论文研究-基于MSP430的超低功耗电子温度计 .pdf

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基于MSP430的超低功耗电子温度计,王雪维,李世银,本系统采用TI公司的 MSP430F2274单片机作为主控制器,选用总线式温度传感器DS18B20测量温度,采用LCD驱动专用芯片HT1621驱动LCD玻璃片显示温
国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 只有ACLK处于活动状态,功耗很低,经计算,普道电池即可供数年之久。 70 键部分 键盘采用独立式键榲接口设计。每个按键占用一根输入口,电路配置灵活,软件结构简 单,编程较容易,在需要按键较少或捰作速度较高的场合,会获得较好的效果 电源部分 我们选用3.6V的LIR2032锂电池供电,为了更加节能,选用了太阳能电池板作为辅助 75电源,让锂电池使用时间增长。在有阳光或者强烈的灯光的情況下,太阳能电池板就可以满 足温度计供电。在一些紧急场合,电池没电时,温度计仍然可以使用 综合以上硬件系统的设计,本系统采用T公司的MSP430F2274单片机作为主控制器, 选用总线式温度传感器DS18B20测量温度,采用LCD驱动专用芯片HT1621驱动LCD玻 璃片显小温度值,使用3.6ⅴ的LIR2032锂电池供电或太阳能电池板,在实现高精度湿度测 80量的冋时,实现超低功耗的控制。 各部分硬件电路设计 的主控电路 TI公司的MSP430F2274是一款16位的超低功耗MCU,具有低电压供电,指令周期短, 运算速度快,内置高精度的12位AD等特点。本系统设计了如图2所示的主控制电路。 85图中只有一个MCU,一个复位电路,一个晶振组成最小系统,外围器件简单,为系统的节 能和稳定工作提供了基础。 MSP+30F2274 VCC TESTSBWICK DⅤCC P1.6/TAI TCLK P25 Rosc P14/MCL K/TCK P1/TA2 esL CUT/P2. 7 P12/TA I PLI/TAO P2 0/ACLK PLO/TACLKJADC 10P2.1/TAINCLK P2 4TALA/REF+ P2.3/TALA3/REF- 12 P3 O/STEO P3.7/A7 P3. 1/SIMOO P3.2/SOMI0 P3. 5/URXD I CA VCC P47/1624 LVSS P44/TBIA3 P42/TR2 P4.3/TBO A12 20 图2主控电路图 Fig. 2 The circuit diagram of main control 液晶驱动及报警电路 选用HT162IB作为LCD的驱动器件。主控制器与HT1621B之间接∏只需四根线 HI162B工作电压24V-5,2V,恰好可以适用于430单片机此外HI1621B可以通过掉电指 令来降低器件的功耗,更能满足节能的要求。如图3所示 3 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 、18° 1234 465432 20 10 9876 327814 B456789 3222 09876 HTO2IB ICD十 图3液晶驱动电路 driving circuit of liquid crystal 温度检测电路 基于DS18B20的温度测量装置如图4所示:温度传感器DS18B20将被测温度转换成帶 符号的数字信号(以十六位补码形式,占两个字节),传感器可置于离装置150米以内的任 何地方,数据端直接与单片机相连,4.7K的上拉电阻,传感器采用外部电源供电。 105 当温度高于警戒值(本系统设置为40℃)时,绿色发光二极管将开始闪烁。随着温度 越高,当高于40℃时,绿色发光二极管闪烁开始加快。如图5所示 D2 4K P4.3 grccn 55o 图4DS18B20温度检测电路 图5温度指小电路 110 Fig 4 DS18B20 circuit of temperature detecting Fig. 5 The circuit of temperature indicating 湿度检测电路 湿度检测电路选用湿敏电阻CHR02-653作为湿度传感器,用一个电阻与湿敏电阻对电 源分压,组成的湿度检测电路,如图6所小。因为MSP430F2274内置10位AD。转换速率 115可以达到200Kbps。为了保让测量精度,采用多次测量求平均值的方法进行数据处理。启动 湿度检测后,进行10次AD转换,将平均值显示出来。 键为供电部分 在给单片机触发信号的同时,为电容充电,液晶显示利用电容中的电能工作,这样做 不需要将液晶屏接到电源上,液晶驱动及显小部分也为零功耗待机。如图7所 120 4 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn SI Keyl CH1-63 R3 IOK Cl 5K VICD 125 图6湿度检测电路 图7键盘电路 Fig. 6 The circuit of temperature detecting Fig7 keyboard circuit 电源供电方式与欠电压检测 电源选用太阳能电池板和电池并用的供电方式。为了增加电池的使用时间,同时防止电 130池电量不足时产生的误差,增加了电压检测功能。如图8所示,利用MSP430内置分压电阻 对电压进行检测,当电压下降到3V时发出告警声,同时红灯点亮 B UroP P4.2 阳 能 36 414 RED 毛 P5.0 板 图8电源及欠压报警电路 135 ig.8 The alarm circuit of power and under voltage 温度控制电路 双向可控硅的特性是一经触发导通就可以自己维持导通状态,尽管断开控制极也不能陧 断,这是相对直流电而言的。在交流电中,电频率是交变的,断开控制极时,电脉冲在某 140波动瞬间0点时,可控硅就失去维持电流而关断。冋时利用双向品闸管作电子廾关比机械廾 关更加优越。因为只需很低的控制功率,就能控制相当大的电流,它不存在触点抖动问题, 动作速度极快,在关断时也不会出现电弧现象 温度控制系统利用双向可控硅,直接把可控硅作为开关接到电路之中,把DSl8B20放 到要控温的设备上,保证良好的接触。然后在通过按键设定温度,单片机会自动检测温度使 145之达到设定值。如图9所示。 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn RI 100 D/A 图9温度控制电路 Fig. 9 The circuit of temperature control 150 算法采用PID控制。PID控制是在比例控制的基础上増加积分、微分控制,输入要控制 的温度,系统自动设定PD参数,在起始时温度稍有泼动和温度偏差,但会很快在温度设 置处稳定卜来 主程序流程图 155 为了保证系统的待机功耗较低,本系统中关断了所有的外围器件,只保留一个外部低频 品振,作为计时的时钟源。所有的工作,都是通过中断来实现。系统的主程序流程图,如图 10所小。 开始 系统初始化 温度测中断进入进入LPM3中断进入湿度测 空模式 低功耗模式 量模式 结束返凹 结束返 中断进 束返回 可显示 图10主程序流程图 160 Fig. 10 The flow chart of main program 测试及结论 测水温(用海达GYS2型加热器加热,新仪WIB-21型二等水恨温度计测温)在经过 校准之后,我们对温度计进行了第二次数据测量校正,具体参数如下: 165 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 表1水温监测 Tab. 1 The monitoring of water temperature 测量时间(分钟)系统显示(摄氏度)温度计显示(摄氏度)测量误差(摄氏度) 0 29.8 30.0 0.5 0.4 37.2 0.0 1.5 41.3 41.4 0.1 45.1 445 5. 51.1 060 3.5 49.1 49.2 00000 50.1 50.4 45.6 50.0 0.1 50.2 50.2 49.9 49. 49.8 49. 86 0.2 170 由测试数据可知,系统的分辨率高。 系统校准以后,我们又对系统的功耗作了进一步的测量,等到系统达到稳定以后,系统 在不同工作电压下的待机电流如下(测试仪表:VC9807A数字万用表,C3l-uA直流微安 表) 175 表2系统静态工作状况测量 Tab. 2 The measurement of working condition of system steady state 电压V1.82222426283323436 工作电流A2.32.42.52.72.72.82.92.93.545 结论 由于传感器和其他器件本身并非理想线性,程序中对实测数据进行了线性补偿,经程序 补偿后测量结果与所用标准仪器测量结果基夲相符。同时,环境和人工测量所带有的不可避 免的误差也是造成测试结果有一定偏差的原因。 在单片机⊥作电压1.8-3.6V范围内,待机电流始终小于5uA,完全符合超低功耗标准 185参考文献 l]工魁汉温度测量实用技术LM]北京:机械业出版社,2007 2」张福学传感器应用及其电路精选M两安电子业出版社,1992 3」周惠潮孙晓峰编著.常用电子器件及典型应用[M」西安:电子I业出版社,2007 4]康华光电了技术基硏M]北京第五版高等教育出版社,2005 190[5]沈建华MP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M]北京清华大学出版,2000 16 Mike Mitchell. Implementing an Ultralow-Power Keypad Intertace With the MP430[/],TEXAs INSTRUMENTS. 2002: 4-8 [7TI Company. MSP430xlxx User's Guide(SLaU049)Z.TEXAS INSTRUMENTS, 2002 [8]石镇山,宋彦彦温度测量常用数据手册[M]北京:械工业出版社,2008

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