基于SPCE061A的超低功耗電子溫度計設(shè)計

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)，進一步降低功耗。時鐘頻率可根據(jù)需要進行修改。系統(tǒng)默認時鐘為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2．5～5．5 V范圍內(nèi)，2．5 V時耗電小于300 nA。
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RS 232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2．4～5．2 V，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較大特點。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)體公司較新推出的一種改進型智能溫度傳感器，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)9～12 b的數(shù)字值讀數(shù)方式。電路圖如圖4所示。

2．4 DS1302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10 min左右達到要求�？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RS 232端口通信，RS 232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。總線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)，在讀出時需進行CRC校驗，校驗有錯時不進行溫度數(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50 ms。利用定時器計時，當(dāng)達到50 ms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4～5．5 V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行，較后結(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，基本沒有誤差。
    由于DS18B20的誤差指標(biāo)在0．5℃以內(nèi)，在一般場合完全適用。
    功耗測試結(jié)果表明，靜態(tài)功耗達到了設(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)功耗低于給定的較小值，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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