C甲超低功耗电子温度计.doc

2008山东省大学生电子设计大赛设计题目: 超低功耗电子温度计（C题）【本科组】编号：C甲1313参赛队员指导教师：参赛学校： 2008年 9月摘 要 本系统是用MSP430F1232实现的超低功耗电子温度计。整机静态功耗小于5微安,具有温度检测和越限报警功能。系统的发挥功能有电子时钟、通过串口通信连接上位机，利用Labview图形化显示数据等。本文论述了系统设计原理，进行了理论分析和电路分析，详细阐述了硬件和软件设计，并进行了系统测试和结果分析。关键字：MSP430单片机，低功耗，温度检测1、设计要求及系统简介1 1系统设计要求设计一个电子温度计，能够通过温度传感器测量并显示被测量点的温度。1基本要求：(1) 检测温度范围1030，分辨率1；(2) 正确显示温度(3) 整机静态功耗小于5微安(关闭LCD显示,时钟正常运行)(4) 按键唤醒显示2. 发挥部分要求：(1) 温度控制功能(能够演示出控制功能的存在)(2) 显示时分秒的时钟功能(能够正常切换和显示)(3) 其他功能12 系统框图整个系统的结构如图所示。经过现场采集数据后，系统随后与上位机系统进行数据通信，由上位机系统完成后期的数据分析和数据存储工作。如图 1-1测试仪器上位机串口通信图1-1 整体结构图本系统采用超低功耗MSP430单片机设计，主要有电源模块、传感器模块、串口通信模块及LCD显示器等组成。系统组成框图如图1-2所示。MSP430单片机温度传感器显示器KEY按键串口通信接口电源模块晶振、复位电路报警电路图1-2 硬件电路组成结构图2、方案论证21 MSP430微控制器的优势单片机的选择在本系统的设计中至关重要。一条重要的原则就是要实现低功耗、低成本。通过对系统的性能需求和实际应用范围的分析，对当前市场上几种常用单片机在其主要技术指标和特点方面进行了性能对比以便选型；以51单片机、PIC单片机、AVR系列单片机以及MSP430单片机为例从存储器类型、外部中断数量、内部时钟、内部A/D、内部温度传感器、波特率调整器、开发工具价格以及功耗情况等方面进行了比较。详见表2-1。表 2-1各类主流单片机基本机型性能对比机型51PICAVRMSP430存储器程序存储器数据存储器程序存储器数据存储器程序存储器数据存储器信息存储器程序存储器数据存储器信息存储器外部中断2282个8位I/O口内部时钟无无无有内部A/D无无无有内部温度传感器无无无有波特率调整器无无无有低功耗数百微安数十微安数十微安小于1 A开发工具仿真器、编程器仿真器、编程器JTAGJTAGMCS-51是一种利用比较广泛的8位单片机，指令系统为CISC结构，111 条指令，电源电压为5伏，两种低功耗方式，正常情况下消耗的电流为 24mA ，在掉电状态下，其耗电电流仍为 3mA ；即使在掉电方式下，电源电压可以下降到 2V ，但是为了保存内部 RAM 中的数据，还需要提供约 50uA 的电流。51单片机具有运算速度慢、功耗大、内部资源少等不足，因此在本系统设计中不予采用。MSP430单片机采用最新的低功耗技术，工作在1.83.6V 电压下，有正常工作模式( A M ) 和4 种低功耗工作模式(LPM1、LPM2、LPM3、LPM4), 在电源电压为3V 时，各种模式的工作电流分别为AM：340A、LPM1：70A、LPM2：17A、LPM3：2A、LPM4 ：0.1A ；它的超低功耗性在实际应用中，尤其是在电池供电的便携式设备中表现尤为突出。在系统初始化后便进入待机模式，当有允许的中断请求时，CPU 将在6s的时间内被唤醒。MSP430F1232具有非常高的集成度， 片内集成了10通道的10位A / D转换、具有PWM功能的定时器、温度传感器、片内USART、看门狗定时器、片内数控振荡器(DCO)、大量的具有中断功能的I/O 端口、大容量的片内Flash 和RAM 以及信息Flash 存储器。综上所述，TI公司的MSP430F1232是一个运算速度快、外围模块丰富、易于波特率调整且功耗低的单片机，完全满足本设计的需求。本设计不但要求设计简单，方便使用和操作，而且功耗要低。因此经多方面综合、对比，决定采用TI公司的具有SOC特点的MSP430系列MCU：MSP430F1232。2.2 温度检测方案选择温度计的测温方案一般有以下几种：方案一：采用集成的温度采集芯片（如18B20）来进行测温。这种方案需要得知温度与A/D转换后的数字量的关系才可以得出当前温度来，标定较为繁琐。这种方案的优点是编程简单，但是功耗大。图2 RC测温方案原理框图方案二：RC测温。此方案主要采用热敏电阻RT和标称电阻R1以及电容等元件，主要利用热敏电阻能根据环境温度的大小改变自身的阻值，电容C的作用是让充电电压缓慢上升或下降，以达到一定的时间。此方案只要通过标准电阻和热敏电阻的放电时间就可以求出当前热敏电阻的阻值，然后根据阻值与温度的大小就可以得知温度的值。与上一种方案比较其优点为功耗小，但是精度随着电容的充放电量时间变化而定，误差较大。方案三：二极管测温。与前2种方案比较，此种方案设计最为简单经济，功耗最小，线性度较高（非线性度小于2%）。因此在此选择方案三作为本次设计的测温方案。23 串口通信方案选择通过串行接口实现上位机（PC机）与下位机的通信连接。PC机的串行接口标准是RS-232C。RS-232C是美国电子工业协会（EIA）在1969年公布的数据通信标准。RS是推荐标准（Recommended Standard）的英文缩写，232C是标准号。其设计之初是为了把计算机通过电话网与远程终端相连而设计的。RS-232C标准采用25针连接器，最常使用的是其中的9个通信信号，基本的数据传输信号有RxD、TxD、GND，分别表示接收数据信号、发送数据信号和地信号。RS-232C标准采用负逻辑，而目前广泛使用的I/O接口芯片多采用TTL标准电平，其具体参数如下表所示：表3-1 TTL标准与EIA标准对比TTL标准EIA标准逻辑00V0.8V+3V+15V逻辑1+1.5V3.3V-3V-15V根据上表所示，为了实现电平转换，有两种方案：（1）采用集成芯片MAX232。集成芯片MAX232虽然是具有专业的串口通信功能的集成芯片，但无论其是否与上位机进行数据传输，该芯片都将处于待机耗能状态，这对系统的能量消耗时非常大的。对系统的低功耗性能是一种影响。（2）采用分离器件电路方式设计基于RS-232协议的串口通讯电路。该电路不仅能实现电平转换，而且能够实现低功耗。系统在没有与上位机进行通信时，该通信电路的发送端和接收端的电平均为低电平，当系统与上位机进行数据传输时，电路的发送端和接收端才被置为高电平。这样的状态下，通信电路部分在不进行数据传输的时候，是完全不耗电的，在低功耗方面起到了理想的效果。在设计本系统的硬件电路过程中，为了突出本系统的功耗低的特点，选择方案2。24 显示模块的选择显示模块的选择方面，当前市场上的普遍使用的显示设备有LED共阴极数码显示管和LCD液晶显示设备。LED数码管的结构简单，成本较低，而且驱动程序较为简单，但因为其7段码的显示结构决定了它显示的内容是非常有限的，只能显示数字和部分字符，使系统人机界面不够友好。LCD液晶显示设备的显示功能相对强大，它既能显示数字和文字，甚至可以显示部分图形信息。能够向用户提供更多的信息。但其结构复杂，编程复杂且成本较高的缺点也是不可忽视的。以上两种设备能满足本套系统的现实需求，但考虑到系统的成本问题，决定采用LED数码管作为输出设备3、系统硬件设计及理论计算3.1主机及显示模块主机模块电路图如附件3-1所示。该电路中包括了MCU芯片MSP430F1232、晶振电路、复位电路、下载器接口电路。在晶振电路里，该系统选择的是32768HZ的晶振，作为主机系统的主频。图 3-1：主控电路原理图单片机P1口接LED数码管。图 3-2：显示电路原理图3.2 测温及声光报警电路6本系统对温度的测量，是通过MSP430检测温度传感器，转换为摄氏温度的方法实现的。首先，应将温度传感器所表示温度的模拟量应用片内ADC10模数转换模块转换后用数字表示。对于模数转换部分，利用A10作为模拟输入通道，参考电压选择片内基准电压1.5V。对于转换结果部分，将转换后的摄氏温度值存放于RAM区自定义单元暂存单元，用BCD码表示。A/D采样值到温度值的转换算法如下：C = ( ( x / 1024 ) * 1500mV 986mV) * 1 / 3.55mV = x * 423 / 1024 278所以，在本换算程序中设定入口参数为：ADC10MEM 0000 0FFFH换算结果参数为：R12 0000 091H即： R12 = ADC10MEM / 1024 * 423 278温度值经如下转换后，由于误差，使得测量值与真实值之间有一定差异，所以需要设定一个温度修正常数对温度进行修正，本程序的温度修正常数为278。8图 3-3：测温和声光报警电路图33 串口通信模块通信接口电路如图所示. 系统在没有与上位机进行通信时，该通信电路的发送端和接收端的电平均为低电平，当系统与上位机进行数据传输时，电路的发送端和接收端才被置为高电平。通信电路部分在不进行数据传输的时候，是完全不耗电的，在低功耗方面起到了理想的效果。图3-4 串口通信模块原理图3.4 电源模块电源电路如附件图3-2所示，由一片LP2933、一片AS117、二极管、电阻、电容等组成，系统的输入电源为6V左右的直流电，使用三端可调稳压器LP2933后，输出稳定的电压3.3V为MSP430单片机供电。图3-5电源电路3.5 按键模块独立式键盘占用系统口线太多；行列扫描式键盘方案虽然适用于较多按键的设计，比如44行列扫描键盘利用8根端口线可以连接16个按键。但是系统设计之初为了节约成本我们选择了MSP430F1232芯片。该芯片只有22条I/O口线，其中8条用于LCD显示的输出，由于其它I/O线分别用于其他功能，没有足够多的端口线用于设计行列扫描式键盘。这种情况下采用N线控制N*(N-1)按键的键盘设计方案。如附件图3-3所示，该设计方案利用较少的端口线连接了较多的按键，但设计方案的缺点是程序设计比较复杂。具体工作原理如下：第一次：先使P3.0为输出，且输出为0。使P3.1和P3.2为输入，读入它们的状态，若P3.1为低电平，则说明按键KK2按下了，若P3.2为低电平，则说明按键KK1按下了。第二次：先使P3.1为输出，且输出为0。使P3.0和P3.2为输入，读入它们的状态，如果P3.0为低电平，则说明按键KK4按下了，若P3.2为低电平，则说明按键KK3按下了。第三次：先使P3.2为输出，且输出为0。使P3.0和P3.1为输入，读入它们的状态，若P3.0为低电平，则说明按键KK6按下了，若P3.1为低电平，则说明按键KK5按下了。图3-3：N*(N-1)按键键盘方案4、 系统软件设计功能模块如图4-1所示。电子温度计设计初始化模块键盘处理模块LED显示电子时钟模块通信模块温度检测 图4-1：软件框图基本要求部分模块功能：（1）初始化模块：包括各个端口的设置，时钟源的选择及设置，显示缓冲区的初始化，各个中断的设置以及设置各个标志位的初始值等。（2）键盘处理模块：主程序中对按键进行不断地扫描，若有按键按下并经过延时去抖动之后，转入按键处理子程序。在按键处理子程序中，确定键值。（3）LED显示模块：该模块显示温度、时间等。发挥部分模块功能：（1）温度控制功能（2）电子时钟模块。（3）通信模块：实现双机通信。41 主程序系统初始化系统时钟定时器I/O模块存储单元堆栈发送定时开中断LED 显示发送定时按键扫描图4-2：主程序42 休眠功能键现场保护取标志并判断当前处在休眠状态？关闭相关电路 N使CPU处在LPM3状态 Y解除休眠状态，唤醒系统恢复现场从中断返回图4-3温度测试子程序流程图43温度检测控制子程序撤销控制信号超过设置值？将当前温度与设定温度比较利用算法将温度采样值转换成摄氏度，送显示缓冲区取出温度A/D采样值现场保护 N Y从中断返回恢复现场输出控制信号44 LED显示程序建立显示缓冲区指针现场保护扫描完毕？否是关闭显示扫描相应位延迟1ms扫描下一位送七段字形码恢复现场图4-4 LED显示程序流程图44 数据发送程序流程图取发送数据指针现场保护结束符？否是取后续数据送发送器关闭发送器恢复现场从中断返回保存发送数据指针图4-5 数据发送程序流程图45 数据接收程序流程图取接收器数据指针现场保护开始符？否是建立标志存数据及指针恢复现场关闭接收器接收标志？否结束符？从中断返回是是否图4-6 数据接收程序流程图5、 测试方法与结果分析 测试仪表：温度计、万用表低功耗测试：按键进入低功耗状态(关闭LED显示,时钟正常运行)，测试整机静态功耗电流为3微安,小于5微安。满足设计要求。可以按键唤醒。测温测试：测试范围0-80度。（1）把温度传感器放在水里，调节水温，仪器检测值与温度表检测值进行对比。表5-1：温度测试数据12345678温度计1020304050607080显 示1020304049596978（2）用热源（例如电烙铁）接近温度传感器，仪器检测值发生变化，超限声光报警动作。6、 总结本系统利用MSP430实现了超低功耗电子温度计的设计，系统休眠状态功耗电流小于5微安。在发挥部分中加入了声光报警、电子时钟显示以及上位机联网等功能。在系统的设计过程中，不论是硬件的