/O位均可單獨(dú)配置，每一根口線分別對應(yīng)輸入、輸出、方向和功能選擇等多個寄存器里的一位。因此，其溫度模擬控制可以采用帶隔離的低電壓控制方式。

3 超低功耗電子溫度計(jì)硬件設(shè)計(jì)

圖1所示是本超低功耗電子溫度計(jì)的硬件原理框圖。下面給出其它單元電路的設(shè)計(jì)方案。

3.1溫度采集轉(zhuǎn)換電路

利用MSP430來測量電阻，就可以通過斜率技術(shù)而不使用A/D轉(zhuǎn)換電路，處理起來簡單易行。對于這種技術(shù)，可以使用MSP430系列芯片上的比較器和時鐘來完成斜率的A/D轉(zhuǎn)換。

本系統(tǒng)的具體溫度測量是應(yīng)用電容充放電把被測電阻值轉(zhuǎn)換成時間，再利用MSP430內(nèi)部的捕獲比較寄存器準(zhǔn)確捕捉時間，從而測量出熱敏電阻的阻值，以間接獲得溫度值。其溫度檢測電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖中，Rref是參考電阻，用于定標(biāo)，Rsens是被測電阻。

系統(tǒng)工作時首先令MSP430接Rref的口置位，然后輸出高電平Vcc并通過標(biāo)準(zhǔn)電阻對電容定時充電，定時時間到后，端口復(fù)位，使電容放電，放電過程一直持續(xù)到電容上的電壓降到充電端口為“0”電平的上限為止，截止時刻由Timer_a內(nèi)部的捕捉器通過捕捉入口CA0準(zhǔn)確地捕捉。這一段放電時間可標(biāo)記為Tref。然后，對P2.1施以同樣的操作，以獲得電容通過被測電阻放電的時間Tsens。最后比較Tref和Tsens，并由下式計(jì)算出被測電阻值：

Rsens=RrefTmeas/Tref

式中，Rsens為被測熱敏電阻，Tsens為被測組件放電時間，Tref為參考組件放電時間，Rref為參考精密電阻。

由上式可以看出，只要電壓和電容的值在測量中保持穩(wěn)定，電壓和電容的具體取值便不再重要，這是因?yàn)樵诒壤郎y量原理中，這些因素在計(jì)算過程中已被消除。因此，盡管儀表的供電電池的電壓具有離散性，并且該電壓會隨著時間的推移逐漸減小，但是，由于被測電阻值的測量與電源電壓值的大小毫無關(guān)系，所以該測量方法具有電源電壓自補(bǔ)償特性。

3.2 LCD液晶驅(qū)動顯示電路

LCD顯示電路可采用HT1621驅(qū)動，HT1621是128點(diǎn)內(nèi)存映象和多功能的LCD驅(qū)動器。HT1621的軟件配置特性使它適用于多種LCD應(yīng)用場合，包括LCD模塊和顯示子系統(tǒng)。用于連接主控制器和HT1621的管腳只有4或5條。此外，HT1621還有一個節(jié)電命令用于降低系統(tǒng)功耗。

用此LCD液晶驅(qū)動器可驅(qū)動4路公共端、1/3偏壓比的4位液晶板。此驅(qū)動電路還具有待機(jī)功能。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式后，驅(qū)動芯片和液晶板的總耗電量小于1μA(幾乎為零)。