摘要:系统选用静态功耗2μA的SPCE061A单片机作为主控单元,低功耗温度传感器DS18B20采集温度,时钟芯片DS1302提供时间,HT1621D驱动玻璃片实现时间的显示。系统可通过串口与PC通信,由可视化界面显示温度随时间的变化,形象直观。整机系统可根据需要一键唤醒或进入静态。测试结果表明:功耗达到微安级,并可实现温度的实时显示和通信。
0 引言
目前,无论是器件的生产还是设备的制造,低功耗都是一个重要的指标。本文根据需要设计一低功耗温度计,整机静态功耗微安级,检测温度范围10~30℃,分辨率1℃。温度可实时上传至PC机,并与之通信。可以扩展控制外围设备,如监测室温并保持恒定。电路设计时,由于着眼于低功耗,因此在硬件选用与软件编程方面都考虑到功耗问题。现将系统分为控制模块、测温模块、时间模块、驱动显示模块、温度控制与通信模块,系统整体构思如图1所示。
1 硬件的选用
1.1 SPCE061A
SPCE061A是一款16位单片机,静态功耗为2μA。该单片机具有一键唤醒功能,需要时可将单片机置于休眠状态,可有效节省能量;不用的端口可将状态设为输出,以降低功耗;时钟频率可根据需要进行修改,系统默认时钟为24.756MHz, CPU时钟具有Fosc,Fosc/2,Fosc/4,Fosc/8,Fosc/16,Fosc/32,Fosc/64可选,降低CPU时钟频率,就可有效降低功耗,但系统效率也会相应降低。
1.2 显示模块
采用HT1621D驱动6位玻璃片显示,该种玻璃片广泛应用于便携式仪表之中HT1621D为128段(32×4),内置存储器的多功能LCD驱动器,可以驱动多段LCD字符;同时它还具备了省电命令,可有效地减少本身功耗。其工作电压为2.4~5.2V,配置方式由软件调节,VLCD引脚可调整LCD工作电压。玻璃片显示器功耗低为其最大特点,其具体连接电路如图2。
1.3 时钟模块
实时时钟采用低功耗的芯片DS1302,可自动对秒、分、时、日、周、月、年以及闰年补偿的年进行计数,扩展万年历功能显示,且精度高, 8个字节的高速暂存RAM做为数据暂存区,工作电压2.5~5.5V, 2.5V时耗电小于300nA。具体电路如图3所示。
1.4 测温模块
采用数字式温度传感器DS18B20。此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输,易于与单片机连接,可以去除A/D模块,降低硬件成本,简化系统电路。另外,DS18B20测温范围-55℃~+125℃,固有测温分辨率0.5℃,具有测量范围广、测量精度高等优点。采用DS1302作为计时芯片,主要为了提高计时精度,更重要的就是DS1302可以在很小的后备电源下继续计时,并可编程选择充电电流对后备电源进行充电,可以保证后备电源基本不耗电。
1.6 通信模块
系统可与PC机的RS-232端口通信, RS-232电平转换芯片采用MAX232,其与SPCE061A的接线如图4。所测温度值可由电脑储存并调用, PC机的通信可视化界面可显示具体时刻的温度值,并可将一段时间的温度变化由曲线显示出来。通信界面如图5所示。
2 软件的设计
降低系统的整体功耗,软件的设计也很关键。首先,要尽量减少外部存储器的访问次数,可以多使用寄存器变量、多使用内部CACHE等来解决;其次,要及时地响应中断,中断一般是低电平有效,并带有上拉电阻的连接方式。
2.1 主程序
系统主程序首先对系统进行初始化,包括设置定时器、中断和端口。图6是系统程序的主流程图。
2.2 时间调整程序设计
调整时间用3个调整按钮,分别为控制按钮、加按钮、减按钮。在调整时间过程中,为使正在调整的数据位区别与其他位,增加了闪烁功能,即调整的那位一直在闪烁直到调整完毕。闪烁的原理就是让要调整的位,每隔一定时间熄灭一次,如50ms。实现时,可利用定时器计时,当达到50ms时溢出,就送给该位熄灭符,在下一次溢出时,再送正常显示的值,不断交替,直到调整该位结束,此时送正常显示值给该位,再进入下一位调整闪烁程序。
3 试验数据及结果分析
3.1 系统调试
先将系统在μnSPIDE2.0编译器下进行软件调试,以子程序为单位逐个进行,最后结合硬件实时调试。子程序调试包括:DS1302的计时和读写程序、显示程序;SPCE061A读写程序;DS18B20读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序、显示数据等。
3.2 测试结果分析
测试数据如表1所示。
功耗测量如表2所示。
通过测量可以看出,由于采用了DS18B20,它的误差指标在0.5℃以内,所以完全满足误差为1℃的测量。由于主控单片机及其他单元电路的选件对低功耗的注重,及软件低功耗的编程思路,使得系统静态功耗只有几个微安,符合设计要求,在当前低功耗设计的趋势下,极具推广意义。
参考文献:
[1]侯媛燕.凌阳单片机原理及其毕业设计精选[M].北京:科学出版社, 2006.
[2]汪敏.凌阳16位单片机实验与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2007.
[3]薛钧义,张彦斌,虞鹤松,等.凌阳十六位单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天出版社, 2003.
作者简介:吴凌燕(1974—),女,讲师,研究方向为智能仪表。
(收稿日期:2009-10)
