基于MSP430的低功耗便攜式測溫儀設計

　　0引言

　　便攜式測溫儀采用16位超低功耗單片機MSP430F435和熱電阻傳感器鉑1000實現(xiàn)溫度的信號處理和采集。采用MSP430系列單片機的一個最大優(yōu)勢是它具有低功耗和高集成度，非常適合于電池供電和空間受限的工作環(huán)境以及便攜式應用場合。作為一個便攜式應用系統(tǒng)，功耗是整個系統(tǒng)的功耗，不僅是處理器的功耗。比如處理器輸入端口的漏電流對系統(tǒng)的耗電影響就較大，MSP430單片機輸入端口的漏電流最大為50 nA，遠低于其他系列單片機(一般為1 μA～10μA)。該測溫儀適合高爐熱負荷水溫測量，或者需要連續(xù)測量多點溫度和溫差的測量場合。

　　1系統(tǒng)硬件設計

　　便攜式測溫儀主要由處理器、傳感器接口、鍵盤、LCD(液晶顯示器)、數(shù)據(jù)存儲、打印和電源等模塊組成。系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。

　　1.1處理器模塊

　　MSP430F435是測溫儀的控制中心，完成傳感器數(shù)據(jù)結果處理、鍵盤的識別、串口通信的管理等。美國得州儀器(TI)公司的MSP430F435單片機是Flash類型單片機，內嵌16 kB Flash程序存儲器和512 B數(shù)據(jù)存儲器。其主要特點是：超低功耗、16位指令、內置A／D轉換器、串行通信接口、硬件乘法器、LCD驅動器及高抗干擾能力等。因此，MSP430單片機特別適合應用在智能儀表、防盜系統(tǒng)、智能家電、電池供電便攜式設備等產品中。該芯片性能特點如下：低工作電壓(1.8 V～3.6 V)；超低功耗(工作模式4下耗電僅為0.1μA)；16位RISC(精簡指令集計算機結構)；150 ns指令周期。

　　1.2電源模塊

　　整個電路由1個AA電池供電，通過電壓轉換芯片獲得處理器和外圍電路所需電源。為保證測溫儀正常工作，電源電路中還配有電池電量檢測裝置，在電池電量比較低、可能會影響到測溫儀正常工作的情況下及時報警，提醒更換電池。采用MSP430F435內置比較器模塊，無須外加專門的電池檢測芯片，只需2個電阻就可以完成此功能。

　　1.3傳感器接口模塊

　　傳感器接口模塊電路見圖2。傳感器輸出毫伏級的應變信號，通過高穩(wěn)定度電橋變換，經(jīng)由運算放大器MAX492組成的減法放大電路，然后經(jīng)調零、濾波處理后，送至NSP430F435的A／D轉換接口ADC0，實現(xiàn)對溫度信號的檢測。單片機根據(jù)處理結果的值和范圍進行查表，實現(xiàn)分段線性化，將傳感器信號與溫度對應。

　　系統(tǒng)所采用的傳感器是熱電阻傳感器鉑1000。鉑電阻是目前廣泛使用的精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠的測溫元件。但是，鉑電阻溫度傳感器使用時也有不便之處，比如，輸出信號非線性、信號弱、正負溫度的分辨率不同、模擬量輸出不能與單片機直接相連等。由于鉑電阻的非線性，在應用時必須考慮非線性校正；由于儀表工作在小信號狀態(tài)，抗干擾措施和合理電路工藝設計對整個儀表精度影響較大。設計時，嚴格將數(shù)字地與模擬地分開連接，再選一點共地，適當?shù)卦黾訑?shù)字濾波，這樣可以提高抗干擾能力。

　　1.4顯示、鍵盤模塊

　　LCD和鍵盤顯示是進行人機交互的重要手段。MSP430內部有LCD驅動模塊，最大可驅動160段的LCD。采用4位8段低功耗模塊，這種LCD非常適合于要求功耗低的儀表(如電子水表、電表、煤氣表等)以及便攜式系統(tǒng)中。測溫儀面板上設置有2個手動鍵，1個功能鍵，1個確認鍵，以完成實時顯示、保存測量值和打印等功能。在按功能鍵的同時，LCD會有相應的數(shù)值顯示，用戶可以讀出相關的信息，或者按確認鍵執(zhí)行相應的功能。

　　1.5數(shù)據(jù)存儲模塊

　　MSP430F435外擴了2 kB的E2PROM，E2PROM通過I2C總線與單片機連接，用于保存采集的溫度值，以備打印機打印。

　　1.6打印機模塊

　　打印機選用北京煒煌科技的漢字微型打印機，與單片機串口直接相連，接口電路相對簡單，通過用軟件使其按指定的格式打印出溫度值。

　　1.7鍵盤模塊

　　便攜式測溫儀面板上設置了2個鍵，以完成實時顯示測量值和打印等功能。使用按鍵與單片機的I／O口線直接連接的方法構成，采用查詢方式獲得按鍵值。

　　2系統(tǒng)軟件設計

　　整個系統(tǒng)軟件設計主要由溫度采集、低功耗設計、LCD顯示、讀寫E2PROM和打印處理5部分組成。本系統(tǒng)的工作流程圖如圖3所示。

        
 
　　硬件初始化后，開始采集當前溫度值，檢測是否有按鍵按下。如果有按鍵按下，則執(zhí)行按鍵相對應的功能，然后由LCD顯示程序顯示不同功能所對應的信息。如果沒有任何按鍵按下，則顯示當前實測溫度值，等待用戶的下一步操作。如需打印測得的數(shù)據(jù)，則進入打印處理程序。

　　2.1溫度采集

　　溫度數(shù)據(jù)采集采用單片機MSP430F435自帶的A／D轉換器，A／D轉換的精度可達12位。MSP430單片機內部提供了方便的A／D轉換器初始化寄存器，只需簡單地設置幾個A／D轉換器控制寄存器，就可完成對A／D轉換器的初始化。軟件設計的重點是溫度與熱電勢間非線性關系的線性化標度變換算法和關于傳感器溫度數(shù)據(jù)噪聲干擾的濾波算法。其中標度變換采用分段(每10 ℃分段)線性化的方法，提高了系統(tǒng)的測溫精度；而濾波采用中位值濾波算法。算法的具體實現(xiàn)過程是：首先連續(xù)采集15次，然后把15個溫度數(shù)據(jù)按由小到大的順序排列，取中位值作為本次采樣值。中位值濾波能有效地克服因偶然因素引起的波動干擾。對溫度、液位等緩慢變化的被測參數(shù)，采用此方法能收到良好的濾波效果。實際使用證明這樣的濾波算法可保證小數(shù)點后1位數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定。

　　2.2低功耗

　　對于便攜式設備，設計時應盡量降低功耗，使系統(tǒng)盡可能長時間停留在低功耗狀態(tài)。因此，考慮設備在適當?shù)臅r候自動關機。這里采用了一個定時器。當定時器大于0時，系統(tǒng)處于開機狀態(tài)；當定時器倒數(shù)到0時，系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)并且關掉LCD模塊和A／D模塊。當處理器處于休眠狀態(tài)時，鍵盤程序就不好用了，處理器不會主動去掃描鍵盤。而鍵盤接在P1口，P1口具有外部中斷的功能，當處理器進入休眠狀態(tài)時打開按鍵中斷。當有按鍵按下時，CPU響應外部中斷，系統(tǒng)被喚醒，回到正常工作模式。具體操作是：開機時，對定時器初始化一個大于0的值，并且在每按一次有效鍵時，系統(tǒng)重新初始化這個值。因此，當沒有按任何有效鍵時，3 min后就會自動關機，從而實現(xiàn)降低功耗的目的。

　　2.3 LCD顯示

　　LCD顯示部分的實現(xiàn)要與鍵盤處理程序相配合，根據(jù)不同功能顯示不同的信息。要實現(xiàn)LCD的正常顯示至少需要下面幾個重要步驟：選擇LCD驅動模式、制定相應驅動模式下LCD的BCD碼顯示存儲表、設置LCD時鐘、設置通用I／O端口屬性和更新LCD顯示緩存區(qū)。本儀表選擇靜態(tài)LCD驅動模式，制定了0～F的BCD碼顯示存儲表，采用1 024 Hz的時鐘頻率，設置通用I／O口屬性為輸出，根據(jù)不同功能實時更新LCD顯示緩存區(qū)的內容。

　　2.4其他部分

　　E2PROM模塊用于保存測量的溫度值和測量點。串行通信模塊用于實現(xiàn)測溫儀與打印機連接，打印測量的溫度值。這兩部分程序較簡單，這里不再敘述。 3測溫儀功能及主要技術性能

　　測溫儀功能如表1所示。當功能號為0、1時，用于確認保存當前測量點溫度值，然后自動轉到下一個測量點位置測量；當功能號為2時，用于顯示和保存記錄已經(jīng)測量的測量點位置；當功能號為3時，用于顯示已經(jīng)測量的測量點位置和清除上次測量的記錄；當功能號為4時，用于確認打印。

        
 
　　儀表分辨率可達0.1℃，測量誤差小于±0.1℃。MSP430系列單片機均為工業(yè)級器件，運行環(huán)境溫度為-40℃～85℃運行穩(wěn)定，可靠性高，所設計的產品適用于各種民用和工業(yè)環(huán)境。所以該測溫儀可以用于測量高爐熱負荷水溫差測量，或者需要對連續(xù)多點的溫度測量場合。

　　4結束語

　　本文研制的便攜式低功耗便攜式測溫系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)測量系統(tǒng)存在的不足，具有結構簡單、工作穩(wěn)定可靠、測量精度高、功耗低、便攜性好、功能齊全、適用場合廣泛等優(yōu)點。與其他測溫儀的突出不同之處在于，本系統(tǒng)采用新型低功耗16位單片機MSP430 F435作為整個系統(tǒng)的控制核心。由于采用了功能強大的MSP430單片機，本系統(tǒng)設計的硬件電路與以往有較大差異。MSP430 F435有著豐富的外圍模塊，因此比較容易實現(xiàn)溫度信號的采集、處理、顯示、存儲及打印，從而使整個硬件電路得到極大的簡化。實際使用證明該測溫儀完全符合工廠應用的需要，性能穩(wěn)定，可靠性高，設備操作簡單方便。