2008年C题 超低功耗电子温度计

C C 甲甲 超低功耗电子温度计超低功耗电子温度计 山东建筑大学 鞠来财 范继聪 郑丽 专家点评专家点评 该作品是一个低功耗电子温度计 使用超低功耗的 带 Flash 存储器的 MSP430 单片机以及 DS18B20 数字温度传感器 HT1621D 驱动的液晶模块 LCD 和 DS1302 时钟芯片 MSP430 单片机同 温度传感器之间通过单总线连接 MCU 读取传感器测量值 换算并 将结果通过 LCD 显示 该系统还具有按键唤醒 温度与时间显示转 换以及蜂鸣器自动报警等功能 该方案具有节能耐用 结构简单 外形小巧 价格低廉等优点 按照该方案制作的测温装置不但可以 达到测量要求 而且可以在使用 3 6V 电池供电的情况下能正常工作 多年 山东建筑大学山东建筑大学 李伟李伟 教授教授 2008 9 24 目录目录 摘要摘要 1 1 方案论证与比较方案论证与比较 2 1 11 1 单片机的比较与选择单片机的比较与选择 2 1 2 数据采集方式的比较与选择数据采集方式的比较与选择 3 1 31 3 显示方式比较与选择显示方式比较与选择 3 1 41 4 时间显示比较与选择时间显示比较与选择 4 2 2 系统设计系统设计 5 2 12 1 总体设计总体设计 5 5 2 22 2 单元电路设计单元电路设计 5 5 2 2 12 2 1 MSP430MSP430 单片机电路设计单片机电路设计 5 5 2 2 22 2 2 DS18B20DS18B20 温度传感器电路设计温度传感器电路设计 6 6 2 2 32 2 3 DS1302DS1302 时钟芯片电路设计时钟芯片电路设计 8 8 2 2 42 2 4 HT1621DHT1621D 驱动的驱动的 LCDLCD 电路设计电路设计 8 8 2 2 52 2 5 按键电路设计按键电路设计 9 9 3 软件设计软件设计 1010 3 13 1 总电路设计总电路设计 1010 3 23 2 各模块电路设计各模块电路设计 1010 4 4 系统测试系统测试 1111 4 14 1 低功耗温度计与通用标准温度计比较低功耗温度计与通用标准温度计比较 1111 4 24 2 功耗测量功耗测量 1111 5 5 总结总结 1111 参参 考考 文文 献献 12 附录附录 12 附录附录 1 1 元器件清单 元器件清单 12 附录附录 2 2 总电路图 总电路图 1313 1 摘要摘要 本设计制作的是一个低功耗电子温度计 使用低功耗的 带 Flash 存储器的 MSP430 单片机 DS18B20 数字温度传感器 HT1621D 驱动的液晶模块 LCD 和 DS1302 时钟芯片 MSP430 单片 机同温度传感器之间通过单总线连接 MCU 读取传感器测量值 换 算并将结果通过 LCD 显示 该系统还具有按键唤醒 温度与时间显 示转换以及蜂鸣器自动报警等功能 该方案具有节能耐用 结构简 单 外形小巧 价格低廉等优点 按照该方案制作的测温装置不但 可以达到测量要求 而且可以在使用 3 6V 电池供电的情况下能正常 工作多年 关键词关键词 单片机 温度传感器 LCD 时钟芯片 Abstract This design is a low power electronic thermometer using a low power consumption equipped with the MSP430 MCU Flash memory DS18B20 digital temperature sensor HT1621D driven LCD modules and LCD DS1302 clock chip The MSP430 MCU link the temperature sensor with a single bus connections The MCU reads sensor measurements conversion and show the results through LCD display a key conversion the LCD display and a buzzer alarm and so on This scheme is comprehensive energy saving durable simple structure shape compact and low cost advantages The scheme produced in accordance with the temperature measuring devices can not only meet the demand but also can work properly in the use of 5 V battery powered circumstances Keywords MSP430 DS18B20 HT1621D LCD DS1302 2 1 方案论证与比较方案论证与比较 1 11 1 单片机的比较与选择 方案一 采用新华龙单片机 C8051F020 C8051F020 单片机含有 64kB 片内 Flash 程序存储器 4352B 的 RAM 8 个 I O 端口共 64 根 I O 口线 一个 12 位 A D 转换器 和一个 8 位 A D 转换器以及一个双 12 位 D A 转换器 2 个比较 器 5 个 16 位通用定时器 5 个捕捉 比较模块的可编程计数 定 时器阵列 看门狗定时器 VDD 监视器和温度传感器等部分 C8051F020 单片机支持双时钟 其工作电压范围为 2 7 3 6V 端口 I O RST 和 JTAG 引脚的耐压为 5V 与以前 的 51 系列单片机相比 C8051F020 增添了许多功能 同时其可靠 性和速度也有了很大提高 方案二 采用 MSP430 单片机 MSP430 单片机是一个 16 位的单片机 具有强大的处理能力 采用了精简指令集结构 具有丰富的寻址方式 7 种源操作数寻址 4 种目的操作数寻址 简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指 令 大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算 还有高 效的查表处理指令 有较高的处理速度 在 8MHz 晶体驱动下指令 周期为 125 ns 这些特点保证了可编制出高效率的源程序 整机 静态功耗小于 5 微安 由于本设计电路简单 C8051F020 单片机的许多功能用不到 MSP430 单片机所具有的功能足可满足设计需要 又考虑到整机静 3 态功耗 价格 以及应实现的功能 故选用 MSP430 单片机比较理 想 1 2 数据采集方式的比较与选择 方案一 利用 A D 转换器实现数据的采集和转换 A D 模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字 信号 由于数字信号本身不具有实际意义 仅仅表示一个相对大小 故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换 的标准 比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小 因此需要一 定的外围电路才能实现其功能 方案二 利用 DS18B20 温度传感器实现数据采集和转换 DS18B20 的测温范围为 55 125 在 10 85 范围内 精度为 0 5 现场温度直接以 一线总线 的数学方式传输 大 大提高了系统的抗干扰性 适合于恶劣环境的现场温度测量 如 环境控制 测温类消费电子产品等 在传统的模拟信号远距离温度 测量系统中 需要很好的解决引线误差补偿问题 多点测量切换误 差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题 才能够达到较高 的测量精度 采用新型数字温度传感器 DS18B20 克服上面提到的三 个问题 分辨率设定 及用户设定的报警温度存储在 EEPROM 中 掉电后依然保存 本次设计的电子温度计检测温度范围 10 30 分辨率 1 在此条件下两种方式均可满足 考虑到电路的繁简程度 MSP430 的 I O 数较少 故选用温度传感器 DS18B20 4 1 31 3 显示方式比较与选择 方案一 使用液晶显示屏显示 液晶显示屏 LCD 具有轻薄短小 低耗电量 无辐射危险 平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势 可视面积大 画面效果 好 分辨率高 抗干扰能力强等特点 方案二 使用传统的数码管显示 数码管具有 低能耗 低压 对外界环境要求低 易于维护 此方案控制简单 但能耗达不到设计要求 比较二者 因为 LCD 显示更逼真形象 能耗低 驱动电流小 字码显示柔和 并且驱动芯片 HT1621D 可外部直接连接蜂鸣器 串 口通信 利用 I O 口少 故拟选择方案一 1 41 4 时间显示比较与选择 方案一 由单片机实现时钟功能 单片机内部具有定时器 可方便实现定时功能 但由于系统 晶振误差 温漂 中断响应时间的不确定性及定时器重新装载 时间常数所带来的误差 决定它不能用来作为时钟的时间基准 方案二 专用时钟芯片 目前市场上已有很多实时时钟芯片 如 DS12887 DS1302 PCF8563 X1227 DS1302 等 芯片内都集成 了时钟 日历功能 给时钟系统设计带来很多方便 因此计时功 能以选专用时钟芯片为宜 5 在系统硬件设计时 串行总线接口较并行总线接口较为方便 系统设计选串行接口总线实时时钟芯片为计时芯片 DS1302 2 2 系统设计系统设计 2 12 1 总体设计 温 度 传 感 器 模 块 LCD 驱 动 模 块 中央处理器MSP430模块 时 钟 模 块 按 键 唤 醒 模 块 LCD 显 示 2 1 总体设计框架图 2 22 2 单元电路设计 2 2 1 MSP430 单片机电路设计 该单片机采用了精简指令集 RISC 结构 具有丰富的寻址 方式 7 种源操作数寻址 4 种目的操作数寻址 简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令 大量的寄存器以及片内数据存储 6 器都可参加多种运算 还有高效的查表处理指令 有较高的处理速 度 在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns 这些特点保证 了可编制出高效率的源程序 在运算速度方面 单片机能在 8MHz 晶体的驱动下 实现 125ns 的指令周期 16 位的数据 宽度 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器 能实现乘加 相配合 能实现数字信号处理的某些算法 如 FFT 等 当系统 处于省电的备用状态时 用中断请求将它唤醒只用 6us 超低功 耗 MSP430 单片机之所以有超低的功耗 是因为其在降低芯片的 电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 13 Sep 2008Sheet of File C Documents and Settings Administrator 桌桌 PREVIO 1 DDBDrawn By DVcc 1 P3 5 URXD0 33 P6 3 A3 2 AVcc 64 P6 4 A4 3 P3 6 UTX D1 34 P6 5 A5 4 DVss 63 P6 6 A6 DA0 5 P3 7 URXD1 35 P6 7 A7 DA1 6 AVss 62 Vref 7 P4 0 TB0 36 XIN 8 P6 2 A2 61 XOUT TCLK 9 P4 1 TB1 37 Veref 10 P6 1 A1 60 Vref veref 11 P4 2 TB2 38 P1 0 TACLK 12 P6 0 A0 59 P1 1 TA0 13 P4 3 39 P1 2 TA1 14 RST NMI 58 P1 3 TA2 15 P4 4 40 P1 4 SMCL K 16 TCK 57 P1 5 TA0 17 P4 5 41 P1 6 TA1 18 TMS 56 P1 7 TA2 19 P4 6 42 P2 0 ACLK 20 TDO TD2 55 P2 1 TAINCLK 21 P4 7 TBCLK 43 P2 2 CAOUT TA0 22 TDO TD1 54 P2 3 CA0 TA1 23 P5 0 44 P2 4 CA1 TA2 24 XT2IN 53 P2 5 Rosc 25 P5 1 45 P2 6 ADC12CLK 26 P5 7 TBOUTH 52 P2 7 TA0 27 P5 2 46 P3 0 STE0 28 P5 7 TBOUTH 51 P3 1 SIMO0 SDA 29 P5 3 47 P3 2 SOMI0 30 P5 6 ACLK 50 P3 3 UCLK0 SCL 31 P5 4 MCLK 48 P3 4 UTXD0 32 P5 5 SMCLK 49 M SP430 D1 MSP430 1 6 2 7 3 8 4 9 5 J3 DB9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 J2 CON14 1 2 J1 CON2 VCC R8 33K R9 33K R10 33K R7 100K R1 1 R11 5 1K R12 5 1K C1 0 1uf C10 4 7uf C2 0 1uf C5 0 1UF C3 0 1uf C4 0 1uf C13 0 1uf C14 12Pf C15 12PF C12 0 1uf S1 SW PB S2 SW PB S3 SW PB T2 32 768HZ T1 8MHZ IN 1 GND 2 EN 3 OUT 5 NC 4 u2 TPS76030 R1 IN 13 R2 IN 8 T1 IN 11 T2 IN 10 C1 1 C1 3 C2 5 C2 4 T2 OUT 7 T1 OUT 14 R2 OUT 9 R1 OUT 12 GND 15 V 2 V 6 Vcc 16 U4 MAX3232 A0 1 A1 2 A2 3 GND 4 SDA 5 SCL 6 WP 7 Vcc 8 U7 24C02 VCC VCC VCC VCC VCC VCC GND C6 0 1UF VCC VCC TDO TDI TDI TMS RST TXD0 RXD0 RXD0 RST TCK TMS TD1 X3 X4 2 2 MSP430 单片机电路图 2 2 2 DS18B20 温度传感器电路设计 DS18B20 具有的新性能 1 可用数据线供电 电压范围 3 0 5 5V 7 2 测温范围 55 125 在 10 85 时精度为 0 5 3 可编程的分辨率为 9 12 位 对应的可分辨温度分别为 0 5 0 25 0 125 和 0 0625 4 12 位分辨率时最多在 750ms 内把温度值转换为数字 5 负压特性 电源极性接反时 温度计不会因发热而烧毁 但 不能正常工作 2 3 DS18B20 内部结构图 2 4 温度传感器控制原理图 R1 与单片机的 P1 7 口连接 通过单片机设置 当 P1 7 为高 电平时此电路导通 由 P2 7 向单片机输入采集的温度信息 此设 8 计具有节电功能 2 2 3 DS1302 时钟芯片电路设计 DS1302 是涓流充电时钟芯片 内含有一个实时时钟 日历和 31 字节静态RAM 通过简单的串行接口与单片机进行实时通 信 时钟 日历电路提供秒 分 时 日 月 年的信息 每月 的天数和闰年的天数可自动调整 时钟操作可通过AM PM 指示 决定 采用24 或12 小时格式 DS1302 与单片机之间能简单地 采用同步串行的方式进行通信仅需用到三个口线1 RES 复位2 I O 数据线3 SCLK串行时钟RAM 的读 写数据以一个字节或多 达31 个字节的字符组方式通信DS1302 工作时功耗很低保持数 据和时钟信息时功率小于1mW 2 5 时钟芯片电路图 2 2 4 HT1621D驱动的LCD电路设计 HT1621 是一种具有微控制器接口 由存储器映射的32 4 点 阵式LCD 控制驱动器 电路上电时清零复位 通过命令端进行工作 9 状态设置 通过片选 读 写端对RAM 数据进行读 写 修改操 作 按照一一对应的原则 驱动LCD 显示器 该电路可用于点阵式 LCD 显示驱动 各SEG 端是互相独立的 且容易对RAM 数据进 行修改 所以显示点阵内容灵活 可随用户任意定制 2 6 HT1621D驱动的LCD电路 2 2 5按键电路设计 该设计使用六个按键进行操作 其中一个按键具有系 统唤醒功能 当键按下时系统产生中断 由单片机向三极 管基极提供高电平 使三极管导通 DS18B20和LCD通电工 作 从而实现按键唤醒功能 有四个键用于设置时钟芯片 包括设置时钟的年 月 日 时 分 剩下的一个键的功 能是进行时间与温度显示的切换 10 2 7 按键电路 3 软件设计软件设计 3 1总电路设计总电路设计 初始化 进入睡眠 开电源 测温 读时钟 唤醒 显示温度 显示温度 显示时间 Y Y N N 3 1系统主流程图 3 23 2各模块电路设计各模块电路设计 11 开始 DS18B20初始化 跳过ROM 读取温度 读取8字节完 移入温度暂存器 结束 Y N 开始 初始化 擦出RAM 显示个位 显示十位 等待 结束 开始 初始化 DS1302复位 设定时间 读取时间 3 2 测温流程图 3 3 LCD显示流程图 3 4 时钟流程图 4 4 系统测试系统测试 4 1 低功耗温度计与通用标准温度计比较 次数低功耗温度计示数通用标准温度计示数 第一次1617 第二次2827 第三次2019 第四次2526 第五次1817 4 2 功耗测量 当系统处于睡眠模式时 即除单片机外其他器件均断电 此时测 得该系统的静态功耗约为1微安 12 5 5 总结总结 由于系统架构设计合理 经过认真细致的调试 各项功能实现 较好 温度传感器分辨率达到0 5摄氏度 数字时钟能够实时显示 当温度计处于静态工作状态时 单片机处于睡眠状态 静态功耗为1 微安左右 系统性能优良 稳定 较好地达到了题目要求的各项指 标 在本次设计大赛中 我们真正体会到制作一件成功的作品并不 像想象的那样简单 它需要扎实的专业基础 能熟练驾驭知识的能 力 团队的团结合作精神 吃苦耐劳的品质以及遇见问题沉着冷静 的态度 经过比赛这几天的奋战 我们真正体会到了身为大学生的 意义 解决问题的能力得到了很大的提高 为我们以后的学习工作 积累了宝贵的经验 请允许我们代表参赛的所有队员向为我们提供 这次参赛机会的领导老师表示最诚挚的谢意 参参 考考 文文 献献 1 胡汉才 单片机原理及其接口技术 第二版 北京 清华大 学出版社 1996 年 2 徐爱钧 彭秀华 单片机高级语言 C51 Windows 环境编程与 应用 北京 电子工业出版社 2001 年 3 李朝青 单片机原理及接口技术 简明修订版 北京 北京 航空航天大学出版社 1999 年 4 赵晶 电路设计与制版 Protel 99 高级应用 北京 人民邮电出 版社 2000 年 13 5 梅遂生 杨家德 光电子技术 信息装备的新秀 北京 国防工业 出版社 1999 年 6 康华光 电子技术基础数字部分 第四版 北京 高等教育出版 社 1980 年 7 康华光 电子技术基础模拟部分 第四版 北京 高等教育出版 社 1979 年 附录附录 附录1 元器件清单 1 MSP430单片机 2 HT1621D 3 DS1302时钟芯片 4 LCD液晶显示器 5 DS18B20温度传感器 6 三极管8050 7 蜂鸣器 附录2 总电路图 1 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 15 Sep 2008Sheet of File C Documents and Settings Administrator 桌桌 PREVIO 1 DDBDrawn By DVcc 1 P3 5 URXD0 33 P6 3 A3 2 AVcc 64 P6 4 A4 3 P3 6 UTX D1 34 P6 5 A5 4 DVss 63 P6 6 A6 DA0 5 P3 7 URXD1 35 P6 7 A7 DA1 6 AVss 62 Vref 7 P4 0 TB0 36 XIN 8 P6 2 A2 61 XOUT TCLK 9 P4 1 TB1 37 Veref 10 P6 1 A1 60 Vref veref 11 P4 2 TB2 38 P1 0 TACLK 12 P6 0 A0 59 P1 1 TA0 13 P4 3 39 P1 2 TA1 14 RST NMI 58 P1 3 TA2 15 P4 4 40 P1 4 SMCL K 16 TCK 57 P1 5 TA0 17 P4 5 41 P1 6 TA1 18 TMS 56 P1 7 TA2 19 P4 6 42 P2 0 ACLK 20 TDO TD2 55 P2 1 TAINCLK 21 P4 7 TBCLK 43 P2 2 CAOUT TA0 22 TDO TD1 54 P2 3 CA0 TA1 23 P5 0 44 P2 4 CA1 TA2 24 XT2IN 53 P2 5 Rosc 25 P5 1 45 P2 6 ADC12CLK 26 P5 7 TBOUTH 52 P2 7 TA0 27 P5 2 46 P3 0 STE0 28 P5 7 TBOUTH 51 P3 1 SIMO0 SDA 29 P5 3 47 P3 2 SOMI0 30 P5 6 ACLK 50 P3 3 UCLK0 SCL 31 P5 4 MCLK 48 P3 4 UTXD0 32 P5 5 SMCLK 49 M SP430 D1 MSP430 1 6 2 7 3 8 4 9 5 J3 DB9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 J2 CON14 1 2 J1 CON2 VCC R7 100K R1 1 R11 5 1K R12 5 1K C1 0 1uf C10 4 7uf C2 0 1uf C5 0 1UF C3 0 1uf C4 0 1uf C13 0 1uf C14 12Pf C15 12PF C12 0 1uf T2 32 768HZ T1 8MHZ IN