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2020年10月30日 | 用MSP430设计超低功耗数字温度计
2020-10-30 来源：elecfans
概述
很多地方都需要测量温度。在设计温度遥测系统时，通常需要采用电池供电的极低功耗模块。传统的测温手段比较多，但不论是采用分立晶体管、热敏电阻，或者是热电偶，功耗都降不下来。本文介绍了一种满足低功耗要求的可行方案，该方案使用一枚极低功耗的、带Flash存储器的MCU，以及数字温度传感器、液晶模块（LCD）和一个32kHz的钟表用振荡器。该方案的突出特点是节能耐用，仅需一枚纽扣电池，就可以连续工作10年以上。
工作原理
图一所示MCU扩展系统的电源是一枚CR-2032型纽扣式锂电池，这种电池的容量为220mAh。要让系统达到连续工作10年（87600小时）的要求，允许的最大负载电流可以用以下方法计算出来：
220mAh / 87，600小时 = 2.51 A
这个测温系统不但要测量温度，还要连续显示测量结果。当系统处于单步模式时，TMP100温度传感器每完成一次测量，就会自动进入关断模式，此时的典型功耗为0.1 A;系统处于节能低功率模式（LPM3）时，晶振、LCD驱动器和16位定时器继续工作，此时MSP430的典型功耗为0.9 A;3位半LCD的典型功耗为1 A。
系统每个工作周期的耗电情况如图2所示，温度传感器、MCU和LCD的总功耗平均值为2.45 A。为了尽可能延长电池的使用寿命，在工作周期内的绝大多数时间，系统都处于等待模式。
硬件设计说明
电池加上一只0.1 F的去耦电容，构成了这个系统的电源。MCU的复位端连接一只68k的上拉电阻，时钟脉冲（ACLK）取自32.768KHz的钟表用晶体。在I2C总线的SCL（时钟）和SDA（数据）上，分别连接一只10K的上拉电阻。
工作原理
MCU同温度传感器之间通过I2C总线连接。I2C总线占用2条MCU输入输出口线，二者之间的通信完全依靠软件完成。温度传感器的地址可以通过2根地址引脚设定，这使得一根 I2C总线上可以同时连接8个这样的传感器。本方案中，传感器的7位地址已经设定为1001000。MCU需要访问传感器时，先要发出一个8位的寄存器指针，然后再发出传感器的地址（7位地址，低位是WR信号）。传感器中有3个寄存器可供MCU使用，8位寄存器指针就是用来确定MCU究竟要使用哪个寄存器的。本方案中，主程序会不断更新传感器的配置寄存器，这会使传感器工作于单步模式，每更新一次就会测量一次温度。
要读取传感器测量值寄存器的内容，MCU必须首先发送传感器地址和寄存器指针。MCU发出一个启动信号，接着发出传感器地址，然后将RD/WR管脚设为高电平，就可以读取测量值寄存器。
为了读出传感器测量值寄存器中的16位数据，MCU必须与传感器进行两次8位数据通信。当传感器上电工作时，默认的测量精度为9位，分辨力为0.5 C/LSB（量程为-128.5 C至128.5 C）。本方案采用默认测量精度，根据需要，可以重新设置传感器，将测量精度提高到12位。如果只要求作一般的温度指示，比如自动调温器，那么分辨力达到1 C就可以满足要求了。这种情况下，传感器的低8位数据可以忽略，只用高8位数据就可以达到分辨力1 C的设计要求。由于读取寄存器时是按先高8位后低8位的顺序，所以低8位数据既可以读，也可以不读。只读取高8位数据的好处有二，第一是可以缩短MCU和传感器的工作时间，降低功耗;第二是不影响分辨力指标。
MCU读取传感器的测量值后，接下来就要进行换算并将结果显示在LCD上。整个处理过程包括：判断显示结果的正负号，进行二进制码到BCD码的转换，将数据传到LCD的相关寄存器中。
数据处理完毕并显示结果之后，MCU会向传感器发出一个单步指令。单步指令会让传感器启动一次温度测试，然后自动进入等待模式，直到模数转换完毕。MCU发出单步指令后，就进入LPM3模式，这时MCU系统时钟继续工作，产生定时中断唤醒CPU。定时的长短可以通过编程调整，以便适应具体应用的需要。
功能扩充
实现上文所述方案的程序代码只有400字节左右，而MCU的 Flash程序存储器有8k之多。此外，虽然MCU有256字节的RAM，但是本程序一个字节都不必用。这256字节的RAM以及那些未用的在系统可编程 （ISP）Flash存储器可以用来记录历史数据。另外，MCU还剩余22根输入输出口线、一个双端电压比较器和一个完整的三通道16位定时器TImer A，这些空闲的资源可以用来实现其他一些常用的功能，例如键盘、合成铃声、模数转换、电池电量检测以及串行通信功能。由于系统时钟使用的是32kHz的钟表晶体，所以可以利用定时器中断实现时钟功能（RTC）。
由于温度传感器和MCU之间采用了I2C总线，所以，可以依靠分配不同的地址连接更多的传感器。以3位地址的TMP100传感器为例，总线上最多可以同时连接8枚传感器。
小结
本文介绍了一种极低功耗测温装置的软硬件设计方案，方案采用了MCU、传感器和LCD显示屏，具有功能完善、节能耐用、结构简单、外形小巧、价格低廉等优点。按照该方案制作的测温装置不但可以达到测量要求，而且可以在使用一枚3V电池供电的情况下，连续工作10年以上而不必更换电池。
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