基于MSP430單片機的低功耗無線溫度表的設計

于文剛 李小影 王海國 馬操

【摘要】 隨著物聯網技術的不斷發展，無線通訊技術越來越受到社會各個行業的重視，更加推動了前端低功耗無線傳輸儀器儀表的發展。本文針對油田抽油井井口無線監控系統的前端無線溫度表的設計做了系統的闡述，該無線溫度表設計采用了低功耗的MSP430系列單片機以及橋式電路方式設計，采用無線通訊傳輸技術，降低了現場工程施工成本。

【關鍵詞】 MSP430 ISM-433MHz pt100 橋式電路

目前油田現場抽油機井井口油溫以及注水井井口溫度的溫度表多為傳統的指針式溫度表，油田操作工人需要定時去現場讀取相關溫度數據，從而導致現場相關測試數據更新時間周期長，不能及時準確地反映油井實時工況，從而會影響到后期對油井的工況診斷。

一、系統總體設計

由于無線溫度表是數字化油田溫度實時監控系統中的一部分，因而其實際功耗和測試精度是其設計的重點和難點。為了提高溫度表的測試精度，前端傳感器采用了高精度級別的鉑電阻pt100，并且采用橋式電路，使鉑電阻pt100在橋式電路的一個橋臂上，與之相對應的橋臂采用高精度可調電位器用于調零點，這樣的設計保證了系統溫度測試的精度。系統主控芯片采用了低功耗的MSP430F2XX系列單片機，其它所有器件均采用低功耗級別的元器件，并且在傳感器供電方式上采取間歇式供電，進一步降低了系統的功耗。系統選用3.6V/8.5Ah高性能工業鋰亞電池（18650），保證了供電系統的穩定性。無線數據通訊部分采取了ISM-433MHz頻段的低功耗無線模塊，通過MSP430單片機的串口TTL電平與無線模塊直接相連，節省了系統的設計成本。同時為了提高系統的可靠性，增加了大容量的本地Flash存儲芯片AT45DB321，保證了系統在與上位機通訊失敗的情況下將本地的測試數據及時保存起來，保證了測試數據的完整性。

系統整體框圖如下所示，

二、系統硬件設計

1、系統主控電路。系統主控芯片的選擇在整個系統中的設計中至關重要，尤其是在低功耗要求很高的系統設計中，傳統的單片機在靜態的時候也會消耗較大的電流，無法滿足系統低功耗的要求。經過對各個廠家的單片機性能進行反復比較和出于成本考慮，我們選擇了美國德州公司推出的MSP430F2XX系列單片機，該系列單片機為16位超低功耗單片機，它具有LPM0～LPM4五種低功耗模式，其供電電壓可以在1.8～3.6V范圍內變化，活動模式下耗電250μA /MIPS，I/O輸入端口的漏電流最大僅50nA，可以外接32.768kHz和8M的晶振，增加了功耗和速度選擇的靈活性。內置多種外圍設備，如三個定時器、看門狗、比較器、12位A/D、Flash存儲器、串口通信模塊、硬件乘法器等，大大簡化了硬件電路設。

2、電源調理電路。所有采用電池供電的儀器儀表，由于隨著電池能量的消耗，其電壓會逐漸下降，某些元器件在電壓變化時，其工作特性或多或少會發生變化，為了保證測量精度，系統應該在一個比較穩定的電源電壓下工作，避免受電池電壓下降的影響。

三、系統軟件設計

系統軟件設計采用的開發環境為IAR for MSP430 V4，采用C語言編寫系統軟件程序。系統主程序包括兩種工作狀態：測試狀態和校準狀態。系統程序初始化后，程序進入定時測試程序循環，如果系統有按鍵按下則程序進入校準程序狀態。

結束語：本文系統地介紹了高精度、低功耗的無線溫度表的整體設計思路，分別從硬件電路設計和軟件設計兩個方面融入了實現高精度、低功耗以及無線傳輸要求的設計思想，并且 利用了MSP單片機內部的特殊A/D 轉換器降低了開發成本。經過多次實驗，無線溫度表的測量精度可以達到0.5%F.S，可以達到工業現場應用的水平。由于系統考慮設計成本以及需求方的因素，并沒有采用獨立的A/D轉化芯片，對測量精度有一定的影響，是需要下一步完善和研究的地方，這樣會更加提高整個儀表的測量精度。

參 考 文 獻

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