超低功耗电子温度计.docx

1、超低功耗电子温度计编号：C甲10022008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 21.1设计要求 21.2 方案论证与比较 32.系统整体功能介绍 53、系统的硬件设计与实现 53.1 时钟接口电路设计 53.2 键盘接口电路设计 63.3 显示电路设计 73.4 温度测量电路设计 73.5 报警电路功能的设计 84. 系统的软件设计 84.1主程序流程图如下： 94.2温度检测程序流程图 95、测试、结果及分析 105.

2、1基本功能 105.2发挥功能部分 105.3 其他功能发挥部分 11 5.4 测试数据 116、总结 13参考文献 14附 录 151.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1030，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,

3、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-10PI AVR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

4、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1.1 18B20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LC

5、M0816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

6、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

7、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

8、作电压2.75.2V，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10K-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，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

9、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；

10、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

11、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1030，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 23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

12、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/10.2510.270.0213.9613.980.0216.9816.950.039.2619.310.0520.3420.350.0223.4423.460.0227.2827.230.0528.3228.3

13、70.0530.5330.570.04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：A）系统静态电流测量0.500.510.490.620.550.520.600.550.520.53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1030范围内，分辨率达0.1，静态功耗低至0.49A (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、

14、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,20052 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20023 胡汉才、单片机原理及其接口技术 北京：清华大学出版社 19954 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

15、版） 北京：北京航空航天大学出版社20035王田苗、嵌入式系统设计与实例开发 北京：清华大学出版社 20056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1999-69 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1996-410 黄正谨综合电子设计与实践M 东南大学出版社2002-311 杨欣等电子设计从零开始M 清华大学出版社2005-1012 谢嘉奎电子线路M 高等教育出版社2003-213 夏路易，石宗义电路原理图与电路设计教程Protel 99SEM 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