基于MSP430單片機的超低功耗電子溫度計的設計

0 引言

本文設計的超低功耗電子溫度計能夠通過溫度傳感器測量和顯示被測量點的溫度，并可進行擴展控制。該溫度計帶電子時鐘，其檢測范圍為l0℃～30℃，檢測分辨率為1℃，采用LCD液晶顯示，整機靜態(tài)功耗為0.5μA。其系統(tǒng)設計思想對其它類型的超低功耗微型便攜式智能化檢測儀表的研究和開發(fā)，也具有一定的參考價值。

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℃的測量范圍內(nèi)，該器件的阻值隨溫度變化比較大，電路簡單，功耗低，安裝尺寸小，同時其價格也很低，但其熱敏電阻精度、重復性、可靠性相對稍差，因此，這種傳感器對于檢測在1℃以下，特別是分辨率要求更高的溫度信號不太適用。

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，價格低廉，而且驅(qū)動芯片可選擇性強。為此，本設計選用了技術成熟、功耗較低、性能穩(wěn)定、價格低廉的通用性LCD驅(qū)動器HT1621。

作為整個系統(tǒng)的核心部件，單片機的選擇至關重要。通過比較多家單片機芯片，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，性能強大，成本也較低。

2 MSP430F單片機的主要特點

MSP430F系列是美國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，其技術特征代表了單片機的發(fā)展方向。MSP430的片內(nèi)存儲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16位精簡指令集(RISC)CPU，且指令周期短，大部分指令可在一個指令周期內(nèi)完成。該器件的工作電流極小，并且超低功耗，關斷狀態(tài)下的電流僅為0.1μA，待機電流為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，因而可以實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)和無晶振運行。其6μs的快速啟動時間可以延長待機時間并使啟動更加迅速，同時也降低了電池的功耗。MSP430系列芯片的片內(nèi)資源豐富，I／O端口功能強大且十分靈活，所有的I／O位均可單獨配置，每一根口線分別對應輸入、輸出、方向和功能選擇等多個寄存器里的一位。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硬件設計

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

3.1溫度采集轉換電路

利用MSP430來測量電阻，就可以通過斜率技術而不使用A／D轉換電路，處理起來簡單易行。對于這種技術，可以使用MSP430系列芯片上的比較器和時鐘來完成斜率的A／D轉換。

本系統(tǒng)的具體溫度測量是應用電容充放電把被測電阻值轉換成時間，再利用MSP430內(nèi)部的捕獲比較寄存器準確捕捉時間，從而測量出熱敏電阻的阻值，以間接獲得溫度值。其溫度檢測電路結構如圖2所示。

圖中，Rref是參考電阻，用于定標，Rsens是被測電阻。

系統(tǒng)工作時首先令MSP430接Rref的口置位，然后輸出高電平Vcc并通過標準電阻對電容定時充電，定時時間到后，端口復位，使電容放電，放電過程一直持續(xù)到電容上的電壓降到充電端口為“0”電平的上限為止，截止時刻由Timer_a內(nèi)部的捕捉器通過捕捉入口CA0準確地捕捉。這一段放電時間可標記為Tref。然后，對P2.1施以同樣的操作，以獲得電容通過被測電阻放電的時間Tsens。最后比較Tref和Tsens，并由下式計算出被測電阻值：

Rsens=RrefTmeas／Tref

式中，Rsens為被測熱敏電阻，Tsens為被測組件放電時間，Tref為參考組件放電時間，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，這是因為在比例測量原理中，這些因素在計算過程中已被消除。因此，盡管儀表的供電電池的電壓具有離散性，并且該電壓會隨著時間的推移逐漸減小，但是，由于被測電阻值的測量與電源電壓值的大小毫無關系，所以該測量方法具有電源電壓自補償特性。