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低功耗数字温度计的设计

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2 00 9 年第 2 期( 总第 1 5 0 期)

山东纺织经济

生产实践

低功耗数字温度计的设计
刘同玉 (潍坊市市政公用事业管理处    山东潍坊    261041)
摘  要:待机时间长、功耗极低的数字温度计在工农业生产中应用广泛。以超低功耗单片机 ATmega88V-10PI 为控制器,热敏电阻为温度传感器,采用 PCF8563 为日历时钟芯片,加上液晶显示器 LCM0816实现温度、 时间显示而构成的数字温度测控系统, 电路结构简单。 通过硬件电路结合应用软件 设计,整机静态电流低至 0.5 μ A,温度测量精度高达 0.1℃,很好地满足了应用要求。 关键词:热敏电阻;单片机;低功耗;测量精度 中图分类号:TP216      文献标识码:B      文章编号:1673-0968(2009)02-0133-02

0 引言 工农业生产中经常需要测量温度。在设计温度 测量系统时, 通常需要采用电池供电的极低功耗模 块。传统的温度测量手段比较多,但不论是采用分 立晶体管,或者是热电偶,功耗都降不下来。为达 到低功耗要求,采用一枚极低功耗的、带 Flash 存 储器的 MCU,以及热敏电阻传感器、日历时钟和液 晶模块(L C D )组成测量系统。采用负温度系数 (NTC)热敏电阻,具有测量灵敏度高、体积小、电 阻值大、价格便宜等特点,且温度范围可以从 -40 ℃~125℃,精度可达 1%,基本上满足了行业中对 温度的测量需求。 系统兼顾了温度测量精度和低功 耗两方面的要求。 1 NTC 热敏电阻的电阻 - 温度特性 NTC 热敏电阻的电阻 - 温度关系不是线性的,
收稿日期:2009-02-20

电阻值可以*似地用如下公式表达:       (1) 式中:R、R25 为绝对温度下 T、T25 时的电阻值 (kΩ) ;B值是反映负温度系数热敏电阻热灵敏度高 低的一个量,其量纲为 K。B 值越大,则热敏电阻器 的热灵敏度越高。 由式(1)可求出温度关于电阻值的反函数为: (2)   2 硬件电路设计 根据温度检测范围 0~+100℃,分辨率 0.5℃, 日历时钟功能,静态功耗小于 5 微安(关闭 LCD 显 示)及唤醒显示的控制要求,整机原理实现框图如  

直接控制的。 3 软件设计 电路系统软件采用模块化设计,共分四部分。 主程序:单片机送电后进入键盘程序,操作者 通过键盘键入标准时间。 8255A初始化时,三个口都 定为输出。CTC 定时器 T0 选择工作方式 1。判断 8 的程序是否是循环运行等待中断,一旦够 8h,单片 机就进入和主机通信的程序,把 RAM6264 中的数 据逐个送给主机,送完后又开始了新的工作。 中断服务程序:由两大部分组成,一部分是以 CTC 定时器的定时周期为基准而进行秒、分、时的 计时程序;另一部分是处理从 P1 口传入数据的程

序。由于数据处理反复调用,把其编入子程序。 数据处理子程序:数据存储区比较庞大,数据 的存放按类型可分为 4 个区:产量数据区,经停计 次、 计时区, 纬停计次、 计时区和其他停车计次、 计 时区。 每个数据区的数据存放地址要根据机台号的 顺序由小到大安排。 显示程序:把每台织机的产量逐个循环送入显 示器上显示,每隔 2s 换另一台织机产量。 结束语 本文介绍的检测系统通过几年来的运转,达到 了设计要求。实践证明这是一套造价低廉,测试数 据较准确,易普及的单片机应用系统。◆
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生产实践 图 1 所示。

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图 1 温度测量系统框图 现在的电子产品,对低功耗的要求越来越高。 以单片机为核心的系统, 其功耗主要由单片机功耗 和单片机外围电路功耗构成。 对于本温度测量系统, 关键是对低功耗单片机的选择, 这可从单片机的供 电电压、内部结构、系统时钟和低功耗模式等几方 面考察。因此选用了高性能、低功耗的 8 位 AVR 单 片机 ATmega88V,它具有 8K 字节的系统内可编程 Flash,6 路 10 位 ADC 及五种可以通过软件选择的 省电模式。工作电压范围宽:1.8~5.5V;功耗低, 掉电模式时,1.8V 供电电流仅为 0.5 μ A,非常适 合于干电池供电, 而且待机期间端口的工作状态不 会改变并可随时唤醒。 在工作过程中,为了使功耗最小化,要尽可能 利用单片机休眠模式, 并且使尽可能少的模块继续 工作,不需要的功能必须禁止。模数转换器、模拟 比较器、 掉电检测、 片内基准电压、 看门狗定时器、 端口引脚可编程的内部上拉电阻等, 通过软件编程 将相关功能模块禁止或断开。 按键有设定、 参数选择、 加、 减和确认五个键, 日历时钟选用串行输出日历芯片 PCF8563,而温度 传感器选用深圳敏杰电子生产的 10K-3950-1% 热 敏电阻。 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很好地满足了 控制要求。 3 温度测量原理 系统中温度测量传感器采用热敏电阻 10K Ω - 3950-1%,其阻值随温度变化是非线性的,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, 采用一只精密电阻与热敏电阻串联构成一 分压电路, 该分压电路由单片机产生的基准电压供 电,接口电路如图 2 所示。
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图 2 热敏电阻接口电路 当系统由3V电池供电时, 单片机产生的基准电 压 V REF 为 1.25V 。 由图 2,流过 R t 、R 1 的电流为:

则 R 1 分压为: 所以模数转换数值: (3)    式 (3) 表明, 模数转换的数值与基准电压无关。 根据厂家提供的热敏电阻的温度 - 电阻值表, 通过离线计算,可获得 ADC 与 R t 之间的关系,从 而进一步获得 ADC 与温度之间的对应关系。 在单片机中存入此对应关系数据表,输入 ADC 值,搜索数据表,即可查出温度值,再通过线性插 值进一步计算出温度的小数位。 温度值在单片机内 存放时扩大 10 倍,即 20℃用 200 表示。 温度线性插值表达式为:   (4) 式中: s 为温度区间的上限; x为温度区间的下 t t 限;A D C s 为 A D C 区间的上限;A D C x 为 A D C 区间 的下限;A D C 为实际值。 4 结束语 基于热敏电阻的超低功耗数字温度计,通过硬 件电路结合应用软件设计, 使得包括液晶显示在内 的单片机系统部分的工作电流在休眠时远低于设计 要求的 5 μ A,且根据热敏电阻的温度 - 电阻值表, 通过插值计算的方式, 温度测量精度可达0.1℃, 很 好地满足了应用要求。◆




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