便攜式低功耗溫度檢測儀設計

周 曉，張春生，張希文，李英雪，王建順

(中國石油塔里木油田公司天然氣事業部，新疆庫爾勒 841000)

溫度測量被廣泛應用于生產生活中，在工業鍋爐供暖控制系統運行效果的檢查，電力變壓器運行狀態監控，大中型恒溫倉庫溫度控制等方面都需要對關鍵點的溫度等參數進行實時采集和存儲。該測儀系統設備少且簡單，投資小對環境要求較低，能自動進行數據采集、分析和處理，并能自動記錄與顯示結果，可靈活應用于遠程電力網監控，油田測井系統，樓宇自動化等領域［5］。

1 系統總體結構設計

便攜式低功耗檢溫度測儀以MSP430F247低功耗單片機為控制 CPU，采用一體化智能溫度傳感器DS18B20作為數據采集模塊，利用nRF905無線傳輸模塊進行數據收發，檢測儀設有RS232通信接口，可與計算機直接通信，同時可通過無線模塊將數據按規定格式發送到上位機，由上位機進行分析及處理;實際采用方案如圖1所示。

2 系統低功耗設計方案

圖1 系統結構圖

按照超低功耗電路系統設計思想，電源電壓和時鐘頻率是系統是否具有低功耗性能的核心，在設計硬件電路和系統軟件的初期，需要考慮系統的各項功能;盡量通過編寫軟件來代替部分硬件電路的功能，例如可通過單片機系統的定時器功能替代時鐘芯片等硬件電路來減少系統能耗，用單片機所具有的脈沖計數特性實現計數、檢測等功能，另外隨著節能降耗技術在實際生產生活中得到廣泛推廣，不同的單片機廠商都推出了具有低功耗特性的微處理器。其中以TI公司生產的MSP430超低功耗系列應用較為廣泛，MSP430超低功耗系列微處理器具有低電壓和低頻率條件下工作的特點，該系列單片機在低功耗模式下運行電流＜2 μA，在低電源電壓范圍(1.8～3.6 V)下能正常工作。同時在完整的低功耗電路系統中，外圍硬件電路的設計也至關重要，在滿足系統檢測和控制等指標性能要求的條件下，盡量選用與系統微處理器工作電源相匹配的具有低功耗特性的電子元器件。

3 溫度數據采集及傳輸方式設計

Dalla半導體公司的數字化溫度傳感器為一線總線式溫度傳感器，一線總線的特點方便用戶組建傳感器網絡，新一代的DS18B20體積更小，更經濟、靈活;其溫度測量范圍為－55～+125℃;精度為±0.5℃;現場溫度以一線總線的數字方式傳輸，提高系統的抗干擾特性。適合與環境較為復雜的現場溫度測量，如:環境控制、設備過程控制、測量類消費電子產品等［2］。DS18B20通過單總線的方式發送和接收各種操作命令;另外該檢測系統可以利用DS18B20特有的序列號特點進行擴充，可靈活應用于多點溫度測量，將傳感器掛在單總線上，分別放在不同的地方檢測儀器設備運行溫度及恒溫廠房溫度檢測等。

數據采集完成后根據需要選擇通過nRF905自動向上位機發送數據或直接存儲并不進行發送，待所有數據采集完成后通過RS232接口與上位機進行數據交互，由上位機對所采集的數據進行分析和處理。系統電路如圖2所示［3］。

圖2 系統電路圖

4 系統軟件設計

在軟件設計上應盡量做到在大多時間只有微處理器在運行，當系統不工作時讓微處理器處于低功耗模式或休眠狀態，并將切斷系統時鐘，對時鐘應做到忙時少用，不用關閉的設計思想。由于系統中需要得到明細溫度數據，采取每5 s啟動一次，轉換結束后立即存儲，然后進入LPM3模式，在接到上位機的上傳命令后再啟動nRF905進行數據的上傳工作，并反復循環。

DS18B20通過單線總線的所有執行或處理都從一個初始化序列開始，初始化序列包括一個由總線控制器發出的復位脈沖及其后由從機發出的存在脈沖，存在脈沖讓總線控制器知道 DS18B20在總線上且已準備好操作，一旦總線控制器探測到一個存在脈沖，就可以發出5個ROM命令中的任一個，DS18B20需要嚴格的協議以確保數據的完整性。協議包括幾種單線信號類型:復位脈沖、存在脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1。所有這些信號，除存在脈沖外，都由總線控制器發出;與DS18B20之間的任何通訊都需要以初始化序列開始，一個復位脈沖跟著一存在脈沖表明DS18B20已準備好發送和接收數據，適當的 ROM命令和存儲器操作命令［4］。根據 DS18B20的通訊協議，主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經過4個步驟:每次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發送ROM指令，最后發送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。當主機收到DS18B20的響應信號后，便可發出操作命令采集數據。

5 結束語

便攜式低功耗溫度檢測儀利用MSP430F247優越的超低功耗性能構建以MSP430F247微處理器為核心的超低功耗溫度檢測系統，系統從電子元器件選擇、電路設計、軟件設計等方面進行低功耗優化設計，通過軟件及硬件充分結合，系統布局，實現了系統溫度數據檢測低功耗的特點［5］。系統測試平均電流僅為10 μA。文中實踐了用軟件代替硬件的設計思想，設計中通過使用MSP430F247定時器編寫時鐘模塊產生1 s中斷，用軟件實現實時鐘，優化微處理器外圍電路的設計，減少了器件和系統總功耗。該檢測系統體積小，功耗低，數據存儲量大，下位機軟件提供方便的數據存儲、分析處理、顯示等功能，操作使用方便靈活，能夠節省大量的人力物力，具有一定的應用前景。

［1］ 賈伯年.傳感器技術［M］.南京:東南大學出版社，2000.

［2］ 賈振國.DS1820及其高精度溫度測量的實現［J］.電子技術應用，2000，26(1):58 －59.

［3］ 朱穎莉.基于nRF24L01的礦井無線傳輸系統的設計［J］.科技廣場，2008(10):194 －196.

［4］ 張毅剛，彭喜元，姜守達，譚曉昀.新編MCS－51單片機應用設計［M］.3版.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2003.

［5］ 姜忠良.溫度的測量與控制［M］.北京:清華大學出版社，2005.