高精度超低功耗数字式温度计设计.docx
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高精度超低功耗数字式温度计设计
1引言
温度是工业控制的主要参数之一。
特别是在冶金、化工、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的地位。
随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到迅速的发展和广泛的应用。
单片机具有处理功能强、运行速度快、功耗低等特点[1]。
应用在温度测量与控制方面，控制方便简单，测量范围广，精度较高。
在本设计中采用的msp430单片机，不仅功能强大，控制方便，而且具有比一般单片机更低的功耗。
从而能够大大提高产品完成的质量。
本设计的内容是设计一个温度计，它的核心控制部分就是单片机对温度传感器所采集到的温度和预先设定的温度进行对比，当采集到的温度没有超出设定值，只进行温度显示，然后结束。
当温度值超出设定值时，单片机所控制的警报器发出警报，从而达到实时控制的目的[2]。
在一些温度控制电路中，温度的采集常常采用的是热电偶、热电阻或者是PN结测量得到的模拟量，再经过采样/保持电路进行A/D转换，最终送入单片机进行处理。
但只这样的温度测量电路实现复杂、易受干扰、不易控制且精度不高[3]。
所以，在本设计中，在温度采集部分，我们采用DS18B20的温度传感器，不需要复杂的信号调理电路和A/D转换电路能直接与单片机相连。
在单片机输出部分，包括一个声光报警器、一个LCD液晶显示屏。
1.1温度测量系统构成和测量方式
1.1.1温度测量系统构成
温度测量系统是由温度传感器及显示记录仪表构成，统称为温度计。
它的种类繁多。
大体上可划分为测量低于600℃，测量高于600℃的高温计两大类。
各种温度计组成是相似的，在使用和设计汇总主要应考虑四个问题。
1.1.2温度测量方式
1、接触式测温
对于高温的测量，目前在接触测温中普遍使用金属热电偶温度计，如有铂铑-铂热电偶、铂铑30-铂铑6热电偶及钨铼3-钨铼25等。
热电偶是由两种不同的金属线组成的，两种不同金属线连成回路时，若两点的温度不同，回路中就会产生一定大小的热电势。
热电偶的总热电势等于两接点所产生的热电势之差。
两接点温度差越大，则总热电势越大，即总热电势与冷热两端温度差成正比。
这就是热电偶的测温原理。
热电偶测温发的优点是设备和操作简单，使用方便，测量精度高。
但是由于要接触被测物体，故对被测物体的温度分布有影响，且由于受到热电偶自身材料的限制，热电偶极易损坏、寿命短、价格昂贵，不能应用于甚高温测量，如铂铑-铂热电偶在良好的使用环境下可短期测量1600℃高温；铂铑30-铂铑6热电偶也只能短期测量1800℃高温。
2、非接触式测温与接触式测温相比，不需与测温对象直接接触，是通过接受被测物体所辐射的电磁波进行测量的，因此不会被破坏被测对象的原有温度场，而且测量范围广。
在高温的测量中，其具有性能可靠、成本较低、使用寿命长、抗干扰强等优势。
这类测温仪按测温原理主要分为热电转换式，光电转换式和激光式测温仪。
热电转换式测温仪（即热辐射温度计）式通过一组或机组串联的热电偶形成热电堆经接收高温物体辐射出的热能后转换为电信号进行测量的，由于其转换精度和速度都较差、可靠性不高，故只在电子技术还不成熟的早期得到应用。
激光式测温仪式由激光器发射激光经高温物体反射到由探测器接收到能量后转换为电信号进行测量的。
虽然其精度很高，但是造价太高，故在生产应用中叶较少采用。
光电转换式测温仪式通过光电探测器经接收辐射光能后转换为电信号进行测量的，其测量温度高、速度快，在实际生产中应用较多。
这类测温仪主要包括单色辐射测温仪、比色测温仪以及多色高温仪等。
单色辐射测温仪式通过采用单色光的辐射强度来测量温度，因辐射系数的精确测量有较大困难，故易形成较大误差。
多色高温计式通过一套复杂的分光系统形成多光谱通道，利用多个光谱的物体辐射亮度测量信息来进行测温的，虽然其测量精度、分辨率都达到了相当高的水平，但是由于其结构复杂，测温理论还不够完善，股灾生产实际中应用还不广泛。
而比色测温仪测量精度高、温度相应速度快、抗电磁干扰、信号损耗少、体积小，同时还可以有效地减少被测物体的发射率变化、环境干扰、期间老化等因素带来的测量误差，能够在一些易爆易燃、强电磁干扰、强腐蚀、空间狭小、直接瞄准有困难的场合中应用，英雌这种测温仪具有广阔的应用前景。
1.2数字温度计的研究背景和意义
温度测量在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域，尤其在热学试验（如：
物体的比热容、汽化热、热功当量、压强温度系数等教学实验）中，有特别重要的意义。
传统所使用的温度计通常都是精度为1℃和0.1℃的水银、煤油或酒精温度计。
这些温度计的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且他们的热容量还比较大，达到热平衡所需的时间较长，因此很难读准，并且使用非常不方便。
数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确等优点，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用。
目前温度计的发展很快，从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等，温度计中传感器是它的重要组成部分，它的精度、灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等[4]。
传感器应用极其广泛，目前已经研制出多种新型传感器。
但是，作为应用系统设计人员需要根据系统要求选用适宜的传感器，并与自己设计的系统连接起来，从而构成性能优良的监控系统。
20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1℃。
目前，国外已相继推出多种高速度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9～12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5～0.0625℃。
由美国DALLAS半导体公司新研制的DS18B20型智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125℃，测温精度为±0.5℃[5]。
为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。
以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27μs、9μs。
Maxim公司生产的DS18B20，DS18B20是直接数字输出的温度传感器，采用DS18B20不需要在单片机系统中扩展A/D转换器，因此可以降低电路的复杂性。
DS18B20是一片3引脚的片内建有温度测量并转换为数字值的集成电路，他集温度传感、温度数据转换与传输、温度控制等功能于一体。
测温范围：
.55～+125℃，精度为0.5℃。
该芯片非常容易与单片机连接，实现温度的测控应用，单独做温度控制器使用时，可不用外加其他辅助元件。
DS1620可把测得的温度用9位的数据表示出来，同时，本身还有2个温度报警输出，因此在恒温箱、温度计及其它对温度敏感的系统中得到了广泛的应用[6]。
1.3数字温度计的研究现状
温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段：
传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；主要是能够进行非电量和电量之间转换；模拟集成温度传感器/控制器；智能温度传感器。
目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。
传统的分立式温度传感器——热电偶传感器：
热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从.50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬，最低可测到.269℃，钨——铼最高可达2800℃[7]。
模拟集成温度传感器：
集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能[8]。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。
智能温度传感器：
智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。
目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品[9]。
智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU），并且可通过软件来实现测试功能，即智能化取决于软件的开发水平。
智能温度传感器包括数字温度传感器和石英温度传感器[10]。
数字温度传感器被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。
用石英作为温度传感器的数字温度计可实现多种功能：
用于热化疗仪中对药液的温度进行测量，能获得较好的测温效果；用于温度检测系统，测温系统可用于各行各业中。
比如：
可用于温室大棚的温度检测，当温度过高就产生报警信号；在轮胎生产中,进行的温度检测。
1.4本次设计的研究工作
根据题目要求，温度计是由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块、时钟显示模块。
对于元器件的选型以及所设计出来的温度计的可行性，我们设计以下方案。
采用msp430单片机作为控制核心，msp430是美国德州仪器公司生产的一种超低功耗的Flash控制器，有“绿色”控制器称号。
其存储模块是目前业界所有内部继承Flash存储器产品中能耗最低的一种，消耗功率仅为其它闪速微控制器的五分之一[11]。
而且，它具有超低功耗的数控振荡器技术，可是实现频率调节和无晶振运行。
Msp430单片机内资丰富，I/O端口功能强大且十分灵活，所有的I/O位均可单独配置，每一根口线分别对应输入、输出、方向和功能选择等多个寄存器的一位。
在本次设计中的，msp430都能够很好的完成设计的要求，例如，本次设计要求的温度显示功能，因为，msp430单片机拥有自己的显示驱动，所以，可以为该设计省去不少麻烦。
整个控制器主要有以下功能：
1、采集和显示温度
2、越限警报，当温度超过设定值，发出警报
3、时间切换和显示
4、串口通信
2单片机等芯片的介绍
2.1DS18B20的简介
前向通道的主要作用是负责数据的采集和转换，在本设计中我们采用的温度传感器DS18B20是世界上第一片只吃“一线总线”接口的温度传感器，其主要特点：
1）独特的单线接口，只需1个接口引脚即可通信。
2）不需要额外的外部元件搭建外围电路即可正常运行。
3）可用数据线供电，不需要备份电源。
4）测量范围为-55
至+125
，增值量为0.5
。
5）以9位至12位的数字量读出温度。
6）在1s典型值内将温度转换为数字。
7）用户可定义的非易失性的温度警告设置[12]。
DS18B20采用3脚PR－35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图2.1所示。
图3.1DS18B20的内部结构图
64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限[13]。
DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。
高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图2.2所示。
头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。
第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。
DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。
该字节各位的定义如图3所示。
低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率[14]。
表2.1DS18B20温度转换时间表
R1
R0
分辨/位
最大温转时间/ms
0
0
9
93.75
0
1
10
187.5
1
0
11
375
1
1
12
750
由表3.1可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。
因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。
高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。
第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。
当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。
转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。
单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃／LSB形式表示[15]。
当符号位S＝0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S＝1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。
表2.2是一部分温度值对应的二进制温度数据。
DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。
若T＞TH或T＜TL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。
因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索[16]。
在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。
主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。
DS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。
器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量[17]。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将－55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器１、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器１的预置值减到0时，温度寄存器的值将加１，减法计数器１的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。
其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值[18]。
表2.2 一部分温度对应值表
温度/℃
二进制表示
十六进制表示
+125
0000011111010000
04D0
+85
0000010101010000
0550
+25.0625
0000000110010001
0191
+10.125
0000000010100010
00A2
+0.5
0000000000001000
0008
0
0000000000000000
0000
.0.5
1111111111111000
FFF8
.10.125
1111111101011110
FF5E
.25.0625
1111111001101111
FE6F
.55
1111110010010000
FC90
2.2MSP430单片机的介绍
2.2.1MSP430F413的主要性能
1.低电压范围：
1.8V…3.6V
2.超低功耗：
活动模式——1MHz，2.2V时为225微安
待机模式——0.7微安
掉电模式（RABM的数据保持）——0.1微安
4.五种省电模式
5.从待机到唤醒模式响应时间不到6微秒
6.频率锁相环，FLL+
7.16位精简指令系统，指令周期125ns
8.带有三个捕获/比较寄存器的16位定时器（Timer_A）
9.集成96段LCD驱动器
10.片内集成比较器
11.串行在线可编程，无需提供外部编程电压
12.可编程的安全熔丝代码保护程序
13.闪烁存储器，器件具有bootstrap程序装载器[19]
2.2.2MSP430F413的引脚功能
表2.3MSP430F413的引脚功能
引脚名称
编号
I/O
描述
AVCC
64
模拟正电源端
AVSS
62
内部连接于DVSS
DVCC
1
数字正电源端
DVSS
63
数字地
NC
7,10,11
空脚
P1.0/TA.
53
I/O
通用数字I/O定时器A
P1.1/TA0/MCLK
52
I/O
通用数字I/O定时器A
P1.2/YA1
51
I/O
捕获方式，比较方式
P1.3/SVSOut
50
I/O
通用数字I/O，比较器的输出端
P1.4
49
I/O
通用数字I/O
P1.5/TACLK/ACLK
48
I/O
定时器A输入时钟/ACLK输出
P1.6/CA0
47
I/O
通用数字I/O/比较器A输入脚
P1.7/CA1
46
I/O
通用数字I/O/比较器A输入脚
P2.0/CA2
45
I/O
通用数字I/O/定时器A捕获方式，比较方式
P2.1
44
I/O
通用数字I/O
P2.2/S23
35
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
P2.3/S22
34
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
P2.4/S21
33
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
P2.5/S20
32
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
P2.6/CAOUT/S19
31
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚,比较器A输出
P2.7/S18
30
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
P3.0/S17
29
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
P3.1/S16
28
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
P3.2/S15
27
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
P3.3/S14
26
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
P3.4/S13
25
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
P3.5/S12
24
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
P3.6/S11
23
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
P3.7/S10
22
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
P4.0/S9
21
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
P4.1/S8
20
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
P4.2/S7
19
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
P4.3/S6
18
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
P4.4/S5
17
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
P4.5/S4
16
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
P4.6/S3
15
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
P4.7/S2
14
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
P5.0/S1
13
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
P5.1/S0
12
I/O
通用数字I/O，LCD输出脚
COM0
36
O
LCD公共输出端
P5.2/COM1
37
I/O
通用数字I/O，LCD公共输出脚
P5.3/COM2
38
I/O
通用数字I/O，LCD公共输出脚
P5.4/COM3
39
I/O
通用数字I/O，LCD公共输出脚
R03
40
I/O
LCD模拟电平第四极输入脚
P5.5/R13
41
I/O
通用数字I/O,LCD模拟电平第三极输入脚
P5.6/R23
42
I/O
通用数字I/O,LCD模拟电平第二极输入脚
P5.7/R33
43
I/O
通用数字I/O,LCD模拟电平第一极输入脚
P6.0
59
I/O
通用数字I/O
P6.1
60
I/O
通用数字I/O
P6.2
61
I/O
通用数字I/O
P6.3
2
I/O
通用数字I/O
P6.4
3
I/O
通用数字I/O
P6.5
4
I/O
通用数字I/O
6.6
5
I/O
通用数字I/O
P6.7
6
I/O
通用数字I/O
RST/NMI
58
I
复位输入脚或非屏蔽终端输入端
TCK
57
I
测试时钟
TDI
55
I
测试数据输入
TDO/TDI
54
I/O
测试数据输出
TMS
56
I
测试模式选择
XIN
8
I
晶体振荡器XT1输入脚
XOUT/TCLK
9
I/O
晶体振荡器XT1输入脚，测试时钟输入脚
2.2.3MSP430F413的工作方式
通过对不同模块操作模式和CPU状态的智能化管理，MSP430的工作方式可以适应多种超低电压和超低功耗的需求，即便在中断处理期间也一样。
一个中断事件可以吧系统从各种低功耗方式唤醒并且，通过RETI指令返回到中断以前的工作状态。
系统适用的时钟信号有ACLK和MCLK。
ACLK就是晶振的频率信号，MCLK和SMCLK是ACLK的倍频信号，作为系统和子系统时钟[20]。
下面是芯片的六种工作方式：
1、活动方式（AM）：
CPU和不同组合的外围模块被激活，处于活动状态。
2、低功耗方式0（LPM0）：
CPU停止工作，外围模块继续工作，ACLK和SMCLK有效，MCLK的环路控制有效。
3、低功耗方式1（LPM1）：
CPU停止工作，外围模块继续工作，ACLK和SMCLK有效，MCLK的环路控制无效。
4、低功耗方式2（LPM2）：
CPU停止工作，外围模块继续工作，ACLK有效，SMCLK和MCLK环路控制无效。
5、低功耗方式3（LPM3）：
CPU停止工作，外围模块继续工作，ACLK有效，SMCLK和MCLK环路控制无效，并且数字控制振荡器（DCO）的DC发生器被关闭。
6、低功耗方式4（LPM4）：
CPU停止工作，外围模块继续工作（如果提供外部时钟）。
ACLK信号被禁止。
晶体振荡器停止工作，SMCLK/MCLK环路控制无效，并且数字控制振荡器（DCO）的DC发生器被关闭[21]。
通过软件对内部时钟系统的不同设置，可以控制芯片处于不同工作方式，整个时钟系统提供丰富的软硬件组合形式，以达到最低的功耗并发挥最优的形同性能，具体有：
1、使用内部时钟发生器（DCO）无需外接任何元件；
2、选择外接晶体或者陶瓷谐振器，可以获得最低频率和功耗；
3、采用外部时钟信号源。
3硬件电路的设计
因为本设计有高精度、超低功耗的要求，所以在选择单片机的时候，我们综合参考了几种单片机的功耗和参数。
在未带负载的时候，AT89C51的功耗为几毫安，而PIC16F877单片机在电压为5V的时候的电流为20毫安，而MSP430在2.2V，1MHz的时候，工作电流也只有225微安，在待机和掉电模式下，工作电流更是只有零点几微安。
数据比较下来十分明显。
而且，MSP430内部集成有非常强大的功能，96位LCD的显示驱动，还有16位指令系统和16位的定时器，在处理起本次设计的时候，运用起来也会相对简单一些。
所以综合比较起来，MSP430是我们的首选。
设计这个单片机温度计，就是能够实现温度采集，显示和其它附加功能，起结构原理图如下：
图3.1结构原理图
主电路
升级会员 