基于SPCE061A的超低功耗電子溫度計設計

　　摘要：本設計為參加我院電子制作比賽而作。其設計的基本要求是：制作一個超低功耗電子溫度計，實現溫度、時間的顯示。要求系統溫度誤差小于0．5℃，靜態功耗小于5μW。
　　
　　1、總體設計方案
　　
　　根據題目設計要求，可從硬件選用及軟件編程方面降低功耗。系統可分為控制模塊、測溫模塊、時間模塊、驅動顯示模塊、溫度控制與通信模塊等，整體框圖如圖1所示，各模塊的實現方案如下：　　
　　1．1控制模塊
　　
　　選用SPCE061A型單片機。SPCE061A是一款16位單片機，靜態功耗為2μW。該單片機具有一鍵喚醒功能，需要時可將單片機置于休眠狀態，可有效節省能量，且不用的端口可設為輸出狀態，進一步降低功耗。時鐘頻率可根據需要進行修改。系統默認時鐘為24．756．MHz，CPU時鐘具奄fosc，fosc／2，fosc／4，fosc／8，fosc／16，fosc／32，fosc／64可選，降低CPU時鐘頻率，可有效降低功耗，但會降低系統效率，可根據需要進行選擇。
　　
　　1．2顯示模塊
　　
　　采用6位LCD數碼顯示玻璃片HT1621D，可滿足低功耗要求。
　　
　　1．3時鐘模塊
　　
　　采用低功耗的實時時鐘芯片DS1302實現時鐘。DS1302芯片可自動對秒、分、時、日、周、月、年以及閏年等進行計數，且精度高，8個字節的高速暫存RAM作為數據暫存區，工作電壓為2．5～5．5V范圍內，2．5V時耗電小于300nA。
　　
　　1．4測溫模塊
　　
　　采用數字式溫度傳感器DS18B20。此類傳感器為數字式傳感器而且僅需要一條數據線進行數據傳輸，易于與單片機連接，可以去除A／D模塊，降低硬件成本，簡化系統電路。另外，DS18B20測溫范圍為-55～+125℃，固有測溫分辨率為0．5℃，具有測量范圍廣、測量精度高等優點。
　　
　　1．5通信模塊
　　
　　MAX232芯片是目前應用較為廣泛的電平轉換器件，可以為RS232端口提供雙向電平轉換。
　　
　　綜上所述，本設計具體框圖如圖2所示。　　
　　2、系統的硬件設計
　　
　　2．1單片機
　　
　　單片機系統是整個硬件系統的核心，既是協調整機工作的控制器，又是數據處理器。采用凌陽SPCE061A具體不再細述。
　　
　　2．2單片機與液晶的接口
　　
　　HT1621D為128段(32×4)內置存儲器的多功能LCD驅動器，可以驅動多段LCD字符是其主要特征，同時它還包括了省電命令，有效地減少本身的功耗。其工作電壓為2．4～5．2V，配置方式用軟件調節，三數據訪問模式，VLCD引腳可調整LCD工作電壓。玻璃片顯示器功耗低為其zui大特點。具體電路如圖3所示。　　
　　2．3溫度傳感器電路
　　
　　DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司推出的一種改進型智能溫度傳感器，它能直接讀出被測溫度，并且可根據實際要求通過簡單的編程實現9～12b的數字值讀數方式。電路圖如圖4所示。　　
　　2．4DS1302接口
　　
　　采用DS1302作為主要計時芯片，主要為了提高計時精度，更重要的就是DS1302可以在很小的后備電源下繼續計時，并可編程選擇充電電流來對后備電源進行充電，可以保證后備電源基本不耗電。具體電路如圖5所示。
　　
　　2．5溫控模塊
　　
　　系統通過控制繼電器線圈的通電和斷電，實現給相應的溫控系統加熱或降溫，將測得溫度與設定值相比較，發出相應的控制指令。溫度誤差若為0．5℃，約需要10min左右達到要求。控制電路如圖6所示。加熱、制冷切換由繼電器的觸點實現。　　
　　2．6通信模塊
　　
　　系統可與PC機的RS232端口通信，RS232電平轉換芯片采用MAX232，其與SPCE061A的接線如圖7所示。所測溫度值可由電腦儲存并調用，PC機的通信可視化界面可顯示具體時刻的溫度值，并可將段時間的溫度變化由曲線顯示出來。通信界面如圖8所示。　　
　　3、系統的軟件設計
　　
　　3．1主程序
　　
　　若要降低系統功耗，軟件也起很大作用?？偩€上幾乎每一個芯片的訪問、每一個信號的翻轉差不多都由軟件控制的，如果軟件能減少外存的訪問次數、及時響應中斷等措施都將對降低功耗有很大作用。系統主程序首先對系統進行初始化，包括設置定時器、中斷和端口。圖9是系統的主流程圖。
　　
　　3．2讀取溫度子程序
　　
　　讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9個字節，在讀出時需進行CRC校驗，校驗有錯時不進行溫度數據的改寫。其程序流程圖如圖10所示。　　
　　3．3時間調整程序
　　
　　調整時間用3個調整按鈕，1個作為移位控制用，另外2個作為加減用，分別定義控制按鈕、加按鈕、減按鈕。在調整時間過程中，要調整的那位與別的位應該有區別，所以增加了閃爍功能，即調整的那位一直在閃爍直到調整下一位。閃爍原理就是讓要調整的那一位，每隔一定時間熄滅一次，比如說50ms。利用定時器計時，當達到50ms溢出時，就送給該位熄滅符，在下一次溢出時，再送正常顯示的值，不斷交替，直到調整該位結束，此時送正常顯示值給該位，再進入下一位調整閃爍程序，時間調整程序程序流程圖如圖11所示。
　　
　　4、試驗數據及結果分析
　　
　　4．1測試儀器
　　
　　室溫計(1℃)、61系列仿真器、HP34401A數字萬用表。
　　
　　4．2硬件調試
　　
　　(1)硬件調試時，可先檢查焊接的質量是否符合要求，有無虛焊點及線間有無短路、斷路。然后用萬用表測試或通電檢測，檢查無誤后，可通電檢查LCD液晶顯示器亮度情況，一般情況下取背光電壓為4～5．5V即可得到滿意的效果。
　　
　　(2)DS1302與單片機相連的只有3根線，很容易檢查，主要檢查DS1302管腳與晶振、電源是否連接好。
　　
　　(3)DS18B20在測溫程序設計中，向DS18B20發溫度命令轉換后，程序要等待DS18B20的返回信號，一旦線路不好或斷線，將陷入死循環，所以線路一定要檢查清楚。
　　
　　4．3軟件調試
　　
　　軟件調試以子程序為單位逐個進行，zui后結合硬件實時調試。
　　
　　子程序調試包括：DS1302的計時和讀寫程序、顯示程序；SPCE061A讀寫程序；DS18B20讀出溫度子程序、溫度轉換命令子程序；計算溫度子程序、顯示數據。
　　
　　4．4測試結果分析
　　
　　測試結果見表1，表2。　　
　　由于采用了DS1302作為計時器使用，其計時精度相對來說比較高。用制作的成品與萬年歷計時比較，基本*。
　　
　　由于DS18B20的誤差指標在0．5℃以內，在一般場合*適用。
　　
　　功耗測試結果表明，靜態功耗達到了設計的要求。
　　
　　5、結論
　　
　　本系統由于采用了凌陽SPCE061A單片機和DS18B20等低功耗器件，經過測試，系統靜態功耗低于給定的zui小值，且實現了對溫度值的顯示和處理，并實現了對溫度的控制，時間顯示準確。系統的性價比較高，有較好的推廣應用價值。