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基于SPCE061A的超低功耗電子溫度計設(shè)計

   2012年02月02日 13:41  
  摘要:本設(shè)計為參加我院電子制作比賽而作。其設(shè)計的基本要求是:制作一個超低功耗電子溫度計,實現(xiàn)溫度、時間的顯示。要求系統(tǒng)溫度誤差小于0.5℃,靜態(tài)功耗小于5μW。
  
  1、總體設(shè)計方案
  
  根據(jù)題目設(shè)計要求,可從硬件選用及軟件編程方面降低功耗。系統(tǒng)可分為控制模塊、測溫模塊、時間模塊、驅(qū)動顯示模塊、溫度控制與通信模塊等,整體框圖如圖1所示,各模塊的實現(xiàn)方案如下:
  
  1.1控制模塊
  
  選用SPCE061A型單片機。SPCE061A是一款16位單片機,靜態(tài)功耗為2μW。該單片機具有一鍵喚醒功能,需要時可將單片機置于休眠狀態(tài),可有效節(jié)省能量,且不用的端口可設(shè)為輸出狀態(tài),進(jìn)一步降低功耗。時鐘頻率可根據(jù)需要進(jìn)行修改。系統(tǒng)默認(rèn)時鐘為24.756.MHz,CPU時鐘具奄fosc,fosc/2,fosc/4,fosc/8,fosc/16,fosc/32,fosc/64可選,降低CPU時鐘頻率,可有效降低功耗,但會降低系統(tǒng)效率,可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。
  
  1.2顯示模塊
  
  采用6位LCD數(shù)碼顯示玻璃片HT1621D,可滿足低功耗要求。
  
  1.3時鐘模塊
  
  采用低功耗的實時時鐘芯片DS1302實現(xiàn)時鐘。DS1302芯片可自動對秒、分、時、日、周、月、年以及閏年等進(jìn)行計數(shù),且精度高,8個字節(jié)的高速暫存RAM作為數(shù)據(jù)暫存區(qū),工作電壓為2.5~5.5V范圍內(nèi),2.5V時耗電小于300nA。
  
  1.4測溫模塊
  
  采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。此類傳感器為數(shù)字式傳感器而且僅需要一條數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,易于與單片機連接,可以去除A/D模塊,降低硬件成本,簡化系統(tǒng)電路。另外,DS18B20測溫范圍為-55~+125℃,固有測溫分辨率為0.5℃,具有測量范圍廣、測量精度高等優(yōu)點。
  
  1.5通信模塊
  
  MAX232芯片是目前應(yīng)用較為廣泛的電平轉(zhuǎn)換器件,可以為RS232端口提供雙向電平轉(zhuǎn)換。
  
  綜上所述,本設(shè)計具體框圖如圖2所示。
  
  2、系統(tǒng)的硬件設(shè)計
  
  2.1單片機
  
  單片機系統(tǒng)是整個硬件系統(tǒng)的核心,既是協(xié)調(diào)整機工作的控制器,又是數(shù)據(jù)處理器。采用凌陽SPCE061A具體不再細(xì)述。
  
  2.2單片機與液晶的接口
  
  HT1621D為128段(32×4)內(nèi)置存儲器的多功能LCD驅(qū)動器,可以驅(qū)動多段LCD字符是其主要特征,同時它還包括了省電命令,有效地減少本身的功耗。其工作電壓為2.4~5.2V,配置方式用軟件調(diào)節(jié),三數(shù)據(jù)訪問模式,VLCD引腳可調(diào)整LCD工作電壓。玻璃片顯示器功耗低為其zui大特點。具體電路如圖3所示。
  
  2.3溫度傳感器電路
  
  DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器,它能直接讀出被測溫度,并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9~12b的數(shù)字值讀數(shù)方式。電路圖如圖4所示。
  
  2.4DS1302接口
  
  采用DS1302作為主要計時芯片,主要為了提高計時精度,更重要的就是DS1302可以在很小的后備電源下繼續(xù)計時,并可編程選擇充電電流來對后備電源進(jìn)行充電,可以保證后備電源基本不耗電。具體電路如圖5所示。
  
  2.5溫控模塊
  
  系統(tǒng)通過控制繼電器線圈的通電和斷電,實現(xiàn)給相應(yīng)的溫控系統(tǒng)加熱或降溫,將測得溫度與設(shè)定值相比較,發(fā)出相應(yīng)的控制指令。溫度誤差若為0.5℃,約需要10min左右達(dá)到要求??刂齐娐啡鐖D6所示。加熱、制冷切換由繼電器的觸點實現(xiàn)。
  
  2.6通信模塊
  
  系統(tǒng)可與PC機的RS232端口通信,RS232電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX232,其與SPCE061A的接線如圖7所示。所測溫度值可由電腦儲存并調(diào)用,PC機的通信可視化界面可顯示具體時刻的溫度值,并可將段時間的溫度變化由曲線顯示出來。通信界面如圖8所示。

  
  3、系統(tǒng)的軟件設(shè)計
  
  3.1主程序
  
  若要降低系統(tǒng)功耗,軟件也起很大作用??偩€上幾乎每一個芯片的訪問、每一個信號的翻轉(zhuǎn)差不多都由軟件控制的,如果軟件能減少外存的訪問次數(shù)、及時響應(yīng)中斷等措施都將對降低功耗有很大作用。系統(tǒng)主程序首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化,包括設(shè)置定時器、中斷和端口。圖9是系統(tǒng)的主流程圖。
  
  3.2讀取溫度子程序
  
  讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9個字節(jié),在讀出時需進(jìn)行CRC校驗,校驗有錯時不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫。其程序流程圖如圖10所示。
  
  3.3時間調(diào)整程序
  
  調(diào)整時間用3個調(diào)整按鈕,1個作為移位控制用,另外2個作為加減用,分別定義控制按鈕、加按鈕、減按鈕。在調(diào)整時間過程中,要調(diào)整的那位與別的位應(yīng)該有區(qū)別,所以增加了閃爍功能,即調(diào)整的那位一直在閃爍直到調(diào)整下一位。閃爍原理就是讓要調(diào)整的那一位,每隔一定時間熄滅一次,比如說50ms。利用定時器計時,當(dāng)達(dá)到50ms溢出時,就送給該位熄滅符,在下一次溢出時,再送正常顯示的值,不斷交替,直到調(diào)整該位結(jié)束,此時送正常顯示值給該位,再進(jìn)入下一位調(diào)整閃爍程序,時間調(diào)整程序程序流程圖如圖11所示。
  
  4、試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析
  
  4.1測試儀器
  
  室溫計(1℃)、61系列仿真器、HP34401A數(shù)字萬用表。
  
  4.2硬件調(diào)試
  
  (1)硬件調(diào)試時,可先檢查焊接的質(zhì)量是否符合要求,有無虛焊點及線間有無短路、斷路。然后用萬用表測試或通電檢測,檢查無誤后,可通電檢查LCD液晶顯示器亮度情況,一般情況下取背光電壓為4~5.5V即可得到滿意的效果。
  
  (2)DS1302與單片機相連的只有3根線,很容易檢查,主要檢查DS1302管腳與晶振、電源是否連接好。
  
  (3)DS18B20在測溫程序設(shè)計中,向DS18B20發(fā)溫度命令轉(zhuǎn)換后,程序要等待DS18B20的返回信號,一旦線路不好或斷線,將陷入死循環(huán),所以線路一定要檢查清楚。
  
  4.3軟件調(diào)試
  
  軟件調(diào)試以子程序為單位逐個進(jìn)行,zui后結(jié)合硬件實時調(diào)試。
  
  子程序調(diào)試包括:DS1302的計時和讀寫程序、顯示程序;SPCE061A讀寫程序;DS18B20讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序;計算溫度子程序、顯示數(shù)據(jù)。
  
  4.4測試結(jié)果分析
  
  測試結(jié)果見表1,表2。
  
  由于采用了DS1302作為計時器使用,其計時精度相對來說比較高。用制作的成品與萬年歷計時比較,基本*。
  
  由于DS18B20的誤差指標(biāo)在0.5℃以內(nèi),在一般場合*適用。
  
  功耗測試結(jié)果表明,靜態(tài)功耗達(dá)到了設(shè)計的要求。
  
  5、結(jié)論
  
  本系統(tǒng)由于采用了凌陽SPCE061A單片機和DS18B20等低功耗器件,經(jīng)過測試,系統(tǒng)靜態(tài)功耗低于給定的zui小值,且實現(xiàn)了對溫度值的顯示和處理,并實現(xiàn)了對溫度的控制,時間顯示準(zhǔn)確。系統(tǒng)的性價比較高,有較好的推廣應(yīng)用價值。

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