超低功耗电子温度计.docx
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超低功耗电子温度计
编号：
C甲1002
2008年山东省大学生
电子设计竞赛
超低功耗电子温度计
参赛学生：
宋明刚张荣国杨丹
指导教师：
程志强
学校：
潍坊学院
专业：
自动化
目录
1.系统方案选择和论证2
1.1设计要求2
1.2方案论证与比较3
2.系统整体功能介绍5
3、系统的硬件设计与实现5
3.1时钟接口电路设计5
3.2键盘接口电路设计6
3.3显示电路设计7
3.4温度测量电路设计7
3.5报警电路功能的设计8
4.系统的软件设计8
4.1主程序流程图如下：
9
4.2温度检测程序流程图9
5、测试、结果及分析10
5.1基本功能10
5.2发挥功能部分10
5.3其他功能发挥部分11
5.4测试数据11
6、总结13
参考文献14
附录15
1.系统方案选择和论证
1.1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。
（1）检测温度范围10～30℃，分辨率1℃；
（2）正确显示温度
（3）静态功耗小于5微安（关闭LCD显示,时钟正常运行）
（4）唤醒显示
1.2方案论证与比较
1.2.1控制器的选择
方案一采用常用的89C51控制。
技术比较熟练，应用广泛，现在的51系列技术硬件发展的也非常得快，也出现了许多功能非常强大的单片机，因此使用单片机可以实现要求的基本功能。
但是为了实现数据采集,必须外加A/D转换芯片,这增加了系统的复杂程度，而且加大了系统的功耗，静态低功耗这一要求不可能实现。
方案二应用ATMEGA88V-10PIAVR单片机，ATMEGA88V-10PI是一种功耗极低的高性能8位微处理器，技术上除具有方便、安全、高效外，还具有性能高、成本低和耗能低的特点，其内部具有高达512B的内存作为数据的缓冲区，因此能够实现快的数据读取速度；并具有丰富的I/O资源，而且其外围电路简单,在片内即可实现所有控制，从而简化了整个系统的复杂程度。
综上所述我们选择方案二。
1.2.2温度检测方案选择
方案一采用热电偶元件，但热电偶需冷端补偿，电路设计复杂，因此不宜选择。
方案二采用集成温度传感器DS18B20，如图1.1所示。
该传感器结构简单，不需外接电路，数据传输采用one-wire总线，可用一根I/O数据线即供电又传输数据，在-10--+85℃范围内精度为±0.5℃，测量范围和精度满足题目要求，但可使系统功耗增加。
图1.118B20传感器
方案三采用热敏电阻10K-3950-1%，10℃--+30℃时分辨率可达0.1℃，其测量精度高，重复性、可靠性好。
综上所述我们选择方案三。
1.2.3显示模块的选择
方案一采用数码管显示。
数码管亮度高、体积小、重量轻，但其显示信息简单、有限，关键是功耗较高在本题目中应用要求受到很大的限制。
方案二采用液晶屏实现显示。
液晶显示屏种类较多，但LCM0816液晶显示功耗极低，显示清晰，稳定可靠，编程简单。
由于ATMEGA88V-10PI提供了足够的内存来做为数据缓冲区对显示数据进行存储，我们可以采用液晶LCM0816实现正确的温度显示及时分秒、年月日的时钟显示功能。
其特点是控制信号简单，接线少，且最重要的是待机功耗<1uA，工作电压2.7-5.2V。
综合考虑，我们采用方案二。
1.2.4键盘的选择
方案一采用专门的键盘芯片7289,其可用很少的接口来扩展更多的键盘，能够外接8个LED，64个按键。
但是在本系统中只是使用较少的按键，因此使用7289会浪费按键资源，增加成本。
方案二I/O口直接连接的独立式键盘,每键都有相应的I/O口对应,编程容易控制、实现方便。
综合考虑本设计，系统端口资源足够，为实现方便我们采用方案二。
2.系统整体功能介绍
系统整体设计如图1.1所示
1.1系统整体设计
按键功能说明
参数选择：
选择需要显示数据
设定键：
按一下进入当前数据修改状态，修改完毕按一下保存并退出。
移位键：
选择时分秒、年月日日历修改。
增加键：
每按一下，数据加一。
减小键：
每按一下，数据减一。
3、系统的硬件设计与实现
根据设计和功能要求，本超低功耗电子温度计整机原理实现框图如图3.1所示。
图3.1原理方框图
3.1时钟接口电路设计
实时时钟芯片选用日历芯片PCF8563，提供一个可编程的时钟输出，并具有掉电检测和中断输出功能，所有地址和数据通过I2C总线接口进行传送，与CPU接口简单，由其实现实时时钟计量。
与CPU接口如图3-1所示。
图3.1时钟模块电路图
3.2键盘接口电路设计
I/O口直接连接的独立式键盘,每键都有相应的I/O口，对应键盘电路设计如图3-2所示
图3.2键盘接口电路图
各按键功能如下：
参数选择：
选择需要显示数据
设定键：
按一下进入当前数据修改状态，修改完毕按一下保存并退出。
移位键：
主要是选择日历修改。
增加键：
每按一下，数据加一。
减小键：
每按一下，数据减一。
3.3显示电路设计
系统采用8段8位LCM0816液晶显示器，可方便显示时钟时分秒、年月日和温度值；同时它的显示状态50uA（典型值），省电模式<1uA,工作电压2.7~5.2V，这些低功耗的优良特点满足课题低功耗的要求。
液晶与CPU接口电路如图3.3所示。
图3.3液晶模块接口电路图
3.4温度测量电路设计
温度测量传感器采用热敏电阻10KΩ-3950-1%，测温在10℃--+30℃时线性度好且分辨率达到0.1℃。
热敏电阻的阻值随温度而产生严重的非线性变化，很难直接应用到线性电路中，热敏电阻的阻值随温度的变化函数如下式。
……………………………（3-1）
R25c是热敏电阻在室温下的阻值，β是热敏电阻材料的开尔文（Kelvins）常数，T是热敏电阻的实际摄氏温度。
因此需要对其进行软件或硬件线性补偿，硬件补偿比较容易实现，我们在此使用硬件补偿。
如下：
热敏电阻的线性补偿
电压模式中，用一个普通电阻与热敏电阻串联构成一个分压电路，这个分压电路由稳压电源或电压基准供电，其输出电压随温度的变化关系近似为线性。
如果串联电阻与NTC热敏电阻的室温阻值相等，在室温+25℃附近的电压输出可以保持较好的线性特性，接口电路如图3.4所示。
图3.4温度测量模块接口电路
3.5报警、温度控制功能及电源电压检测电路设计
报警功能包括：
设定温度上下限报警、闹铃报警二种情况；当相应参数达到设定数值时，采用不同颜色发光二极管实现，警示效果良好，电路通过串联上拉电阻与单片机I/O连接，电路如图3.5所示。
图3.5设定温度报警接口电路
电源电压检测及欠压显示：
当检测到电源电压欠压时，系统实现自动关闭，且LED发光；更换电源正常后，重新唤醒。
如图3.6所示。
图3.6电源电压检测接口电路
温度调节控制功能：
图3.7电池欠压报警电路
4.系统的软件设计
程序全部采用C语言编写，实现数据采集、参数设定、数据显示等功能。
采用液晶显示LCM0816显示时间和温度值。
程序设计模块化，其它程序也可直接调用其中的功能函数，使用非常方便。
整个软件系统主要包括主程序、采样程序和时钟程序三大模块。
主程序负责系统初始化，然后进入主循环程序，包括按键处理、显示刷新、报警及系统状态的控制。
4.1主程序流程图如4.1所示：
图4.1主程序流程图
4.2温度检测程序流程图
图4.2温度检测程序流程图
5、测试、结果及分析
观察系统运行状况，并辅助示波器、万用表及温度计经过多次试验得到以下结果。
5.1基本功能
表5-1系统主要功能
要实现的功能
结果
检测温度范围10～30℃，分辨率1℃
实现
正确显示温度
实现
静态功耗小于5微安（关闭LCD显示,时钟正常运行）
实现
唤醒显示
实现
5.2主要测试仪器
序号
型号、名称
1
标准温度计
2
3位半VC9806+数字万用表
3
恒温箱
5.3发挥功能部分
表5-2发挥功能部分
功能
是否实现？
描述
控制功能（能够演示出控制功能的存在）
实现，PWM输出控制发光管亮暗
显示时分秒的时钟功能（能够正常切换和显示）
实现
5.4其他功能发挥部分
表5-3其他功能发挥部分
功能
结果
温度报警设置
实现
温度上、下限报警
实现
闹钟设置
实现
闹钟功能
实现
时分秒和年月日设置
实现
时分秒和年月日显示
实现
电源欠压自动关断，更换电池后重新唤醒，
实现
电池电压显示
实现
5.5数据测试
（1）温度检测。
将热敏电阻连至温度检测模块的输入端，通过ATMEGA88单片机系统内的AD转换输出到液晶显示器显示。
调节被测点温度的变化，将系统显示的温度值和国际标准温度计显示的温度值进行比较，得到数据如表5-4。
表5-4温度测试数据
系统测量值/℃
温度计显示值/℃
测量误差/℃
10.25
10.27
0.02
13.96
13.98
0.02
16.98
16.95
0.03
9.26
19.31
0.05
20.34
20.35
0.02
23.44
23.46
0.02
27.28
27.23
0.05
28.32
28.37
0.05
30.53
30.57
0.04
由测试数据可见，系统分辨率高，高于设计要求。
（2）系统静态电流测量：
利用三位半数字万用表直流微安档检测。
多次通断电，测得数据如表5-5。
表5-5（单位：
μA）系统静态电流测量
0.50
0.51
0.49
0.62
0.55
0.52
0.60
0.55
0.52
0.53
可见，系统功耗极低，很好地满足了功耗方面的要求。
6、总结
本系统利用热敏电阻检测温度，经调试在10～30℃范围内，分辨率达0.1℃，静态功耗低至0.49μA（关闭LCD显示,时钟正常运行），且实现了多项发挥功能。
整个系统构成简单，测量精度高，功耗低，性能稳定可靠。
经过四天的奋斗，对ATMEGA88芯片功能、测温原理、低功耗实现有了深入全面的理解和掌握，初步掌握了系统设计和调试方法，全面锻炼了自己的实践动手能力。
我们参赛同学是这次竞赛的最大受益者，虽然过程是辛苦的，但其中也同样令人快乐。
同时小组的三个成员团结一心，通力合作，体现了良好的团队合作精神。
这种经历为我们今后走上社会打下了良好基础。
参考文献
[1]周立功，张华.深入浅出ARM7-PC213X/214X.北京：
北京航空航天大学出版社,2005
[2]吴金戎沈庆阳郭庭吉、8051单片机实践与应用北京：
清华大学出版社2002
[3]胡汉才、单片机原理及其接口技术北京：
清华大学出版社1995
[4]马忠梅籍顺心张凯马岩、单片机的C语言应用程序设计（第3版）北京：
北京航空航天大学出版社2003
[5]王田苗、嵌入式系统设计与实例开发北京：
清华大学出版社2005
[6]黄智伟王彦等、全国大学生电子设计竞赛训练教程北京：
电子工业出版社
[7]实用单片机电子钟的设计/丁辉、姚庆文 无线电2003年合订本（下）
[8]于海生．微型计算机控制技术[M]．清华大学出版社．1999-6
[9]孙涵芳．MCS-51系列单片机原理及应用[M]．北京航空航天大学出版社．1996-4
[10]黄正谨．综合电子设计与实践[M]．东南大学出版社．2002-3
[11]杨欣等．电子设计从零开始[M]．清华大学出版社．2005-10
[12]谢嘉奎．电子线路[M]．高等教育出版社．2003-2
[13]夏路易，石宗义．电路原理图与电路设计教程Protel99SE[M]．北京希望电子出版社．2002
附录
指导教师评语：
成绩：
指导教师签字：
2012年05月23日
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