基于MSP430单片机的超低功耗电子温度计的设计

2万 · 2013-4-29 10:28

本帖最后由 51xlf 于 2013-4-29 10:31 编辑

本文设计的超低功耗电子温度计能够通过温度传感器测量和显示被测量点的温度，并可进行扩展控制。该温度计带电子时钟，其检测范围为l0℃～30℃，检测分辨率为1℃，采用LCD液晶显示，整机静态功耗为0.5μA。其系统设计思想对其它类型的超低功耗微型便携式智能化检测仪表的研究和开发，也具有一定的参考价值。　　1元器件选择　　本系统的温度传感器可选用热敏电阻。在10～30℃的测量范围内，该器件的阻值随温度变化比较大，电路简单，功耗低，安装尺寸小，同时其价格也很低，但其热敏电阻精度、重复性、可靠性相对稍差，因此，这种传感器对于检测在1℃以下，特别是分辨率要求更高的温度信号不太适用。　　显示部分可以采用笔段式LCD液晶显示。特别是黑白笔段式液晶显示器的功耗极低，美观适中，价格低廉，而且驱动芯片可选择性强。为此，本设计选用了技术成熟、功耗较低、性能稳定、价格低廉的通用性LCD驱动器HT1621。　　作为整个系统的核心部件，单片机的选择至关重要。通过比较多家单片机芯片，最终选定了TI公司的MSP430系列控制器，该系列控制器功耗极低，性能强大，成本也较低。　　2 MSP430F单片机的主要特点　　MSP430F系列是美国TI公司生产的一种超低功耗的Flash控制器，该器件有“绿色”控制器(Green Mcu)之称，其技术特征代表了单片机的发展方向。MSP430的片内存储器该器件单元是能耗非常低的单元，消耗功率仅为其它闪速微控制器的五分之一。 MSP430F同其它控制器相比，既可缩小线路板空间，又可降低系统成本。　　 MSP430F系列器件集成了超低功率闪存、高性能模拟电路和一个16位精简指令集(RISC)CPU，且指令周期短，大部分指令可在一个指令周期内完成。该器件的工作电流极小，并且超低功耗，关断状态下的电流仅为0.1μA，待机电流为0.8μA，常规模式下的(250μA／1MIPS@3V)，端口漏电流不足50 nA，并可零功耗掉电复位(BOR)。另外，该芯片属低电器件，仅需1.8～3.6V电压供电，因而可有效降低系统功耗。由于其具有超低功耗的数控振荡器技术，因而可以实现频率调节和无晶振运行。其6μs的快速启动时间可以延长待机时间并使启动更加迅速，同时也降低了电池的功耗。MSP430系列芯片的片内资源丰富，I／O端口功能强大且十分灵活，所有的I/O位均可单独配置，每一根口线分别对应输入、输出、方向和功能选择等多个寄存器里的一位。因此，其温度模拟控制可以采用带隔离的低电压控制方式。　　3超低功耗电子温度计硬件设计　　图1所示是本超低功耗电子温度计的硬件原理框图。下面给出其它单元电路的设计方案。

2万 · 2013-4-29 10:29

2 系统电路设计

2．1 MSP430微控制器电路设计

系统硬件设计采用MSP430F2274微控制器作为主控制器。MSP430单片机是TI公司生产的一种超低功耗的混合信号控制器。该微控制器可用电池供电，而且使用时间长，该器件在少于6 μS的时间内可从低功耗模式迅速唤醒。MSP430单片机内还集成有A／D转换器、硬件乘法器、定时器、比较器等模块。它具有16 MI／s的指令传输速率，200 kS／s的10位SAR型模数转换器，2个内置的运算放大器，具有看门狗定时器，2个16位定时器A3和B3，USCI模块支持UART／LIN、SPI总线、I2C总线以IrDA等5个低功耗模式，低于700 nA待机模式，工作电源电压为1．8～3．6 V，工作温度范围为-40～85℃。MSP430F2274应用电路如图2所示。

2万 · 2013-4-29 10:29

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　3.1温度采集转换电路　　利用MSP430来测量电阻，就可以通过斜率技术而不使用A／D转换电路，处理起来简单易行。对于这种技术，可以使用MSP430系列芯片上的比较器和时钟来完成斜率的A／D转换。　　本系统的具体温度测量是应用电容充放电把被测电阻值转换成时间，再利用MSP430内部的捕获比较寄存器准确捕捉时间，从而测量出热敏电阻的阻值，以间接获得温度值。其温度检测电路结构如图2所示。　　图中，Rref是参考电阻，用于定标，Rsens是被测电阻。　　系统工作时首先令MSP430接Rref的口置位，然后输出高电平Vcc并通过标准电阻对电容定时充电，定时时间到后，端口复位，使电容放电，放电过程一直持续到电容上的电压降到充电端口为“0”电平的上限为止，截止时刻由Timer_a内部的捕捉器通过捕捉入口 CA0准确地捕捉。这一段放电时间可标记为Tref。然后，对P2.1施以同样的操作，以获得电容通过被测电阻放电的时间Tsens。最后比较Tref和 Tsens，并由下式计算出被测电阻值：　　Rsens=RrefTmeas／Tref　　式中，Rsens为被测热敏电阻，Tsens为被测组件放电时间，Tref为参考组件放电时间，Rref为参考精密电阻。　　由上式可以看出，只要电压和电容的值在测量中保持稳定，电压和电容的具体取值便不再重要，这是因为在比例测量原理中，这些因素在计算过程中已被消除。因此，尽管仪表的供电电池的电压具有离散性，并且该电压会随着时间的推移逐渐减小，但是，由于被测电阻值的测量与电源电压值的大小毫无关系，所以该测量方法具有电源电压自补偿特性。

2万 · 2013-4-29 10:32

3.2 LCD液晶驱动显示电路

　　LCD显示电路可采用HT1621驱动，HT1621是128点内存映象和多功能的LCD驱动器。HT1621 的软件配置特性使它适用于多种LCD应用场合，包括LCD模块和显示子系统。用于连接主控制器和HT1621的管脚只有4或5条。此外，HT1621还有一个节电命令用于降低系统功耗。

　　用此LCD液晶驱动器可驱动4路公共端、1／3偏压比的 4位液晶板。此驱动电路还具有待机功能。当系统进入待机模式后，驱动芯片和液晶板的总耗电量小于1μA(几乎为零)。

　　4软件设计

　　4.1 电源管理软件的低功耗设计

　　要想最大效率地利用电池的能量，延长便携式仪表的电池使用寿命，除了选择低电压低功耗器件为硬件基础外，还必须编制具有灵活的电源管理软件，具体措施如下：

　　(1)由于微处理器内部的基本模块都有各自的电源开关，只有在使用时才打开。因此，进行温度采样时，可通过软件启动定时器Timer_a，开始捕获；采样结束时，再通过软件关闭定时器，禁止捕获；

　　 (2)由于温度属时慢变参数，因此，温度的采集应采用定时中断方式。即在CPU初始化后立即进入低功耗模式，等待中断。定时器中断将再次唤醒CPU进行温度采集和数据处理，并将此时的温度值存人Flash Ram中，处理完毕后，CPU再次进入低功耗模式；

　　(3)对CPU状态进行智能化管理。MSP430单片机具有LMPO～LMP4等5种低功耗模式(LMP的序号越高，该模式下的功耗越低)。不采集温度时，可使CPU处于低功耗模式LMP3(V为3 V，f为32768 Hz)，该模式下的工作电流小于2μA。从低功耗模式到工作模式的转换时间小于6μs。

　　 (4)为了降低电流消耗，可在温度检测电路里用3根I／O口线．并使其平时均处于高阻态，而在数据采集过程中，再通过CPU将相应的口线切换到输出状态。

2万 · 2013-4-29 10:32

4.2软件程序

　　本系统软件由主程序、定时中断服务程序和一系列子程序组成。主程序用于完成单片机的初始化以及等待中断。定时中断服务程序包括测量用的定时充电程序、数据处理子程序以及放电时间测量程序等。其放电时间测量程序流程图如图3所示。被测电阻的测量精度取决于放电时间的测量周期数，例如，当所需分辨率为10位时，可设置计数器的最大值为1024个测量周期。

　　MSP430的工作模式可通过模块的智能化运行管理软件和CPU的优化状态组合来支持超低功耗的各种要求。主要是使系统中的单片机工作时处于激活模式，工作间隙则将其设定为低功耗模式，以降低系统功耗。