温度计论文

“凌阳杯”2006年山东省电子设计竞赛 C甲2706 超 低 功 耗 电 子 温 度 计 超低功耗电子温度计 摘要：本次设计的超低功耗电子温度计，采用低功耗的MSP430F2012单片机作为核心控制部件。根据目的具体要求，采用热敏电阻NTC100和MSP430内部自带的AD转换实现温度的采集功能，利用HT1621显示芯片和16位数码液晶玻璃片实现了数据显示功能，并采用3*1键盘实现了功能之间的转换及调节。整个系统都是在超低功耗的要求下进行元件及运行方式选择的，只需要一片SONY的银锌电池（3V）即刻实现长时间运作，很好的实现了超低功耗、高精度、可唤醒等功能。 关键词： MSP430单片机；超低功耗；热敏元件；温度计 Abstract：The Ultra-low power electronic thermometer uses the low-power MSP430F2012 MCU as the core control components. According to the pecific equirements of this title, we uses the thermistor NTC100 and the MSP430 internal built-in AD conversion to complete the collection of temperature, besides, we uses the HT1621 and 16 digital LCD glass to achieve a data display .By using the 3*1 keyboard ,we achieves the conversion between the functions and regulation. The whole system is in the Ultra-Low-Power requirements for components and operation mode of choice ,which need only one silver-zinc batterie(SONY 3V) to achieve long operation, and achieved ultra-low power, high precision and awaken-abled functions very well. Key words: MSP430,ULP, Thermosensor, Thermometer 一 、系统设计： 1​ 题目要求 2​ 任务： 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。原理方框图如下： 设计要求： 1 基本部分： (1) 温度范围10～30℃，分辨率1℃； (2) 正确显示温度 (3) 整机静态功耗小于5微安(关闭LCD显示,时钟正常运行) (4) 按键唤醒显示 2 发挥部分： (1) 温度控制功能(能够演示出控制功能的存在) (2) 显示时分秒的时钟功能(能够正常切换和显示) (3) 其他功能 3​ 总体设计 本设计总体上包含一下几个模块 本设计主要实现测量温度功能，诸多发挥功能主要有键盘输入循环选择 4​ 方案论证及选择 3.1 控制单元方案 方案一：MCS-51系列单片机是Intel公司推出的通用型单片机，是市场上使用较为广泛的单片机，但其功耗相比来说较高。用51单片机进行功能扩展，外围连接较多，在本设计中要求有温度采集，而51没有自带的A/D转换，需外接器件，功耗增大且使用起来相对麻烦。 方案二：采用凌阳SPCE061A单片机，此单片机工作电压2.6～3.6V（CPU）,I/O端口高电平VDDH为VDD～5.5V，其工作电流小于50mA。虽然凌阳SPCE061A功能丰富，但是在设计温度计时显得有点功能浪费，并且，此单片机在功耗上面明显过高，不符合低功耗要求， 方案三：采用16位MSP430F2012系列单片机，此型号单片机电源电压采用的是1.8～3.6V，电压要求低。MSP430F2012单片机中断源比较多，并且可以任意嵌套，使用起来非常方便：其有内置的10位A/D转换，可以在不外加A/D芯片的前提下采集温度，减少了功耗。在MSP430 F2012中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统。由于系统采用的工作模式不同，芯片的功耗有显著的不同，在系统中总共有一种工作模式和五种低功耗模式，在工作模式4下耗电仅为0.1uA，耗电极低。 综合比较，在实现相同功能的前提下，MSP430具有更低的功耗，更适合要求，故选择方案三。 3.2 温度采集方案 方案一：采用ds18b20数字温度传感器，其工作电压为3.0～5.5V，工作电流在1.5mA，与单片机连接时须在数据线上加一上拉电阻，这无意中增加了功耗。 方案二：采用NTC热敏电阻，其稳定性好,可靠性高，灵敏度高；电阻值和材料常数B值精度高、一致性好、可互换。由于采用玻璃封装,可在高温和高湿等恶劣环境下使用 ；体积小、重量轻、结构坚固,便于自动化安装（在印制线路板上） ；热感应速度快；输入电流小，功耗低。 由此可见，NTC热敏电阻，具有很好的性能，灵敏度高且满足低功耗的要求，故选择方案二。 3.3​ 液晶显示方案 方案一：选用OCMJ液晶，该液晶虽然能显示各种文字及图形，但是它的价格较高，其工作电压为4.5～5.5V，工作温度在0～55℃范围内，工作电流为65mA，如果开启背景光则为111mA。综合一上发现，其功耗超过设计要求。 方案二：采用自制的段码液晶，利用液晶驱动IC（HT1621）以及配套的液晶LCD玻璃片，自制16位段码显示LCD。由于设计要求不需要太多内容的显示，考虑到功耗及性价比问题，所以可以自制一个简易LCD，能够利用较少的I/O端口控制显示。另外驱动IC上装有两种频率的蜂鸣驱动电路，可以实现报警功能，以及段码LCD的低功耗特性，显示状态时电流为60uA，省电模式时小于5uA，工作电压3.0V时即可正常显示，其显示清晰，稳定可靠，使用编程简单，很适合低功耗的要求 由此可见，我们选择方案二，通过驱动IC及配套液晶LCD玻璃片，自制段码液晶，这样即实现了功能要求又降低了功耗。 3.4​ 时钟模块方案 方案一：由单片机实现时钟功能，通过单片机的定时器实现时钟功能，编程容易，不外加芯片，不需要外围电路，这样不会加大功耗。 方案二: 采用ds1302时钟芯片，虽然ds1302可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时等多种功能，但是，在本设计中，日期功能显得有点多余，再者，加上ds1302芯片，会增加电路功耗，并且1302存在时钟精度不高，易受环境影响，出现时钟混乱。 由此，我们选择第一种方案，这样，即实现了功能有没有增加额外的功耗。 3.5​ 键盘输入方案 方案一：选用2*1键盘， 方案二：选用3*1键盘 由于MSP430F2012单片机I/O口只有10个，通过有限的端口来切换实现多种功能，本次设计实现的功能较多，因此，在端口够用的情况下，尽可能选择多的键盘，综合整个设计，因此我们采用3*1键盘 二、单元化设计 1 理论分析与计算 1.1 数值分析 热敏电阻的电阻值和温度变化的关系式的计算方法 电阻值和温度变化的关系式为：  RT = RN expB(1/T – 1/TN)  RT ：在温度 T （ K ）时的 NTC 热敏电阻阻值。  RN ：在额定温度 TN （ K ）时的 NTC 热敏电阻阻值。  T ：规定温度（ K ）。  B ： NTC 热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数。  exp ：以自然数 e 为底的指数（ e = 2.71828 …）。  通过人工，我们测出热敏电阻组织与温度的对应表，见附录 常温环境中，温度为28摄氏度，换算成开氏温标为273.15+28（K）=301.15K,通过多次测28度及30度环境的数据如下表格，取平均值，尽量减小误差，算得B值 温度（T） 28 28 28 电阻均值 NTC阻值（K）RT 103.87 104.18 103.63 103.89 温度TN 30 30 30 电阻均值 NTC阻值（K）RN 94.926 94.078 95.376 94.793 通过公式RT = RN expB(1/T – 1/TN) ，其中，将RT，RN都转化成开尔文温度，再代入公式进行计算，算得B=4064.34，根据算得的B代入公式，求得一定温度的电阻值，与测得的值进行进行比较，经过比较，我们发现求得的阻值与测得的阻值很相近 1.2 采样电压分析与计算 图中，U0为采样电压，U1为比较电压，U1=1/2Vcc；U0/U1=[(R2+R30)*Vcc/(R1+R2+R3)]/( Vcc /2)=2(R2+R3)/(R1+R2+R3),所得到的值即为采样电压值，这样，采样的数据与Vcc无关，减小了一些不必要的误差。 2 电路硬件设计模块 2.1 温度采集模块 说明：R1为热敏电阻，R3为200k电阻，R2为0—20K可调电阻，用来调整温度计的准确性。U0为检测到的电压，将U0接到单片机管脚，通过AD转换，将得到的电压值转换成温度值，在LCD上显示出来。 2.2 控制器模块（单片机最小系统） 说明：单片机接出十个IO口，分别连接LCD玻璃片管脚，按键，及温度采集管脚等。 2.3 键盘模块 2.4 LCD液晶模块 说明：将JP1引出的管脚/CS、/WR、DATA分别接单片机的三个管脚P1.0、P1.1、P1.2，由单片机控制液晶显示。 3 软件设计 键盘触发方式方案选择 方案一：将键盘接口P1.3~P1.5设置为上拉输入。用程序不断扫描键盘的电平，当检测到电平变化是进入相应的处理程序。 方案二：将键盘接口P1.3~P1.5设置为上拉输入，并且设为中断下降沿触发。当按键按下则再相应管脚产生下降沿触发中断，进入相应中断服务程序进行相关操作。 方案一易实现，程序简单。但是不断的扫描询问端口值会无形中增加单片机的压力，这并不符合我们要求的低功耗的理念。方案二虽然初始化设置上有些麻烦，但中断方式最大的节省了单片机的资源，降低了功耗。 3.1 主程序流程图 3.2 子程序模块流程图 3.2.1 LCD驱动程序流程图 3.2.2 按键子程序控制流程图 三、调试过程 1 使用设备何仪器 PC机，室温表，直流微安表，6倍半表34401A 2 硬件调试 将电路板印制好，腐蚀打眼，用万用表检测所有线路是否有断路及短路，发现问题后及时作出改正。然后按照原理图安装元件，焊接。将其焊好元器件后再次用万用表检测所有线路是否正确，防止短路及断路，无误后， 3 测试过程 所有硬件按照按照电路图连接好， 四、测试结果及分析 1 功能测试 2 结果测试 3 结果分析 五、结束语 经过四天的努力与拼搏，我们成功完成了题目的基本要求和发挥部分的功能。制作过程中遇到很多困难，但我们还是坚持了下来，完成了作品。回顾整个参赛过程，我们学习到了很多东西：团队合作，遇到问题要冷静分析等等，这些对我们以后的生活和工作都会有深刻的影响。 感谢组委会给我们提供了这样一个展示自己创作能力的平台，使我们学以致用，锻炼了自己的动手动脑、团队协作、处理困难的能力。同时还要感谢我们的老师，感谢他们在赛前给我们悉心的辅导和不断的鼓励，为我们提供了非常好的工作环境。在以后的学习、工作中，我们将牢记老师的指导，从实践中不断的完善提高自己。 附录： 参考文献： 6​ 测试方法及结果： 6.1 测试仪器: ⑴ PC机，IAR Embedded Workbench 编程环境； ⑵ M890C+数字万用表，TM—6801A温度表；TDGC-015/0.5型调压变压器； ⑶ CL-A-100-5恒压电源1个。 6.2 测试方法和过程: ​ 测试数据： 7 测量误差分析及改进措施： 8 结论： 9​ 结束语： 为了完成设计，我们认识到明确分工，密切合作的重要性。我们组分工明确，一个人主要负责编写程序，调试软件，一个人负责采购，制作实验装置，造型设计等,另外一个人负责设计报告。在这个过程中，每个人的工作是密切联系的，这使我们更加认识到团队合作的重要性。 在程序设计过程中，我们采用了分块设计的思想。先是设计每个模块，并最好单独实现，最后整和成一个系统。 因为硬件调试总是出现问题，使我们组用去大量时间，无法完成难度更大的设计任务，这是比较遗憾的地方。因此，我们觉得硬件电路设计和焊接工艺还是很重要的，如果这两种技能过硬的话会节省很多的制作硬件和调试的时间。 附录：温度阻值对应表 温度℃ 阻值（K） 0 389.5 1 377.14 1.5 362.5 2 358.06 2.5 346.82 3 337.32 3.5 332.81 4 326.14 4.5 314.12 5 305.17 5.5 296.96 6 291.73 7 277.86 8 267.54 8.5 260.98 9 254.16 9.5 246.25 10 240.57 10.5 235.42 11 230.82 11.5 224.27 12 219.3 12.5 215.02 13 210 13.5 203.76 14 198.94 14.5 194.08 15 189.28 15.5 185.81 16 180.71 16.5 176.3 17 170.99 17.5 166.96 18 163.79 18.5 160.72 19 156.41 19.5 153.13 20 149.5 20.5 145.34 21 142.75 21.5 138.86 22 136.41 22.5 132.87 23 130.18 23.5 127.25 24 124.6 24.5 120.97 25 119.24 25.5 115.88 26 112.05 26.5 110.98 27 108.95 27.5 105.53 28 103.87 28.5 101.38 29 99.637 29.5 96.495 30 94.926 30.5 92.824 31 90.255 31.5 88.586 32 86.78 32.5 84.57 33 83.194 33.5 81.23 34 79.72 34.5 77.761 35 76.105 35.5 74.489 36 72.402 36.5 71.411 37 69.438 37.5 68.483 38 67.082 38.5 65.516 39 64.11 39.5 63.08 40 61.933 40.5 60.81 41 59.43 41.5 58.218 42 56.97 42.5 55.884 43 54.839 43.5 53.848 44 52.217 44.5 51.269 45 50.219 45.5 49.451 46 48.116 46.5 47.224 47 46.34 47.5 45.593 48 44.431 48.5 43.755 49 42.756 50 41.026 50.5 40.157 51 39.187 51.5 38.735 52 37.812 52.5 37.12 53 36.47 53.5 35.78 54 34.949 54.5 34.572 55 33.503 55.5 33.021 56 32.392 56.5 31.924 57 31.256 57.5 30.659 58 30.028 58.5 29.591 59 28.941 59.5 28.351 60 27.832 60.5 27.36 61 26.791 61.5 26.381 62 25.684 62.5 25.239 63 24.789 63.5 24.381 64 23.927 64.5 23.609 65 22.995 65.5 22.71 66 22.222 67 21.698 67.5 21.397 68 20.689 68.5 20.465 69 19.999 69.5 19.672 70 19.123 硬件清单 参考文献： 1，​ 陈炳和.计算机控制系统基础.北京：北京航空航天大学出版社，2001 2，​ 雷思孝.凌阳16位单片机原理及应用.西安电子科技大学出版社，2004 3，​ 吴麒.自动控制原理.北京：清华大学出版社，1990 4, 凌阳单片机在大学生电子竞赛中的应用.凌阳科技大学.北京：北京航 航天大学出版社，2005 5, 全国大学生电子设计竞赛组委会.第五届全国大学生电子设计竞赛获奖 作品选编(2001)北京：北京理工大学出版社，2002 6, Integrated Conditional Teleportation and Readout Circuit Based on a Photonic Crystal Single Chip Gu / ney , Durdu O/ . / Meyer, David A., May 2006