本文設(shè)計(jì)的超低功耗" title="超低功耗">超低功耗電子溫度計(jì)能夠通過溫度傳感器測(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)其它類型的超低功耗微型便攜式智能化檢測(cè)儀表的研究和開發(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,，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" title="溫度采集">溫度采集轉(zhuǎn)換電路
利用MSP430來(lái)測(cè)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(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)部的捕捉器通過捕捉入口CA0準(zhǔn)確地捕捉,。這一段放電時(shí)間可標(biāo)記為Tref。然后,，對(duì)P2.1施以同樣的操作,，以獲得電容通過被測(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關(guān),，只有在使用時(shí)才打開,。因此，進(jìn)行溫度采樣時(shí),，可通過軟件啟動(dòng)定時(shí)器Timer_a,，開始捕獲；采樣結(jié)束時(shí),，再通過軟件關(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(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)儀表的研究和開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。