基于数字温度测量芯片的分布式温度测量系统

基于数字温度测量芯片的分布式温度测量系统

0传统的温度测量方法在许多工农业生产领域，必须实时监测现场环境的实际温度，并建立加热装置。因此,测温系统需要具有成本低、体积小和功耗低的特点。传统的测量方法为:通过传感器把温度信号变换为电压信号,再把电压信号放大和滤波后送到A/D转换器,把模拟信号转化为数字信号输出显示。这种温度测量方法的局限性是测量精度不高。本文介绍一种基于数字温度测量芯片TMP100和超低功耗单片机MSP430F1612等组成的分布式温度测量系统。1系统硬件设计系统硬件框图如图1所示。整体系统由数字温度传感器、单片机、时钟模块、键控模块、显示模块、存储模块、通信模块和上位PC机等组成。1.1tmp00标准温度传感器选用TI公司的I2C总线数字温度传感器—TMP100,其内部集成了二极管温度传感单元、Σ-ΔA/D转换单元、OSC单元、内部寄存器和I2C串行总线接口。芯片的工作电压为2.0～5.0V,温度范围为–55～+l25°C,只有2根SCL和SDA线与CPU连接,其内部集成的A/D转换器的转换位数可由用户自己设定,设定范围为9～12位,最高温度分辨率为0.0625°C,与SMBus兼容,具有一次工作模式。这种一次工作模式能使TMP100除串行接口以外的所有电路掉电,从而节约电能。该传感器显著的特点是超低功耗。静态工作电流仅45μA,关断电流仅0.1μA,其芯片本身就是温度感应装置,以低热阻的金属作为导热装置,将GND引脚直接连接在金属上,热量通过封装传入二极管温度传感单元。TMP100作为I2C总线的从机,具有7位地址:前4位为厂商标示,固定为1001;后3位是从机地址。芯片具有ADD0和ADD1两个地址引脚不同逻辑状的组合,可以产生8个从机地址,故在I2C总线上最多可挂8个TMP100,从而实现被测环境的分布式测量。TMP100温度传感器的引脚共有6个,即SCL(I2C的数据线)、SDA(I2C的时钟线)、GND(接地管脚)、Vcc(电源管脚)、ADD0(地址线1)和ADD1(地址线0)。其引脚图如图2所示。TMP100除了在SCL和SDA引脚各接一个10kΩ上拉电阻外,无需任何外围器件。但为了消除干扰,Vcc引脚需接一个0.1μF的耦合电容。1.2扫描草及热压msp330f135能满足测温系统的微控制器(MCU)应该在功耗和成本上具有突出优势。MSP430F1612单片机是美国德州仪器公司(TI)推出的、具有强大功能的超低功耗16位RISC体系单片机,带有55k的FLASHROM和5kB的RAM空间;内置12位A/D转换器;3个定时器(Timer_A、Timer_B、WatchdogTimer);两通道串行通信接口可用于异步与同步;基本时钟模块配置为高速晶体(最高10MHz)、低速晶体(32768Hz)、DCO;2个具有中断功能的8位并行端口P1与P2;串行在线编程及安全熔丝的程序代码保护。MSP430F1612具有5种省电模式,还具有睡眠功能,可超低功耗工作;工作电压范围为1.8～3.6V;数控晶振DCO使得从低功耗模式唤醒到全负荷模式不到6μs;支持I2C总线协议。1.3时钟芯片pcf653为了实现对测量的温度数据和相应的时间数据(年、月、日、时)进行存储,系统设计了一时钟模块。PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工业级CMOS极低功耗与多功能时钟/日历芯片,具有多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能等。内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路(1.0V)以及两线制I2C总线通讯方式,不但使外围电路极其简洁,而且也增加了芯片的可靠性。因此,PCF8563是一款性价比极高的时钟芯片,它已被广泛用于电表、水表、气表、电话传真机、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。PCF8563片内具有16个8位寄存器、1个可自动增量的地址寄存器、1个内置32.768KHz的振荡器(带有1个内部集成的电容)、1个分频器(用于给实时时钟RTC提供源时钟)、1个可编程时钟输出、1个定时器、1个报警器、1个掉电检测器和1个的I2C总线接口串行接口,每次读写数据后,内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。1.4at2c2e回复突变器考虑到存储需要和设备成本,本文选择了一种I2C总线的E2PROM—ATMEL公司的24C256作为数据存储单元的核心芯片。它不但功耗低,而且能够存储256kbit的数据。如果每小时进行一次温度采集,并且合理安排存储方式,它能够存储包括日期在内的大约510d的历史数据。AT24C256可在1.8～3.6V低电压下工作。输入端接有施密特触发器和滤波器,用于抑制噪声。传输速率可达到1M(5V)、400k(2.7V,2.5V)、100k(l.8V)。存储器具有写保护端口,可以对硬件和软件数据进行保护。存储器的存储模式为512页×64字节×8bit,支持对页整体写操作,可重复写入1×106次,数据可保持40a,工作温度范围为-55～125℃。TA24C256还具有低功耗的特性。在接收到停止信号并且所有的内部操作都完成以后,会自动进入等待模式。在此模式下,VCC为1.8V时,待机电流仅为0.2μA;VCC为3.6V时,为2.0μA。在频率为400k的前提下,VCC为5.0V时,读操作电流值为1.0mA,写操作为2.0mA。AT24C256的引脚Al和A0可用来决定本器件在I2C总线上的地址。由于本系统不涉及多个24C256连接在同一总线上,因此这两个引脚规定为“0”。1.5led控制器显示模块选可用8位移位寄存器74HC595来实现串行数据的并行输出到LED数码管。考虑实际需要,本系统采用3个74HC595来驱动3只LED,可显示范围为–99～99°C。单片机与上位机的通信可以由RS232或USB方式。选用RS232通信方式时,可选用MAX3221芯片,也可选用TI公司的串行到USB转换器—TUSB3410芯片来实现与上位机的通信。1.6键控模块的实现分布式测量系统要实现对不同测量区域的实时温度监控,需要1个键控模块。当需要读取某处数据时,只要按下键盘上相对应的按键即可。分布式温度测量系统中,整个系统采用+3.3V电源供电,其结构图如图3所示。2软件设计2.1edcdearbehn中环境设计系统的主程序流程图如图4所示。程序在IAREmbeddedWorkbench集成开发环境下用C语言编写。上位机程序采用VisualBasic6.0编写,以实现数据管理、计算、图表显示与打印等功能。2.2温度存储tmp200TMP100的ADD0和ADD1两个引脚不同逻辑状(0、1及悬空)的组合,可以产生8个从机地址,如表1所示。图5是TMP100的片内寄存器结构图。由图5可以看出,单片机要访问TMP100片内的某个寄存器,需要通过指针寄存器来实现。指针寄存器的最低两位(P0和P1)用来寻址片内其他寄存器,单片机要访问TMP100片内的某个寄存器,首先要设置指针寄存器最低两位的值。温度寄存器用来存放转换后最多l2位的温度数字量,包含2个字节,有效的数据只有14位(即低字节的8位和高字节的低4位)。上下限寄存器主要用来存放温度的上限和下限。当温度高于上限寄存器所设置的温度时,则会产生报警状态位。下限寄存器的作用与之类似。配置寄存器有8位,主要用来设置或读取TMP100的工作状态。其中,SD(D0)是关断模式控制位,R0和R1(D5和D6)是转换精度控制位,OS(D7)是One-Shot模式控制位。本系统使用TMP100的One-Shot模式。当芯片处于关断状态时,将“1”写入OS/ALERT位,芯片将启动1次温度转换过程,转换结束后,芯片自动回到关断状态;当TMPl00处于关断模式时,OS/ALERT位置“1”将启动一次温度转换,且此次转换完毕后TMP100将自动回到关断模式。这时,降低TMP100温度测量中的功耗具有非常重要的意义。2.3tmp200的操作TMP100的初始化程序包括设置配置寄存器、Thigh和Tlow寄存器、地址寄存器。TMP100的操作主要包括读寄存器操作和写寄存器操作。TMP100的读寄存器操作和写寄存器操作函数都是建立在I2C程序基础上的。TMP100的数据收发都是从最高位开始,因此I2C的数据也必须从最高位开始。TMP100的读操作主要是从不同的寄存器读取数据。3u3000电流和构造形式本系统在硬件上选用了超低功耗的温度传感器TMP100和微控器MSP430F1612,两器件都具有极高的集成度。显示电路仅用3片74HC595驱动LED,元器件数目降到最少。PCF8563即使在活动时,功耗也是非常低的,合理地设置其功能,可使消耗电流<8μA,并且PCF8563时钟电路具有极低的后备电流,典型值为0.25μA(VDD=3.0V,Tamb=25℃)。AT24C256在进入等待模式的情况下,VCC为3.6V时,电流仅为2.0μA。TMP100和MSP430F1612具有关断或休眠模式,TMP