便攜式低功耗溫度檢測儀設(shè)計(jì)

　　溫度測量被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，在工業(yè)鍋爐供暖控制系統(tǒng)運(yùn)行效果的檢查，電力變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，大中型恒溫倉庫溫度控制等方面都需要對關(guān)鍵點(diǎn)的溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和存儲。該測儀系統(tǒng)設(shè)備少且簡單，投資小對環(huán)境要求較低，能自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和處理，并能自動記錄與顯示結(jié)果，可靈活應(yīng)用于遠(yuǎn)程電力網(wǎng)監(jiān)控，油田測井系統(tǒng)，樓宇自動化等領(lǐng)域。
　　
　　1、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　
　　便攜式低功耗檢溫度測儀以MSP430F247低功耗單片機(jī)為控制CPU，采用一體化智能溫度傳感器DS18B20作為數(shù)據(jù)采集模塊，利用nRF905無線傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，檢測儀設(shè)有RS232通信接口，可與計(jì)算機(jī)直接通信，同時(shí)可通過無線模塊將數(shù)據(jù)按規(guī)定格式發(fā)送到上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行分析及處理；實(shí)際采用方案如圖1所示。　　
　　2、系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)方案
　　
　　按照超低功耗電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，電源電壓和時(shí)鐘頻率是系統(tǒng)是否具有低功耗性能的核心，在設(shè)計(jì)硬件電路和系統(tǒng)軟件的初期，需要考慮系統(tǒng)的各項(xiàng)功能；盡量通過編寫軟件來代替部分硬件電路的功能，例如可通過單片機(jī)系統(tǒng)的定時(shí)器功能替代時(shí)鐘芯片等硬件電路來減少系統(tǒng)能耗，用單片機(jī)所具有的脈沖計(jì)數(shù)特性實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)、檢測等功能，另外隨著節(jié)能降耗技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)生活中得到廣泛推廣，不同的單片機(jī)廠商都推出了具有低功耗特性的微處理器。其中以TI公司生產(chǎn)的MSP430超低功耗系列應(yīng)用較為廣泛，MSP430超低功耗系列微處理器具有低電壓和低頻率條件下工作的特點(diǎn)，該系列單片機(jī)在低功耗模式下運(yùn)行電流<2μA，在低電源電壓范圍（1．8～3．6V）下能正常工作。同時(shí)在完整的低功耗電路系統(tǒng)中，外圍硬件電路的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，在滿足系統(tǒng)檢測和控制等指標(biāo)性能要求的條件下，盡量選用與系統(tǒng)微處理器工作電源相匹配的具有低功耗特性的電子元器件。
　　
　　3、溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸方式設(shè)計(jì)
　　
　　Dalla半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器為一線總線式溫度傳感器，一線總線的特點(diǎn)方便用戶組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，新一代的DS18B20體積更小，更經(jīng)濟(jì)、靈活；其溫度測量范圍為-55～+125℃；精度為±0．5℃；現(xiàn)場溫度以一線總線的數(shù)字方式傳輸，提高系統(tǒng)的抗干擾特性。適合與環(huán)境較為復(fù)雜的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備過程控制、測量類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。DS18B20通過單總線的方式發(fā)送和接收各種操作命令；另外該檢測系統(tǒng)可以利用DS18B20*的序列號特點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)充，可靈活應(yīng)用于多點(diǎn)溫度測量，將傳感器掛在單總線上，分別放在不同的地方檢測儀器設(shè)備運(yùn)行溫度及恒溫廠房溫度檢測等。
　　
　　數(shù)據(jù)采集完成后根據(jù)需要選擇通過nRF905自動向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)或直接存儲并不進(jìn)行發(fā)送，待所有數(shù)據(jù)采集完成后通過RS232接口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，由上位機(jī)對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。系統(tǒng)電路如圖2所示。　　
　　4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　
　　在軟件設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量做到在大多時(shí)間只有微處理器在運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)不工作時(shí)讓微處理器處于低功耗模式或休眠狀態(tài)，并將切斷系統(tǒng)時(shí)鐘，對時(shí)鐘應(yīng)做到忙時(shí)少用，不用關(guān)閉的設(shè)計(jì)思想。由于系統(tǒng)中需要得到明細(xì)溫度數(shù)據(jù)，采取每5s啟動一次，轉(zhuǎn)換結(jié)束后立即存儲，然后進(jìn)入LPM3模式，在接到上位機(jī)的上傳命令后再啟動nRF905進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳工作，并反復(fù)循環(huán)。
　　
　　DS18B20通過單線總線的所有執(zhí)行或處理都從一個(gè)初始化序列開始，初始化序列包括一個(gè)由總線控制器發(fā)出的復(fù)位脈沖及其后由從機(jī)發(fā)出的存在脈沖，存在脈沖讓總線控制器知道DS18B20在總線上且已準(zhǔn)備好操作，一旦總線控制器探測到一個(gè)存在脈沖，就可以發(fā)出5個(gè)ROM命令中的任一個(gè)，DS18B20需要嚴(yán)格的協(xié)議以確保數(shù)據(jù)的完整性。協(xié)議包括幾種單線信號類型：復(fù)位脈沖、存在脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1。所有這些信號，除存在脈沖外，都由總線控制器發(fā)出；與DS18B20之間的任何通訊都需要以初始化序列開始，一個(gè)復(fù)位脈沖跟著一存在脈沖表明DS18B20已準(zhǔn)備好發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，適當(dāng)?shù)腞OM命令和存儲器操作命令。根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過4個(gè)步驟：每次讀寫之前都要對DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送ROM指令，zui后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。當(dāng)主機(jī)收到DS18B20的響應(yīng)信號后，便可發(fā)出操作命令采集數(shù)據(jù)。
　　
　　5、結(jié)束語
　　
　　便攜式低功耗溫度檢測儀利用MSP430F247*的超低功耗性能構(gòu)建以MSP430F247微處理器為核心的超低功耗溫度檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)從電子元器件選擇、電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過軟件及硬件充分結(jié)合，系統(tǒng)布局，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)檢測低功耗的特點(diǎn)。系統(tǒng)測試平均電流僅為10μA。文中實(shí)踐了用軟件代替硬件的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)中通過使用MSP430F247定時(shí)器編寫時(shí)鐘模塊產(chǎn)生1s中斷，用軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)鐘，優(yōu)化微處理器外圍電路的設(shè)計(jì)，減少了器件和系統(tǒng)總功耗。該檢測系統(tǒng)體積小，功耗低，數(shù)據(jù)存儲量大，下位機(jī)軟件提供方便的數(shù)據(jù)存儲、分析處理、顯示等功能，操作使用方便靈活，能夠節(jié)省大量的人力物力，具有一定的應(yīng)用前景。