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1、基于 MSP430 的超低功耗温度监测站 范秋华 李健 张旭 青岛大学自动化与电气工程学院 摘 要： 针对目前市场上温度监测设备的功耗问题, 本文设计了一种基于 MSP430 的超低功耗温度监测站, 将 0.01F 超级电容用 2mA 电流恒流充电至 4.2V, 使用 TI 的低功耗电源芯片 TPS62740 (降压) 和 TPS610980 (升压) 构成 Buck 和 Boost 两种斩波电路进行供电。使用模拟开关 TS5A3159 进行切换, 当电容电压大于2.4V 时使用降压通道, 小于 2.4V 时使用升压通道。同时, 采用 IIC 总线读取TMP112 采集的温度数据, 转换为二进
2、制代码表示十进制数 (binary-coded decimal, BCD) 后通过 SPI 总线发送, 实现超级电容+光伏电池供电条件下的长期温度监测。系统会定期通过高精度晶振对系统时钟进行校准, 在几乎不增加功耗的情况下保证时标精度。实验结果表明, 当系统正常运行时, 静态电流约为 0.7A, 正常情况下可以达到 78h 的运行时间。本设计具有测量精度高、便于安装、操作简单、超低功耗等特点, 适合现场无电源情况下使用。关键词： MSP430; TPS62740; TPS610980; TS5A3159; TMP112; 作者简介：范秋华, 女, 副教授, 主要研究方向为智能控制和智能仪器。E
3、mail:qhf_基金：山东省自然科学基金资助项目 (ZR2015FRM017) Ultra Low Power Temperature Monitor Based on MSP430FAN Qiuhua LI Jian ZHANG Xu College of Automation and Electrical Engineering, Qingdao University; Abstract： Aiming at the power problem of current market power temperature monitoring equipment, this paper des
4、igned an ultra low power temperature monitor based on MSP430.The 0.01 Fsuper capacitor with 2 mA constant current charge to 4.2 V, is powered by TI low power chip TPS62740 (Buck) and TPS610980 (boost) which is composed of Buck and Boost two chopper circuits.Using analog switch TS5 A3159, the circuit
5、 will connect a buck channel when the capacitor voltage is greater than 2.4 V, or a boost channel.At the same time, the temperature data collected by TMP112 will be read by the IIC bus and converted to BCD (Binary-Coded Decimal) code, and sent by the SPI bus, so as to achieve long-term temperature m
6、onitoring of super capacitor+PV battery powered condition.The system will periodically calibrate the system clock with the high precision crystal oscillator, to ensure the accuracy of the time scale without increasing the power consumption.The experimental results show that when the system is in nor
7、mal operation, the quiescent current is about 0.7A, and the running time of 78 hcan be achieved under normal conditions.With the advantages of high measurement accuracy、easy installation、simple operation、and low power consumption, the design will be suitable for use in the field without power supply
8、.Keyword： MSP430; TPS62740; TPS610980; TS5A3159; TMP112; 随着现代社会不断的智能化, 温度监测设备的需求也越来越多, 例如冷库、电气设备、机房、档案室、深海测试、极限实验设备等场所都需要温度监测设备。尤其随着互联网技术的应用及发展, 远程温度测量系统的作用也越来越重要, 尤其在条件恶劣不适合频繁更换电池的场合, 对设备的低功耗提出了更高的要求。传统的温度监测装置大多使用模拟器件, 不仅体积大、工作寿命短, 关键是功耗高。现有对低功耗的研究更多的体现在软件策略上, 例如基于超低功耗单片机的智能饮水机系统是通过在保温阶段采用双位调节控制对饮水
9、机内的水温进行智能调控1, 而实时系统温度功耗管理是对模型进行优化2。因此, 针对目前市场上温度监测设备的功耗问题, 本文设计了一种基于 MSP430 的超低功耗温度监测站, 从硬件上实现低功耗, 采用超级电容及低功耗电源芯片, 根据系统实时情况进行升压和降压, 结合低功耗单片机的软件控制进行供电。本设计克服了传统温度监测装置的缺点, 在保证测量精度、时钟精度的前提下, 实现了极低的静态功耗和平均功耗, 最终使用一节普通的纽扣电池供电就可以持续工作 1520a。该设计满足一般工业和实验室的测量要求, 不仅用于温度测量, 也可用于其他无电源测量系统, 具有广阔的应用前景。1 总体方案设计图 1
10、系统总体结构框图 下载原图本系统由单片机最小系统、超级电容、升压电路、降压电路、温度传感器等模块构成, 测试仪器的作用是接收串行外设接口 (serial peripheral interface, SPI) 总线上的温度数据, 并控制超级电容的充放电过程。系统总体结构框图如图 1 所示。2 硬件电路及理论分析2.1 系统功耗分析系统以一个电压为 4.2V 左右的 0.01F 的超级电容作为电源, 超级电容的电量 Q取决于电容量 C、电压 U、充电电流 I 和充电时间 t。超级电容的电量为MSP430 单片机3-4有 5 种低功耗模式, 其中在低功耗模式 3 下, 可以用外部低速晶振进行定时,
11、MSP430 单片机在 2.2V 工作于 LPM3 模式下, 其电流仅为0.5A。超级电容漏电流3-4在 4.2V 时达到 0.2A, 经测试, 超级电容漏电流随电压升高而变大。超级电容恒流充电完成后充电电压瞬间虚高, 一段时间内电压快速下降, 导致电容实际存储电荷量减少, 显著影响实际工作时间。传感器 TMP112 用于采集环境温度, 其关断时静态电流为 0.8A。传感器可以通过 I/O 口供电, 在不用时直接关断 I/O 口断开供电。整个系统的功耗分为静态功耗和动态功耗5-7, MSP430 单片机在活跃状态下工作电流为 220A, 在低功耗模式 3 下为 0.5A, 单片机每 10s 从
12、低功耗唤醒1 次, 工作时间在毫秒级, 唤醒的占空比小于 0.1%, 所以系统整体功耗主要为静态功耗。2.2 系统供电方案TPS62740 和 TPS610980 两个芯片分别支持降压状态低电压直通与升压模式高电压直通, 满足串联供电及功耗低的要求, 电容可用电压范围大, 实测在0.64.2V 都能工作, 整个电源供电电压能保持在设定值不变, 总体静态电流在1A 左右, 输入电压范围宽, 但由于升压与降压串联供电会产生两个芯片总和的静态电流, 整体功耗相对较大。因此, 采用升压与降压并联供电分时使用8-10, 能省去 0.30.4A 静态电流, 使整体功耗降低, 延长系统使用时间。并联供电分时
13、使用能降低功耗, 也达到利用更宽电压, 但是需要借助二极管的单向导电性解决电流倒灌的问题, 而一般普通二极管反向漏电流都为 A 级, 无法满足低功耗设计需求, 应选择正向压降小、反向漏电流小的二极管。2.3 基本斩波电路1) 降压 (Buck) 电路。TPS6274011-12是一款集成功率开关金属-氧化物半导体场效应晶体管 (metal-oxidesemiconductor field-effect transistor, MOSFET) 降压转换器, 具有极低的静态电流 (典型值为 360mA) 和极高的输出电流 (典型值为 400mA) , 输入电压范围为 2.25.5V, 仅需 2.2
14、H 电感和10F 电容就可以稳定工作, 用户可使用 4 个 VSEL引脚在 1.83.3V 范围内选择输出电压 (步长为 100mV) , 电路中 VSEL3和 VSEL4接在拨码开关上。降压 (Buck) 电路如图 2 所示, 其中 U2为 TPS62740 芯片, IN3 为电压输入, OUT3 为电压输出, L 1为用于储能的电感, C 6为用于滤波的电容。图 2 降压 (Buck) 电路 下载原图当输入电压接近输出电压时 (接近 100%占空比) , 芯片将自动进入无纹波模式运行, 以减少开关器件上的损耗, 此时的直流通路仅有 0.6 的等效导通电阻, 产生的损耗可以忽略。2) 升压
15、(Boost) 电路。TPS610980 是一款集成开关 MOSFET 的升压转换器, 芯片内集成了一个低压差线性稳压器 (low dropout regulator, LDO) 和一个Boost 转换器, 可以同时提供双轨电源输出, Boost 转换器输出 VMAIN用作主系统的电源, 并且始终开启, LDO 输出 VSUB则为外设供电, 并且可以选择性关闭 (由 MODE 引脚进行控制) 。低功耗模式下, TPS610980 仅消耗 300 mA 静态电流, 在 10A 负载条件下, 效率可达 88%以上。TPS610980 针对不同的输出设定值提供了多种版本, 在 0.7V输入到 3.3
16、V 输出的转换过程中, TPS610980 可提供高达 50mA 的总输出电流, 仅需 2.2H 电感和 10F 电容就可稳定工作。升压 (Boost) 电路如图 3 所示, 图中 U3为 TPS610980 芯片, IN1 为电压输入, OUT1 为电压输出, L 2为用于储能的电感, C 9为用于滤波的电容。图 3 升压 (Boost) 电路 下载原图图 4 模拟开关示意图 下载原图2.4 模拟开关电路TS5A315913-15是一款单刀双掷 (single pole double throw, SP-DT) 模拟开关, 其电压工作范围为 1.655.5V。该开关具有极低的导通状态电阻和出色的通道间导通状态阻抗匹配, 其先断后合的特性可防止信号在路径间传输时失真。该开关具有出色的总谐波失真 (total harmonic distortion, THD) 性能, 并且自身功耗极低, 非常适合用于切换供电通路。模拟开关示意图如图
