單片機設(shè)計的超低功耗電子溫度計方案

本文設(shè)計的超低功耗電子溫度計能夠通過溫度傳感器測量和顯示被測量點的溫度，并可進行擴展控制。該溫度計帶電子時鐘，其檢測范圍為l0℃～30℃，檢測分辨率為1℃，采用LCD液晶顯示，整機靜態(tài)功耗為0.5μA。其系統(tǒng)設(shè)計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。為此，本設(shè)計選用了技術(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，單片機的選擇至關(guān)重要。通過比較多家單片機芯片，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，性能強大，成本也較低。

　　2 MSP430F單片機的主要特點

　　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)，因而可以實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)和無晶振運行。其6μs的快速啟動時間可以延長待機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端口功能強大且十分靈活，所有的I／O位均可單獨配置，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硬件設(shè)計

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

　　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，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并通過標準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準確地捕捉。這一段放電時間可標記為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，這是因為在比例測量原理中，這些因素在計算過程中已被消除。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)動電路還具有待機功能。當(dāng)系統(tǒng)進入待機模式后，驅(qū)動芯片和液晶板的總耗電量小于1μA(幾乎為零)。

　　4 軟件設(shè)計

　　4.1 電源管理軟件的低功耗設(shè)計

　　要想最大效率地利用電池的能量，延長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關(guān)，只有在使用時才打開。因此，進行溫度采樣時，可通過軟件啟動定時器Timer_a，開始捕獲；采樣結(jié)束時，再通過軟件關(guān)閉定時器，禁止捕獲；

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

　　(3)對CPU狀態(tài)進行智能化管理。MSP430單片機具有LMPO～LMP4等5種低功耗模式(LMP的序號越高，該模式下的功耗越低)。不采集溫度時，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)換時間小于6μs。

　　(4)為了降低電流消耗，可在溫度檢測電路里用3根I／O口線．并使其平時均處于高阻態(tài)，而在數(shù)據(jù)采集過程中，再通過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的初始化以及等待中斷。定時中斷服務(wù)程序包括測量用的定時充電程序、數(shù)據(jù)處理子程序以及放電時間測量程序等。其放電時間測量程序流程圖如圖3所示。被測電阻的測量精度取決于放電時間的測量周期數(shù)，例如，當(dāng)所需分辨率為10位時，可設(shè)置計數(shù)器的最大值為1024個測量周期。

　　MSP430的工作模式可通過模塊的智能化運行管理軟件和CPU的優(yōu)化狀態(tài)組合來支持超低功耗的各種要求。主要是使系統(tǒng)中的單片機工作時處于激活模式，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)測試

　　5.1測試方法

　　根據(jù)環(huán)境要求，對本系統(tǒng)的測試可反復(fù)在不同溫度環(huán)境中進行，同時根據(jù)數(shù)據(jù)誤差調(diào)整軟件和硬件來進行校準。溫度可采用按度對照校準的方法來測量。

　　5.2誤差分析

　　本測試所使用的儀器包括計算機、EZ430編程器、示波器、精密數(shù)字電流表、數(shù)字萬用表、溫度計和秒表等。

　　在超低功耗的實現(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模式，并可優(yōu)化軟件運行，以使整機功耗完全達到最低。

　　6 結(jié)束語

　　本電路的優(yōu)點是分辨率高、功耗低。整個電路的特點是外圍組件和可調(diào)組件少，工作穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)設(shè)計思想對超低功耗、微型便攜式的智能化檢測儀表的研究和開發(fā)具有一定的參考價值。