便攜式低功耗溫度檢測儀設(shè)計

摘要 便攜式低功耗溫度檢測儀主要由一體化智能溫度檢測模塊、nRF905無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和LCD溫度數(shù)據(jù)顯示模塊構(gòu)成。該檢測儀具有體積小、易便攜、低功耗等特點，能廣泛應(yīng)用于樓宇自動化建設(shè)過程中的溫度數(shù)據(jù)采集、倉儲房間的溫濕度測量及控制等方面。
關(guān)鍵詞 低功耗；便攜；溫度檢測儀

    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)運行效果的檢查，電力變壓器運行狀態(tài)監(jiān)控，大中型恒溫倉庫溫度控制等方面都需要對關(guān)鍵點的溫度等參數(shù)進(jìn)行實時采集和存儲。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
    便攜式低功耗檢溫度測儀以MSP430F247低功耗單片機為控制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，可與計算機直接通信，同時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，由上位機進(jìn)行分析及處理；實際采用方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)低功耗設(shè)計方案
    按照超低功耗電路系統(tǒng)設(shè)計思想，電源電壓和時鐘頻率是系統(tǒng)是否具有低功耗性能的核心，在設(shè)計硬件電路和系統(tǒng)軟件的初期，需要考慮系統(tǒng)的各項功能；盡量通過編寫軟件來代替部分硬件電路的功能，例如可通過單片機系統(tǒng)的定時器功能替代時鐘芯片等硬件電路來減少系統(tǒng)能耗，用單片機所具有的脈沖計數(shù)特性實現(xiàn)計數(shù)、檢測等功能，另外隨著節(jié)能降耗技術(shù)在實際生產(chǎn)生活中得到廣泛推廣，不同的單片機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，該系列單片機在低功耗模式下運行電流<2μA，在低電源電壓范圍(1．8～3．6 V)下能正常工作。同時在完整的低功耗電路系統(tǒng)中，外圍硬件電路的設(shè)計也至關(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
    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特有的序列號特點進(jìn)行擴(kuò)充，可靈活應(yīng)用于多點溫度測量，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接口與上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，由上位機對所采集的數(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
    在軟件設(shè)計上應(yīng)盡量做到在大多時間只有微處理器在運行，當(dāng)系統(tǒng)不工作時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)時鐘，對時鐘應(yīng)做到忙時少用，不用關(guān)閉的設(shè)計思想。由于系統(tǒng)中需要得到明細(xì)溫度數(shù)據(jù)，采取每5 s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)行或處理都從一個初始化序列開始，初始化序列包括一個由總線控制器發(fā)出的復(fù)位脈沖及其后由從機發(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存在脈沖，就可以發(fā)出5個ROM命令中的任一個，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，一個復(fù)位脈沖跟著一存在脈沖表明DS18 B20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，主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過4個步驟：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，最后發(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優(yōu)越的超低功耗性能構(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、軟件設(shè)計等方面進(jìn)行低功耗優(yōu)化設(shè)計，通過軟件及硬件充分結(jié)合，系統(tǒng)布局，實現(xiàn)了系統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)檢測低功耗的特點。系統(tǒng)測試平均電流僅為10μA。文中實踐了用軟件代替硬件的設(shè)計思想，設(shè)計中通過使用MSP430F247定時器編寫時鐘模塊產(chǎn)生1 s中斷，用軟件實現(xiàn)實時鐘，優(yōu)化微處理器外圍電路的設(shè)計，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。