基于MSP430單片機(jī)的超低功耗電子溫度計(jì)的設(shè)計(jì)

0 引言

本文設(shè)計(jì)的超低功耗電子溫度計(jì)能夠通過(guò)溫度傳感器測(cè)量和顯示被測(cè)量點(diǎn)的溫度，并可進(jìn)行擴(kuò)展控制。該溫度計(jì)帶電子時(shí)鐘，其檢測(cè)范圍為l0℃～30℃，檢測(cè)分辨率為1℃，采用LCD液晶顯示，整機(jī)靜態(tài)功耗為0.5μA。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想對(duì)其它類(lèi)型的超低功耗微型便攜式智能化檢測(cè)儀表的研究和開(kāi)發(fā)，也具有一定的參考價(jià)值。

1元器件選擇

本系統(tǒng)的溫度傳感器可選用熱敏電阻。在10～30℃的測(cè)量范圍內(nèi)，該器件的阻值隨溫度變化比較大，電路簡(jiǎn)單，功耗低，安裝尺寸小，同時(shí)其價(jià)格也很低，但其熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性相對(duì)稍差，因此，這種傳感器對(duì)于檢測(cè)在1℃以下，特別是分辨率要求更高的溫度信號(hào)不太適用。

顯示部分可以采用筆段式LCD液晶顯示。特別是黑白筆段式液晶顯示器的功耗極低，美觀適中，價(jià)格低廉，而且驅(qū)動(dòng)芯片可選擇性強(qiáng)。為此，本設(shè)計(jì)選用了技術(shù)成熟、功耗較低、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉的通用性LCD驅(qū)動(dòng)器HT1621。

作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，單片機(jī)的選擇至關(guān)重要。通過(guò)比較多家單片機(jī)芯片，最終選定了TI公司的MSP430系列控制器，該系列控制器功耗極低，性能強(qiáng)大，成本也較低。

2 MSP430F單片機(jī)的主要特點(diǎn)

MSP430F系列是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的一種超低功耗的Flash控制器，該器件有“綠色”控制器(Green Mcu)之稱(chēng)，其技術(shù)特征代表了單片機(jī)的發(fā)展方向。MSP430的片內(nèi)存儲(chǔ)器該器件單元是能耗非常低的單元，消耗功率僅為其它閃速微控制器的五分之一。MSP430F同其它控制器相比，既可縮小線(xiàn)路板空間，又可降低系統(tǒng)成本。

MSP430F系列器件集成了超低功率閃存、高性能模擬電路和一個(gè)16位精簡(jiǎn)指令集(RISC)CPU，且指令周期短，大部分指令可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。該器件的工作電流極小，并且超低功耗，關(guān)斷狀態(tài)下的電流僅為0.1μA，待機(jī)電流為0.8μA，常規(guī)模式下的(250μA／1MIPS@3V)，端口漏電流不足50 nA，并可零功耗掉電復(fù)位(BOR)。另外，該芯片屬低電器件，僅需1.8～3.6V電壓供電，因而可有效降低系統(tǒng)功耗。由于其具有超低功耗的數(shù)控振蕩器技術(shù)，因而可以實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)和無(wú)晶振運(yùn)行。其6μs的快速啟動(dòng)時(shí)間可以延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間并使啟動(dòng)更加迅速，同時(shí)也降低了電池的功耗。MSP430系列芯片的片內(nèi)資源豐富，I／O端口功能強(qiáng)大且十分靈活，所有的I／O位均可單獨(dú)配置，每一根口線(xiàn)分別對(duì)應(yīng)輸入、輸出、方向和功能選擇等多個(gè)寄存器里的一位。因此，其溫度模擬控制可以采用帶隔離的低電壓控制方式。

3超低功耗電子溫度計(jì)硬件設(shè)計(jì)

圖1所示是本超低功耗電子溫度計(jì)的硬件原理框圖。下面給出其它單元電路的設(shè)計(jì)方案。

3.1溫度采集轉(zhuǎn)換電路

利用MSP430來(lái)測(cè)量電阻，就可以通過(guò)斜率技術(shù)而不使用A／D轉(zhuǎn)換電路，處理起來(lái)簡(jiǎn)單易行。對(duì)于這種技術(shù)，可以使用MSP430系列芯片上的比較器和時(shí)鐘來(lái)完成斜率的A／D轉(zhuǎn)換。

本系統(tǒng)的具體溫度測(cè)量是應(yīng)用電容充放電把被測(cè)電阻值轉(zhuǎn)換成時(shí)間，再利用MSP430內(nèi)部的捕獲比較寄存器準(zhǔn)確捕捉時(shí)間，從而測(cè)量出熱敏電阻的阻值，以間接獲得溫度值。其溫度檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖中，Rref是參考電阻，用于定標(biāo)，Rsens是被測(cè)電阻。

系統(tǒng)工作時(shí)首先令MSP430接Rref的口置位，然后輸出高電平Vcc并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻對(duì)電容定時(shí)充電，定時(shí)時(shí)間到后，端口復(fù)位，使電容放電，放電過(guò)程一直持續(xù)到電容上的電壓降到充電端口為“0”電平的上限為止，截止時(shí)刻由Timer_a內(nèi)部的捕捉器通過(guò)捕捉入口CA0準(zhǔn)確地捕捉。這一段放電時(shí)間可標(biāo)記為T(mén)ref。然后，對(duì)P2.1施以同樣的操作，以獲得電容通過(guò)被測(cè)電阻放電的時(shí)間Tsens。最后比較Tref和Tsens，并由下式計(jì)算出被測(cè)電阻值：

Rsens=RrefTmeas／Tref

式中，Rsens為被測(cè)熱敏電阻，Tsens為被測(cè)組件放電時(shí)間，Tref為參考組件放電時(shí)間，Rref為參考精密電阻。

由上式可以看出，只要電壓和電容的值在測(cè)量中保持穩(wěn)定，電壓和電容的具體取值便不再重要，這是因?yàn)樵诒壤郎y(cè)量原理中，這些因素在計(jì)算過(guò)程中已被消除。因此，盡管儀表的供電電池的電壓具有離散性，并且該電壓會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸減小，但是，由于被測(cè)電阻值的測(cè)量與電源電壓值的大小毫無(wú)關(guān)系，所以該測(cè)量方法具有電源電壓自補(bǔ)償特性。