超低功耗电子温度计的设计

　　目前在工业领域中,经常需要现场对某些特殊点进行温度测量。而进行温度测量时往往不能从现场取电源,只能采取电池供电,这就要求温度测量系统的功耗较低。我们设计了一款通用的超低功耗电子温度计,要求能够测量并显示温度,并且整机静态功耗小于6μW。系统选用超低功耗MSP430单片机控制DS18B20采集温度并用近乎零功耗的LCD玻璃片显示温度。

　　1　系统基本要求及功耗

　　超低功耗电子温度计的具体要求为: 1)检测温度范围为0~100℃,分辨率为1℃; 2)正确显示温度;3)整机静态功耗小于6μW (关闭LCD显示,时钟正常运行); 4)按键唤醒。

　　以MSP430F2274[1]单片机为控制核心,采用DS18B20温度传感器检测温度,利用LCD专用驱动芯片HT1621驱动液晶LCD玻璃片实现显示功能,并直接在单片机P1口上连接按键实现按键唤醒功能。系统总体结构框图如图1所示。

　　系统硬件部分主要包括MSP430F2274、DS18B20、HT1621、LCD玻璃片、按键等,工作电压为3 V,其各部分功耗为:MSP430F2274待机模式2.1μW,DS18B20待机模式约3.0μW,HT1621关闭LCD省电模式下的功耗约0.3μW,按键及LCD玻璃片总共约0.3μW,总计5.7μW,外加部分损耗,整个系统静态功耗应约为6.0μW。

　　假设系统采用3 V 180 mAh的电池供电,系统在静态节电模式下约工作10 a。

　　2　硬件电路与程序设计

　　2. 1　硬件电路设计

　　DS18B20与控制器接口电路如图2所示,按键接口电路如图3所示[2]。

　　HT1621是128(32×4)点内存映象和多功能的LCD驱动器,适用于多种LCD,用于连接主控制器和HT1621的管脚最少只需3个。HT1621的节电命令可将系统功耗降低至0.3μW。HT1621显示驱动接口电路如图4所示。

　　2. 2　程序流程图

　　软件实现功能如下:①温度检测及显示;②按键中断服务程序。其中系统主程序流程图即温度检测及显示过程如图5所示,按键中断服务程序流程图如图6所示。

　　3　系统测试

　　整个系统设计的难点是低功耗设计,通过查阅各部分硬件的功耗参数以及进行相关理论分析,计算其功耗约为6.0μW,但在硬件电路搭建完成后进行的实际功耗测试中,却出现了实际测量功耗参数与相关产品说明书上的功耗不相符的问题。经过查阅资料和具体的实验测试,认为软件程序对控制器IO口的输入、输出状态的设置对功耗产生了重要的影响。表1~3是对系统的硬件组成部分的静态功耗测试结果,是在系统工作电压为3 V、MSP430单片机进入低功耗模式3(LPM3)、其它外围器件进入省电模式的情况下进行的。