高精度超低功耗单片机温度计设计文档格式.docx
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多色高温计式通过一套复杂的分光系统形成多光谱通道,利用多个光谱的物体辐射亮度测量信息来进行测温的,虽然其测量精度、分辨率都达到了相当高的水平,但是由于其结构复杂,测温理论还不够完善,股灾生产实际中应用还不广泛。
而比色测温仪测量精度高、温度相应速度快、抗电磁干扰、信号损耗少、体积小,同时还可以有效地减少被测物体的发射率变化、环境干扰、期间老化等因素带来的测量误差,能够在一些易爆易燃、强电磁干扰、强腐蚀、空间狭小、直接瞄准有困难的场合中应用,英雌这种测温仪具有广阔的应用前景。
1.2数字温度计的研究背景和意义
温度测量在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域,尤其在热学试验(如:
物体的比热容、汽化热、热功当量、压强温度系数等教学实验)中,有特别重要的意义。
传统所使用的温度计通常都是精度为1℃和0.1℃的水银、煤油或酒精温度计。
这些温度计的刻度间隔通常都很密,不容易准确分辨,读数困难,而且他们的热容量还比较大,达到热平衡所需的时间较长,因此很难读准,并且使用非常不方便。
数字温度计与传统的温度计相比,具有读数方便,测温范围广,测温准确等优点,其输出温度采用数字显示,主要用于对测温比较准确的场所,或科研实验室使用。
目前温度计的发展很快,从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等,温度计中传感器是它的重要组成部分,它的精度、灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等[4]。
传感器应用极其广泛,目前已经研制出多种新型传感器。
但是,作为应用系统设计人员需要根据系统要求选用适宜的传感器,并与自己设计的系统连接起来,从而构成性能优良的监控系统。
20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器,采用的是8位A/D转换器,其测温精度较低,分辨力只能达到1℃。
目前,国外已相继推出多种高速度、高分辨力的智能温度传感器,所用的是9~12位A/D转换器,分辨力一般可达0.5~0.0625℃。
由美国DALLAS半导体公司新研制的DS18B20型智能温度传感器,能输出13位二进制数据,其分辨力高达0.03125℃,测温精度为±
0.5℃[5]。
为了提高多通道智能温度传感器的转换速率,也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。
以AD7817型5通道智能温度传感器为例,它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27μs、9μs。
Maxim公司生产的DS18B20,DS18B20是直接数字输出的温度传感器,采用DS18B20不需要在单片机系统中扩展A/D转换器,因此可以降低电路的复杂性。
DS18B20是一片3引脚的片内建有温度测量并转换为数字值的集成电路,他集温度传感、温度数据转换与传输、温度控制等功能于一体。
测温范围:
.55~+125℃,精度为0.5℃。
该芯片非常容易与单片机连接,实现温度的测控应用,单独做温度控制器使用时,可不用外加其他辅助元件。
DS1620可把测得的温度用9位的数据表示出来,同时,本身还有2个温度报警输出,因此在恒温箱、温度计及其它对温度敏感的系统中得到了广泛的应用[6]。
1.3数字温度计的研究现状
温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段:
传统的分立式温度传感器(含敏感元件);
主要是能够进行非电量和电量之间转换;
模拟集成温度传感器/控制器;
智能温度传感器。
目前,国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。
传统的分立式温度传感器——热电偶传感器:
热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器,它与被测对象直接接触,不受中间介质的影响,具有较高的精度;
测量范围广,可从.50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬,最低可测到.269℃,钨——铼最高可达2800℃[7]。
模拟集成温度传感器:
集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的,因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的,它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能[8]。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等,适合远距离测温,不需要进行非线性校准,外围电路简单。
智能温度传感器:
智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。
目前,国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品[9]。
智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。
智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量,适配各种微控制器(MCU),并且可通过软件来实现测试功能,即智能化取决于软件的开发水平。
智能温度传感器包括数字温度传感器和石英温度传感器[10]。
数字温度传感器被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。
用石英作为温度传感器的数字温度计可实现多种功能:
用于热化疗仪中对药液的温度进行测量,能获得较好的测温效果;
用于温度检测系统,测温系统可用于各行各业中。
比如:
可用于温室大棚的温度检测,当温度过高就产生报警信号;
在轮胎生产中,进行的温度检测。
1.4本次设计的研究工作
根据题目要求,温度计是由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块、时钟显示模块。
对于元器件的选型以及所设计出来的温度计的可行性,我们设计以下方案。
采用msp430单片机作为控制核心,msp430是美国德州仪器公司生产的一种超低功耗的Flash控制器,有“绿色”控制器称号。
其存储模块是目前业界所有内部继承Flash存储器产品中能耗最低的一种,消耗功率仅为其它闪速微控制器的五分之一[11]。
而且,它具有超低功耗的数控振荡器技术,可是实现频率调节和无晶振运行。
Msp430单片机内资丰富,I/O端口功能强大且十分灵活,所有的I/O位均可单独配置,每一根口线分别对应输入、输出、方向和功能选择等多个寄存器的一位。
在本次设计中的,msp430都能够很好的完成设计的要求,例如,本次设计要求的温度显示功能,因为,msp430单片机拥有自己的显示驱动,所以,可以为该设计省去不少麻烦。
整个控制器主要有以下功能:
1、采集和显示温度
2、越限警报,当温度超过设定值,发出警报
3、时间切换和显示
4、串口通信
2单片机等芯片的介绍
2.1DS18B20的简介
前向通道的主要作用是负责数据的采集和转换,在本设计中我们采用的温度传感器DS18B20是世界上第一片只吃“一线总线”接口的温度传感器,其主要特点:
1)独特的单线接口,只需1个接口引脚即可通信。
2)不需要额外的外部元件搭建外围电路即可正常运行。
3)可用数据线供电,不需要备份电源。
4)测量范围为-55
至+125
,增值量为0.5
。
5)以9位至12位的数字量读出温度。
6)在1s典型值内将温度转换为数字。
7)用户可定义的非易失性的温度警告设置[12]。
DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装,其内部结构框图如图2.1所示。
图3.1DS18B20的内部结构图
64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号,接着是每个器件的惟一的序号,共有48位,最后8位是前面56位的CRC检验码,这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
温度报警触发器TH和TL,可通过软件写入户报警上下限[13]。
DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。
高速暂存RAM的结构为8字节的存储器,结构如图2.2所示。
头2个字节包含测得的温度信息,第3和第4字节TH和TL的拷贝,是易失的,每次上电复位时被刷新。
第5个字节,为配置寄存器,它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。
DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。
该字节各位的定义如图3所示。
低5位一直为1,TM是工作模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式,DS18B20出厂时该位被设置为0,用户要去改动,R1和R0决定温度转换的精度位数,来设置分辨率[14]。
表2.1DS18B20温度转换时间表
R1
R0
分辨/位
最大温转时间/ms
9
93.75
1
10
187.5
11
375
12
750
由表3.1可见,DS18B20温度转换的时间比较长,而且分辨率越高,所需要的温度数据转换时间越长。
因此,在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。
高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用,表现为全逻辑1。
第9字节读出前面所有8字节的CRC码,可用来检验数据,从而保证通信数据的正确性。
当DS18B20接收到温度转换命令后,开始启动转换。
转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。
单片机可以通过单线接口读出该数据,读数据时低位在先,高位在后,数据格式以0.0625℃/LSB形式表示[15]。
当符号位S=0时,表示测得的温度值为正值,可以直接将二进制位转换为十进制;
当符号位S=1时,表示测得的温度值为负值,要先将补码变成原码,再计算十进制数值。
表2.2是一部分温度值对应的二进制温度数据。
DS18B20完成温度转换后,就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。
若T>TH或T<TL,则将该器件内的报警标志位置位,并对主机发出的报警搜索命令作出响应。
因此,可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索[16]。
在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码(CRC)。
主机ROM的前56位来计算CRC值,并和存入DS18B20的CRC值作比较,以判断主机收到的ROM数据是否正确。
DS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1;
高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。
器件中还有一个计数门,当计数门打开时,DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量[17]。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定,每次测量前,首先将-55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中,计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当减法计数器1的预置值减到0时,温度寄存器的值将加1,减法计数器1的预置将重新被装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器计数到0时,停止温度寄存器的累加,此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。
其输出用于修正减法计数器的预置值,只要计数器门仍未关闭就重复上述过程,直到温度寄存器值大致被测温度值[18]。
表2.2 一部分温度对应值表
温度/℃
二进制表示
十六进制表示
+125
0000011111010000
04D0
+85
0000010101010000
0550
+25.0625
0000000110010001
0191
+10.125
0000000010100010
00A2
+0.5
0000000000001000
0008
0000000000000000
0000
.0.5
1111111111111000
FFF8
.10.125
1111111101011110
FF5E
.25.0625
1111111001101111
FE6F
.55
1111110010010000
FC90
2.2MSP430单片机的介绍
2.2.1MSP430F413的主要性能
1.低电压范围:
1.8V…3.6V
2.超低功耗:
活动模式——1MHz,2.2V时为225微安
待机模式——0.7微安
掉电模式(RABM的数据保持)——0.1微安
4.五种省电模式
5.从待机到唤醒模式响应时间不到6微秒
6.频率锁相环,FLL+
7.16位精简指令系统,指令周期125ns
8.带有三个捕获/比较寄存器的16位定时器(Timer_A)
9.集成96段LCD驱动器
10.片内集成比较器
11.串行在线可编程,无需提供外部编程电压
12.可编程的安全熔丝代码保护程序
13.闪烁存储器,器件具有bootstrap程序装载器[19]
2.2.2MSP430F413的引脚功能
表2.3MSP430F413的引脚功能
引脚名称
编号
I/O
描述
AVCC
64
模拟正电源端
AVSS
62
内部连接于DVSS
DVCC
数字正电源端
DVSS
63
数字地
NC
7,10,11
空脚
P1.0/TA.
53
I/O
通用数字I/O定时器A
P1.1/TA0/MCLK
52
P1.2/YA1
51
捕获方式,比较方式
P1.3/SVSOut
50
通用数字I/O,比较器的输出端
P1.4
49
通用数字I/O
P1.5/TACLK/ACLK
48
定时器A输入时钟/ACLK输出
P1.6/CA0
47
通用数字I/O/比较器A输入脚
P1.7/CA1
46
P2.0/CA2
45
通用数字I/O/定时器A捕获方式,比较方式
P2.1
44
P2.2/S23
35
通用数字I/O,LCD输出脚
P2.3/S22
34
P2.4/S21
33
P2.5/S20
32
P2.6/CAOUT/S19
31
通用数字I/O,LCD输出脚,比较器A输出
P2.7/S18
30
P3.0/S17
29
P3.1/S16
28
P3.2/S15
27
P3.3/S14
26
P3.4/S13
25
P3.5/S12
24
P3.6/S11
23
P3.7/S10
22
P4.0/S9
21
P4.1/S8
20
P4.2/S7
19
P4.3/S6
18
P4.4/S5
17
P4.5/S4
16
P4.6/S3
15
P4.7/S2
14
P5.0/S1
13
P5.1/S0
COM0
36
O
LCD公共输出端
P5.2/COM1
37
通用数字I/O,LCD公共输出脚
P5.3/COM2
38
P5.4/COM3
39
R03
40
LCD模拟电平第四极输入脚
P5.5/R13
41
通用数字I/O,LCD模拟电平第三极输入脚
P5.6/R23
42
通用数字I/O,LCD模拟电平第二极输入脚
P5.7/R33
43
通用数字I/O,LCD模拟电平第一极输入脚
P6.0
59
P6.1
60
P6.2
61
P6.3
2
P6.4
3
P6.5
4
6.6
5
P6.7
6
RST/NMI
58
I
复位输入脚或非屏蔽终端输入端
TCK
57
测试时钟
TDI
55
测试数据输入
TDO/TDI
54
测试数据输出
TMS
56
测试模式选择
XIN
8
晶体振荡器XT1输入脚
XOUT/TCLK
晶体振荡器XT1输入脚,测试时钟输入脚
2.2.3MSP430F413的工作方式
通过对不同模块操作模式和CPU状态的智能化管理,MSP430的工作方式可以适应多种超低电压和超低功耗的需求,即便在中断处理期间也一样。
一个中断事件可以吧系统从各种低功耗方式唤醒并且,通过RETI指令返回到中断以前的工作状态。
系统适用的时钟信号有ACLK和MCLK。
ACLK就是晶振的频率信号,MCLK和SMCLK是ACLK的倍频信号,作为系统和子系统时钟[20]。
下面是芯片的六种工作方式:
1、活动方式(AM):
CPU和不同组合的外围模块被激活,处于活动状态。
2、低功耗方式0(LPM0):
CPU停止工作,外围模块继续工作,ACLK和SMCLK有效,MCLK的环路控制有效。
3、低功耗方式1(LPM1):
CPU停止工作,外围模块继续工作,ACLK和SMCLK有效,MCLK的环路控制无效。
4、低功耗方式2(LPM2):
CPU停止工作,外围模块继续工作,ACLK有效,SMCLK和MCLK环路控制无效。
5、低功耗方式3(LPM3):
CPU停止工作,外围模块继续工作,ACLK有效,SMCLK和MCLK环路控制无效,并且数字控制振荡器(DCO)的DC发生器被关闭。
6、低功耗方式4(LPM4):
CPU停止工作,外围模块继续工作(如果提供外部时钟)。
ACLK信号被禁止。
晶体振荡器停止工作,SMCLK/MCLK环路控制无效,并且数字控制振荡器(DCO)的DC发生器被关闭[21]。
通过软件对内部时钟系统的不同设置,可以控制芯片处于不同工作方式,整个时钟系统提供丰富的软硬件组合形式,以达到最低的功耗并发挥最优的形同性能,具体有:
1、使用内部时钟发生器(DCO)无需外接任何元件;
2、选择外接晶体或者陶瓷谐振器,可以获得最低频率和功耗;
3、采用外部时钟信号源。
3硬件电路的设计
因为本设计有高精度、超低功耗的要求,所以在选择单片机的时候,我们综合参考了几种单片机的功耗和参数。
在未带负载的时候,AT89C51的功耗为几毫安,而PIC16F877单片机在电压为5V的时候的电流为20毫安,而MSP430在2.2V,1MHz的时候,工作电流也只有225微安,在待机和掉电模式下,工作电流更是只有零点几微安。
数据比较下来十分明显。
而且,MSP430内部集成有非常强大的功能,96位LCD的显示驱动,还有16位指令系统和16位的定时器,在处理起本次设计的时候,运用起来也会相对简单一些。
所以综合比较起来,MSP430是我们的首选。
设计这个单片机温度计,就是能够实现温度采集,显示和其它附加功能,起结构原理图如下:
图3.1结构原理图
主电路
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- 关 键 词:
- 高精度 功耗 单片机 温度计 设计