用MSP430設(shè)計極低功耗數(shù)字溫度計

概述

很多地方都需要測量溫度。在設(shè)計溫度遙測系統(tǒng)時，通常需要采用電池供電的極低功耗模塊。傳統(tǒng)的測溫手段比較多，但不論是采用分立晶體管、熱敏電阻，或者是熱電偶，功耗都降不下來。本文介紹了一種滿足低功耗要求的可行方案，該方案使用一枚極低功耗的、帶Flash存儲器的MCU，以及數(shù)字溫度傳感器、液晶模塊(LCD)和一個32kHz的鐘表用振蕩器。該方案的突出特點是節(jié)能耐用，僅需一枚紐扣電池，就可以連續(xù)工作10年以上。

工作原理

MCU擴展系統(tǒng)的電源是一枚CR-2032型紐扣式鋰電池，這種電池的容量為220mAh。要讓系統(tǒng)達到連續(xù)工作10年(87600小時)的要求，允許的最大負載電流可以用以下方法計算出來：

220mAh / 87,600小時 = 2.51 A

這個測溫系統(tǒng)不但要測量溫度，還要連續(xù)顯示測量結(jié)果。當系統(tǒng)處于單步模式時，TMP100溫度傳感器每完成一次測量，就會自動進入關(guān)斷模式，此時的典型功耗為0.1 A;系統(tǒng)處于節(jié)能低功率模式(LPM3)時，晶振、LCD驅(qū)動器和16位定時器繼續(xù)工作，此時MSP430的典型功耗為0.9 A;3位半LCD的典型功耗為1 A。

系統(tǒng)每個工作周期的耗電情況如圖2所示，溫度傳感器、MCU和LCD的總功耗平均值為2.45 A。為了盡可能延長電池的使用壽命，在工作周期內(nèi)的絕大多數(shù)時間，系統(tǒng)都處于等待模式。

硬件設(shè)計說明

電池加上一只0.1 F的去耦電容，構(gòu)成了這個系統(tǒng)的電源。MCU的復位端連接一只68k的上拉電阻，時鐘脈沖(ACLK)取自32.768KHz的鐘表用晶體。在I2C總線的SCL(時鐘)和SDA(數(shù)據(jù))上，分別連接一只10K的上拉電阻。

工作原理

MCU同溫度傳感器之間通過I2C總線連接。I2C總線占用2條MCU輸入輸出口線，二者之間的通信完全依靠軟件完成。溫度傳感器的地址可以通過2根地址引腳設(shè)定，這使得一根I2C總線上可以同時連接8個這樣的傳感器。本方案中，傳感器的7位地址已經(jīng)設(shè)定為1001000。MCU需要訪問傳感器時，先要發(fā)出一個8位的寄存器指針，然后再發(fā)出傳感器的地址(7位地址，低位是WR信號)。傳感器中有3個寄存器可供MCU使用，8位寄存器指針就是用來確定MCU究竟要使用哪個寄存器的。本方案中，主程序會不斷更新傳感器的配置寄存器，這會使傳感器工作于單步模式，每更新一次就會測量一次溫度。

要讀取傳感器測量值寄存器的內(nèi)容，MCU必須首先發(fā)送傳感器地址和寄存器指針。MCU發(fā)出一個啟動信號，接著發(fā)出傳感器地址，然后將RD/WR管腳設(shè)為高電平，就可以讀取測量值寄存器。

為了讀出傳感器測量值寄存器中的16位數(shù)據(jù)，MCU必須與傳感器進行兩次8位數(shù)據(jù)通信。當傳感器上電工作時，默認的測量精度為9位，分辨力為0.5 C/LSB(量程為-128.5 C至128.5 C)。本方案采用默認測量精度，根據(jù)需要，可以重新設(shè)置傳感器，將測量精度提高到12位。如果只要求作一般的溫度指示，比如自動調(diào)溫器，那么分辨力達到1 C就可以滿足要求了。這種情況下，傳感器的低8位數(shù)據(jù)可以忽略，只用高8位數(shù)據(jù)就可以達到分辨力1 C的設(shè)計要求。由于讀取寄存器時是按先高8位后低8位的順序，所以低8位數(shù)據(jù)既可以讀，也可以不讀。只讀取高8位數(shù)據(jù)的好處有二，第一是可以縮短MCU和傳感器的工作時間，降低功耗;第二是不影響分辨力指標。

MCU讀取傳感器的測量值后，接下來就要進行換算并將結(jié)果顯示在LCD上。整個處理過程包括：判斷顯示結(jié)果的正負號，進行二進制碼到BCD碼的轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳到LCD的相關(guān)寄存器中。

數(shù)據(jù)處理完畢并顯示結(jié)果之后，MCU會向傳感器發(fā)出一個單步指令。單步指令會讓傳感器啟動一次溫度測試，然后自動進入等待模式，直到模數(shù)轉(zhuǎn)換完畢。MCU發(fā)出單步指令后，就進入LPM3模式，這時MCU系統(tǒng)時鐘繼續(xù)工作，產(chǎn)生定時中斷喚醒CPU。定時的長短可以通過編程調(diào)整，以便適應(yīng)具體應(yīng)用的需要。

功能擴充

實現(xiàn)上文所述方案的程序代碼只有400字節(jié)左右，而MCU的Flash程序存儲器有8k之多。此外，雖然MCU有256字節(jié)的RAM，但是本程序一個字節(jié)都不必用。這256字節(jié)的RAM以及那些未用的在系統(tǒng)可編程(ISP)Flash存儲器可以用來記錄歷史數(shù)據(jù)。另外，MCU還剩余22根輸入輸出口線、一個雙端電壓比較器和一個完整的三通道16位定時器Timer A，這些空閑的資源可以用來實現(xiàn)其他一些常用的功能，例如鍵盤、合成鈴聲、模數(shù)轉(zhuǎn)換、電池電量檢測以及串行通信功能。由于系統(tǒng)時鐘使用的是32kHz的鐘表晶體，所以可以利用定時器中斷實現(xiàn)時鐘功能(RTC)。

由于溫度傳感器和MCU之間采用了I2C總線，所以，可以依靠分配不同的地址連接更多的傳感器。以3位地址的TMP100傳感器為例，總線上最多可以同時連接8枚傳感器。

小結(jié)

本文介紹了一種極低功耗測溫裝置的軟硬件設(shè)計方案，方案采用了MCU、傳感器和LCD顯示屏，具有功能完善、節(jié)能耐用、結(jié)構(gòu)簡單、外形小巧、價格低廉等優(yōu)點。按照該方案制作的測溫裝置不但可以達到測量要求，而且可以在使用一枚3V電池供電的情況下，連續(xù)工作10年以上而不必更換電池。