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1、2008山东省大学生电子设计大赛设计题目: 超低功耗电子温度计（C题）【本科组】编号：C甲13XX参赛队员： 指导教师： 参赛学校： 摘 要 本文论述了系统设计原理，进行了理论分析和电路分析，详细阐述了硬件和软件设计，并进行了系统测试和结果分析。关键字：MSP430单片机，1、设计要求及系统简介1 1系统设计要求设计一个电子温度计，能够通过温度传感器测量并显示被测量点的温度。原理方框图如下：MSP430单片机温度传感器显示驱动显示按键1基本要求：(1) 检测温度范围1030，分辨率1；(2) 正确显示温度(3) 整机静态功耗小于5微安(关闭LCD显示,时钟正常运行)(4) 按键唤醒显示2. 发
2、挥部分要求：(1) 温度控制功能(能够演示出控制功能的存在)(2) 显示时分秒的时钟功能(能够正常切换和显示)(3) 其他功能12 系统框图整个系统的结构如图所示。经过现场采集数据后，系统随后与上位机系统进行数据通信，由上位机系统完成后期的数据分析和数据存储工作。如图 2-3测试仪器上位机串口通信图2-3本系统采用超低功耗MSP430单片机设计，主要有电源模块、传感器模块、串口通信模块及LCD显示器等组成。系统组成框图如图2所示。MCU温度传感器LED显示KEY按键串口通信接口电源模块晶振、复位电路报警电路3.3V图3-2 硬件电路组成结构图图2：系统结构图2、方案论证21 MSP430微控制
3、器的优势单片机的选择在本系统的设计中至关重要。一条重要的原则就是要实现低功耗、低成本。通过对系统的性能需求和实际应用范围的分析，对当前市场上几种常用单片机在其主要技术指标和特点方面进行了性能对比以便选型；以51单片机、PIC单片机、AVR系列单片机以及MSP430单片机为例从存储器类型、外部中断数量、内部时钟、内部A/D、内部温度传感器、波特率调整器、开发工具价格以及功耗情况等方面进行了比较。详见表2-1。表 2-1各类主流单片机基本机型性能对比机型51PICAVRMSP430存储器程序存储器数据存储器程序存储器数据存储器程序存储器数据存储器信息存储器程序存储器数据存储器信息存储器外部中断22
4、82个8位I/O口内部时钟无无无有内部A/D无无无有内部温度传感器无无无有波特率调整器无无无有低功耗数百微安数十微安数十微安小于1 A开发工具仿真器、编程器仿真器、编程器JTAGJTAGMCS-51是一种利用比较广泛的8位单片机，指令系统为CISC结构，111 条指令，电源电压为5伏，两种低功耗方式，正常情况下消耗的电流为 24mA ，在掉电状态下，其耗电电流仍为 3mA ；即使在掉电方式下，电源电压可以下降到 2V ，但是为了保存内部 RAM 中的数据，还需要提供约 50uA 的电流。51单片机具有运算速度慢、功耗大、内部资源少等不足，因此在本系统设计中不予采用。MSP430单片机采用最新的
5、低功耗技术，工作在1.83.6V 电压下，有正常工作模式( A M ) 和4 种低功耗工作模式(LPM1、LPM2、LPM3、LPM4), 在电源电压为3V 时，各种模式的工作电流分别为AM：340A、LPM1：70A、LPM2：17A、LPM3：2A、LPM4 ：0.1A ；它的超低功耗性在实际应用中，尤其是在电池供电的便携式设备中表现尤为突出。在系统初始化后便进入待机模式，当有允许的中断请求时，CPU 将在6s的时间内被唤醒。MSP430F1232具有非常高的集成度， 片内集成了10通道的10位A / D转换、具有PWM功能的定时器、温度传感器、片内USART、看门狗定时器、片内数控振荡器
6、(DCO)、大量的具有中断功能的I/O 端口、大容量的片内Flash 和RAM 以及信息Flash 存储器。综上所述，TI公司的MSP430F1232是一个运算速度快、外围模块丰富、易于波特率调整且功耗低的单片机，完全满足本设计的需求。本设计不但要求设计简单，方便使用和操作，而且功耗要低。因此经多方面综合、对比，决定采用TI公司的具有SOC特点的MSP430系列MCU：MSP430F1232。2.2 温度检测方案选择温度计的测温方案一般有以下几种：方案一：采用集成的温度采集芯片来进行测温。这种方案只需要得知温度与A/D转换后的数字量的关系就可以得出当前温度来。这种方案的优点是编程简单，但是功耗
7、大。图2 RC测温方案原理框图方案二：RC测温。此方案主要采用热敏电阻RT和标称电阻R1以及电容等元件，主要利用热敏电阻能根据环境温度的大小改变自身的阻值，电容C的作用是让充电电压缓慢上升或下降，以达到一定的时间。此方案只要通过标准电阻和热敏电阻的放电时间就可以求出当前热敏电阻的阻值，然后根据阻值与温度的大小就可以得知温度的值。与上一种方案比较其优点为功耗小，但是精度随着电容的充放电量时间变化而定，误差较大。方案三：RRT测温。此方案采用采用热敏电阻RT和标称电阻R以及标准电阻串联，根据热敏电阻的电压变化可以测出其阻值的变化，并根据阻值与温度的大小就可以得知温度的值。与前2种方案比较，此种方案
8、设计最为简单，功耗最小，精度较高。因此在此选择方案三作为本次设计的测温方案。23 串口通信方案选择通过串行接口实现上位机（PC机）与下位机的通信连接。PC机的串行接口标准是RS-232C。RS-232C是美国电子工业协会（EIA）在1969年公布的数据通信标准。RS是推荐标准（Recommended Standard）的英文缩写，232C是标准号。其设计之初是为了把计算机通过电话网与远程终端相连而设计的。RS-232C标准采用25针连接器，最常使用的是其中的9个通信信号，基本的数据传输信号有RxD、TxD、GND，分别表示接收数据信号、发送数据信号和地信号。RS-232C标准采用负逻辑，而目前
9、广泛使用的I/O接口芯片多采用TTL标准电平，其具体参数如下表所示：表3-1 TTL标准与EIA标准对比TTL标准EIA标准逻辑00V0.8V+3V+15V逻辑1+1.5V3.3V-3V-15V根据上表所示，为了实现电平转换，有两种方案：（1）采用集成芯片MAX232。集成芯片MAX232虽然是具有专业的串口通信功能的集成芯片，但无论其是否与上位机进行数据传输，该芯片都将处于待机耗能状态，这对系统的能量消耗时非常大的。对系统的低功耗性能是一种影响。（2）采用分离器件电路方式设计基于RS-232协议的串口通讯电路。该电路不仅能实现电平转换，而且能够实现低功耗。系统在没有与上位机进行通信时，该通信
10、电路的发送端和接收端的电平均为低电平，当系统与上位机进行数据传输时，电路的发送端和接收端才被置为高电平。这样的状态下，通信电路部分在不进行数据传输的时候，是完全不耗电的，在低功耗方面起到了理想的效果。在设计本系统的硬件电路过程中，为了突出本系统的功耗低的特点，选择方案2。24 显示模块的选择显示模块的选择方面，当前市场上的普遍使用的显示设备有LED共阴极数码显示管和LCD液晶显示设备。LED数码管的结构简单，成本较低，而且驱动程序较为简单，但因为其7段码的显示结构决定了它显示的内容是非常有限的，只能显示数字和部分字符，使系统人机界面不够友好。LCD液晶显示设备的显示功能相对强大，它既能显示数字
11、和文字，甚至可以显示部分图形信息。能够向用户提供更多的信息。但其结构复杂，编程复杂且成本较高的缺点也是不可忽视的。以上两种设备能满足本套系统的现实需求，但考虑到系统的成本问题，决定采用LED数码管作为输出设备3、系统硬件设计及理论计算3.1主机及液晶显示模块主机模块电路图如附件3-1所示。该电路中包括了MCU芯片MSP430F1232、晶振电路、复位电路、液晶驱动及接口电路。单片机P1口经74HC245驱动LCD液晶。在晶振电路里，该系统选择的是32768HZ的晶振，作为主机系统的主频。图 3-1：主控及LCD电路原理图3.2 测温电路5本系统对温度的测量，是通过MSP430检测温度传感器，转
12、换为摄氏温度的方法实现的。首先，应将温度传感器所表示温度的模拟量应用片内ADC10模数转换模块转换后用数字表示。对于模数转换部分，利用A10作为模拟输入通道，参考电压选择片内基准电压1.5V。对于转换结果部分，将转换后的摄氏温度值存放于RAM区自定义单元暂存单元，用BCD码表示。A/D采样值到温度值的转换算法如下：C = ( ( x / 1024 ) * 1500mV 986mV) * 1 / 3.55mV = x * 423 / 1024 278所以，在本换算程序中设定入口参数为：ADC10MEM 0000 0FFFH换算结果参数为：R12 0000 091H即： R12 = ADC10ME
13、M / 1024 * 423 278温度值经如下转换后，由于误差，使得测量值与真实值之间有一定差异，所以需要设定一个温度修正常数对温度进行修正，本程序的温度修正常数为278。733 串口通信模块通信接口电路如图所示. 系统在没有与上位机进行通信时，该通信电路的发送端和接收端的电平均为低电平，当系统与上位机进行数据传输时，电路的发送端和接收端才被置为高电平。通信电路部分在不进行数据传输的时候，是完全不耗电的，在低功耗方面起到了理想的效果。图3-4 串口通信模块原理图3.4 电源模块电源电路如附件图3-2所示，由一片LP2933、一片AS117、二极管、电阻、电容等组成，系统的输入电源为6V左右的
14、直流电，使用三端可调稳压器LP2933后，输出稳定的电压3.3V为MSP430单片机供电，使用三端稳压器AS117为系统中的LCD、信号处理电路等提供稳定的+5V工作电压。图3-2电源电路3.5 按键模块独立式键盘占用系统口线太多；行列扫描式键盘方案虽然适用于较多按键的设计，比如44行列扫描键盘利用8根端口线可以连接16个按键。但是系统设计之初为了节约成本我们选择了MSP430F1232芯片。该芯片只有22条I/O口线，其中8条用于LCD显示的输出，由于其它I/O线分别用于其他功能，没有足够多的端口线用于设计行列扫描式键盘。这种情况下采用N线控制N*(N-1)按键的键盘设计方案。如附件图3-3
15、所示，该设计方案利用较少的端口线连接了较多的按键，但设计方案的缺点是程序设计比较复杂。具体工作原理如下：第一次：先使P3.0为输出，且输出为0。使P3.1和P3.2为输入，读入它们的状态，若P3.1为低电平，则说明按键KK2按下了，若P3.2为低电平，则说明按键KK1按下了。第二次：先使P3.1为输出，且输出为0。使P3.0和P3.2为输入，读入它们的状态，如果P3.0为低电平，则说明按键KK4按下了，若P3.2为低电平，则说明按键KK3按下了。第三次：先使P3.2为输出，且输出为0。使P3.0和P3.1为输入，读入它们的状态，若P3.0为低电平，则说明按键KK6按下了，若P3.1为低电平，则说明按键KK5按下了。图3-3：N*(N-1)按键键盘方案4
