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(guò)溫度傳感器測(cè)量和顯示被測(cè)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(shí)鐘，其檢測(cè)范圍為l0℃～30℃，檢測(cè)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(duì)其它類(lèi)型的超低功耗微型便攜式智能化檢測(cè)儀表的研究和開(kāi)發(fā)，也具有一定的參考價(jià)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(cè)量范圍內(nèi)，該器件的阻值隨溫度變化比較大，電路簡(jiǎn)單，功耗低，安裝尺寸小，同時(shí)其價(jià)格也很低，但其熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性相對(duì)稍差，因此，這種傳感器對(duì)于檢測(cè)在1℃以下，特別是分辨率要求更高的溫度信號(hào)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(jià)格低廉，而且驅(qū)動(dòng)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(jià)格低廉的通用性LCD驅(qū)動(dòng)器HT1621。

　　作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，單片機(jī)的選擇至關(guān)重要。通過(guò)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(guó)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(chēng)，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(chǔ)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(gè)16位精簡(jiǎn)指令集(RISC)CPU，且指令周期短，大部分指令可在一個(gè)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(wú)晶振運(yùn)行。其6μs的快速啟動(dòng)時(shí)間可以延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間并使啟動(dòng)更加迅速，同時(shí)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(duì)應(yīng)輸入、輸出、方向和功能選擇等多個(gè)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(lái)測(cè)量電阻，就可以通過(guò)斜率技術(shù)而不使用A／D轉(zhuǎn)換電路，處理起來(lái)簡(jiǎn)單易行。對(duì)于這種技術(shù)，可以使用MSP430系列芯片上的比較器和時(shí)鐘來(lái)完成斜率的A／D轉(zhuǎn)換。

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

　　系統(tǒng)工作時(shí)首先令MSP430接Rref的口置位，然后輸出高電平Vcc并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻對(duì)電容定時(shí)充電，定時(shí)時(shí)間到后，端口復(fù)位，使電容放電，放電過(guò)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(shí)刻由Timer_a內(nèi)部的捕捉器通過(guò)捕捉入口CA0準(zhǔn)確地捕捉。這一段放電時(shí)間可標(biāo)記為T(mén)ref。然后，對(duì)P2.1施以同樣的操作，以獲得電容通過(guò)被測(cè)電阻放電的時(shí)間Tsens。最后比較Tref和Tsens，并由下式計(jì)算出被測(cè)電阻值：

　　Rsens=RrefTmeas／Tref

　　式中，Rsens為被測(cè)熱敏電阻，Tsens為被測(cè)組件放電時(shí)間，Tref為參考組件放電時(shí)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(cè)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(cè)量原理中，這些因素在計(jì)算過(guò)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(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸減小，但是，由于被測(cè)電阻值的測(cè)量與電源電壓值的大小毫無(wú)關(guān)系，所以該測(cè)量方法具有電源電壓自補(bǔ)償特性。

　　3.2 LCD液晶驅(qū)動(dòng)顯示電路

　　LCD顯示電路可采用HT1621驅(qū)動(dòng)，HT1621是128點(diǎn)內(nèi)存映象和多功能的LCD驅(qū)動(dòng)器。HT1621的軟件配置特性使它適用于多種LCD應(yīng)用場(chǎng)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(gè)節(jié)電命令用于降低系統(tǒng)功耗。

　　用此LCD液晶驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)4路公共端、1／3偏壓比的4位液晶板。此驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片和液晶板的總耗電量小于1μA(幾乎為零)。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　4.1 電源管理軟件的低功耗設(shè)計(jì)

　　要想最大效率地利用電池的能量，延長(zhǎng)便攜式儀表的電池使用壽命，除了選擇低電壓低功耗器件為硬件基礎(chǔ)外，還必須編制具有靈活的電源管理軟件，具體措施如下：

　　(1)由于微處理器內(nèi)部的基本模塊都有各自的電源開(kāi)關(guān)，只有在使用時(shí)才打開(kāi)。因此，進(jìn)行溫度采樣時(shí)，可通過(guò)軟件啟動(dòng)定時(shí)器Timer_a，開(kāi)始捕獲；采樣結(jié)束時(shí)，再通過(guò)軟件關(guān)閉定時(shí)器，禁止捕獲；

　　(2)由于溫度屬時(shí)慢變參數(shù)，因此，溫度的采集應(yīng)采用定時(shí)中斷方式。即在CPU初始化后立即進(jìn)入低功耗模式，等待中斷。定時(shí)器中斷將再次喚醒CPU進(jìn)行溫度采集和數(shù)據(jù)處理，并將此時(shí)的溫度值存人FLASH Ram中，處理完畢后，CPU再次進(jìn)入低功耗模式；

　　(3)對(duì)CPU狀態(tài)進(jìn)行智能化管理。MSP430單片機(jī)具有LMPO～LMP4等5種低功耗模式(LMP的序號(hào)越高，該模式下的功耗越低)。不采集溫度時(shí)，可使CPU處于低功耗模式LMP3(V為3 V，f為32768 Hz)，該模式下的工作電流小于2μA。從低功耗模式到工作模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于6μs。

　　(4)為了降低電流消耗，可在溫度檢測(cè)電路里用3根I／O口線．并使其平時(shí)均處于高阻態(tài)，而在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，再通過(guò)CPU將相應(yīng)的口線切換到輸出狀態(tài)。

　　4.2軟件程序

　　本系統(tǒng)軟件由主程序、定時(shí)中斷服務(wù)程序和一系列子程序組成。主程序用于完成單片機(jī)的初始化以及等待中斷。定時(shí)中斷服務(wù)程序包括測(cè)量用的定時(shí)充電程序、數(shù)據(jù)處理子程序以及放電時(shí)間測(cè)量程序等。其放電時(shí)間測(cè)量程序流程圖如圖3所示。被測(cè)電阻的測(cè)量精度取決于放電時(shí)間的測(cè)量周期數(shù)，例如，當(dāng)所需分辨率為10位時(shí)，可設(shè)置計(jì)數(shù)器的最大值為1024個(gè)測(cè)量周期。

　　MSP430的工作模式可通過(guò)模塊的智能化運(yùn)行管理軟件和CPU的優(yōu)化狀態(tài)組合來(lái)支持超低功耗的各種要求。主要是使系統(tǒng)中的單片機(jī)工作時(shí)處于激活模式，工作間隙則將其設(shè)定為低功耗模式，以降低系統(tǒng)功耗。

　　5 系統(tǒng)測(cè)試

　　5.1測(cè)試方法

　　根據(jù)環(huán)境要求，對(duì)本系統(tǒng)的測(cè)試可反復(fù)在不同溫度環(huán)境中進(jìn)行，同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)誤差調(diào)整軟件和硬件來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。溫度可采用按度對(duì)照校準(zhǔn)的方法來(lái)測(cè)量。

　　5.2誤差分析

　　本測(cè)試所使用的儀器包括計(jì)算機(jī)、EZ430編程器、示波器、精密數(shù)字電流表、數(shù)字萬(wàn)用表、溫度計(jì)和秒表等。

　　在超低功耗的實(shí)現(xiàn)上，可采用極低功耗的組件，并控制漏電流的產(chǎn)生。使微處理器工作在較低頻率和使用待機(jī)模式，并可優(yōu)化軟件運(yùn)行，以使整機(jī)功耗完全達(dá)到最低。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　本電路的優(yōu)點(diǎn)是分辨率高、功耗低。整個(gè)電路的特點(diǎn)是外圍組件和可調(diào)組件少，工作穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想對(duì)超低功耗、微型便攜式的智能化檢測(cè)儀表的研究和開(kāi)發(fā)具有一定的參考價(jià)值。