低功耗多參數(shù)采集儀表的設計

【摘要】本文介紹了以MSP430F1611單片機為控制器的低功耗多參數(shù)采集儀表的硬件設計及軟件流程，該儀表通過數(shù)字傳感器實現(xiàn)外界溫、濕度，光照度，大氣壓強等參數(shù)的采集，通過NXP的PCA8538COG段碼液晶模塊顯示輸出，同時可通過串口實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的上傳功能，具備實時時鐘、電池電壓監(jiān)測、低功耗待機模式等功能。該儀表功耗低、體積小、數(shù)字化程度較高，低成本，便于攜帶;可應用到機房環(huán)境監(jiān)測、智能溫室、小型氣象站等領域，有很好的應用前景。

【關鍵詞】單片機;參數(shù)采集;低功耗儀表;COG段碼液晶

1.引言

參數(shù)采集在環(huán)境監(jiān)測、智能家居、氣象監(jiān)測等系統(tǒng)中起到非常重要的作用，在實際應用中，參數(shù)采集裝置需要長時間對區(qū)域內的多個參數(shù)進行監(jiān)測、記錄，且常采用電池供電;這就要求參數(shù)采集裝置能夠靠電池長時間工作，并實現(xiàn)多種參數(shù)的自動采集和記錄，同時具有顯示輸出和通信功能，以便于技術人員對數(shù)據(jù)進行讀取和分析。本文介紹了一種以MSP430單片機為核心的低功耗多參數(shù)采集儀表，該儀表具備功耗低、結構簡單、體積小、數(shù)字化程度高、低成本等特點。

2.儀表的硬件部分設計

2.1 硬件結構

儀表由控制單元、參數(shù)采集單元、COG段碼液晶顯示單元、鍵盤控制單元、時鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲單元、串行通信模塊、電壓監(jiān)測及電源模塊組成。硬件框圖如圖1所示。

圖1 儀表的硬件結構框圖

2.2 控制單元

核心控制部分采用TI公司的MSP430F1611超低功耗混合信號處理器;MSP430系列處理器是一個16位的、具有精簡指令集（RISC）的、超低功耗的混合型單片機，具有豐富的片內外設。MSP430F1611的工作電壓范圍為1.8V～3.6V，5種低功耗模式，在節(jié)能模式下僅耗電0.2μA，活動狀態(tài)（1MHz，2.2V）最大330μA。內部集成了如：基礎時鐘模塊（包括1個數(shù)控振蕩器（DCO）和2個晶體振蕩器）;看門狗定時器（Watchdog Timer）;帶有2個捕捉/比較寄存器的16位定時器Timer A、Timer B;2個具有中斷功能的8位并行端口：P1與P2;4個8位并行端口：P3， P4， P5與P6;1個8路12位A/D轉換器;2通道串行通信接口;1個硬件乘法器;48KB+256B的FLASH，10KB RAM[1]。選用該控制器可大大減少外圍元件的數(shù)目、減小電路板面積以及降低系統(tǒng)的成本。設計中為了進一步降低微控制器的功耗，模塊采用低頻外部晶體振蕩器，工作電壓為3.3V。在待機模式下，控制器關閉所有外圍模塊，進入低功耗模式LPM3。

2.3 參數(shù)采集單元

參數(shù)采集單元是儀表的重要部分，作為數(shù)據(jù)采集前端，負責對外界參數(shù)進行測量、轉換。各傳感器單元采用數(shù)字化接口與控制器的I/O連接，控制器通過I/O端口對傳感器進行控制和參數(shù)測量轉換結果的讀取;該部分包括溫、濕度采集單元，光照度采集單元及大氣壓強采集單元。由于各模塊都采用了數(shù)字接口，其電路連接簡單，傳感器的互換性好;電路設計時在滿足參數(shù)測量要求的情況下，采集單元均選用低功耗的傳感器，以降低整體功耗。

溫、濕度采集單元使用HTU20D低功耗數(shù)字溫濕度傳感器，工作電壓1.5～3.6V，休眠模式下電流僅為0.02?A 通過I?C總線與單片機I/O口連接，實現(xiàn)對外界環(huán)境溫濕度的采集，12位的測量精度可以達到溫度0.04℃，相對濕度0.04%。

光照度采集單元使用BH1750數(shù)字光照度傳感器，通過I?C接口與單片機連接;傳感器在掉電模式下的電流為1?A，測量范圍在1～65535 lx，可以滿足實際測量要求。

大氣壓強采集單元使用BMP085數(shù)字氣壓傳感器，BMP085是一款高精度、超低能耗的壓力傳感器，絕對精度可以達到0.03hPa，并且耗電極低，只有3?A;BMP085通過I?C總線直接與控制器相連，其測壓范圍在300～1100hPa。

采集單元電路原理圖如圖2所示。

2.4 顯示單元

顯示部分采用了NXP的PCA8538段碼液晶模塊，PCA8538是NXP公司在2013年7月推出的一款低功耗覆晶玻璃（Chip-on Glass，簡稱COG）LCD段驅動器。COG技術的應用大大減小LCD模塊的體積，降低LCD顯示器成本，簡化了PCB布局，提高了可升級性，增加了顯示的靈活性和可靠性;PCA8538驅動器集成了內部充電泵，通過其內置電容可在片內產(chǎn)生LCD驅動電壓，還提供LCD電源電壓的可編程溫度補償，確保整個溫度范圍內具有最佳且穩(wěn)定的對比度。驅動器工作電壓較寬（2.5V～5.5V），可驅動最多114個7段數(shù)字字符或最多57個14段字母數(shù)字字符或任何高達918像素的圖形[3]。液晶模塊可通過雙線I?C總線或四線式雙向SPI總線與控制器連接，功耗低，關閉顯示模式下的工作電流僅為8uA，工作溫度范圍廣（-40℃～+105℃），選用該模塊完全滿足本設計的顯示要求。設計中顯示器接口采用I?C總線模式與單片機I/O連接，其接口電路及顯示效果圖如圖3所示，其應用測量顯示效果如圖4所示。

2.5 鍵盤控制單元

鍵盤單元包括電源開關和功能按鍵組成，電源按鍵控制整個系統(tǒng)的供電;功能鍵由四個按鍵構成，K1～K4鍵，各按鍵的功能如下：K1鍵實現(xiàn)溫濕度實時測量并將結果通過顯示屏輸出;K2鍵實現(xiàn)光照度的測量和顯示;K3鍵實現(xiàn)大氣壓的測量和顯示;K4鍵為輔助功能鍵，按K4鍵進入輔助模式，該模式下按K1進入時鐘調整模式，按K2鍵自動采集存儲開關設定，按K3鍵進入數(shù)據(jù)上傳模式，通過串口將存儲的數(shù)據(jù)上傳到PC機，按K4鍵返回時鐘顯示界面。

2.6 時鐘及存儲模塊

時鐘芯片采用低功耗CMOS實時時鐘/日歷芯片PCF8563;該芯片工作電壓范圍寬（1.0～5.5V），超低的功耗（典型電流0.25uA），具有四種報警和定時功能，I2C總線接口最大速度為400kbits/s;每次讀寫數(shù)據(jù)后，其內嵌的字地址寄存器器會自動產(chǎn)生增量，方便數(shù)據(jù)讀寫操作[2]。本設計中紐扣電池在儀表關機后為時鐘芯片提供電能，以保證時鐘的準確性，電路原理圖如圖5所示。

存儲模塊用于存儲各傳感器采集的參數(shù)值，本設計中使用了AT24LC256串行CMOS E2PROM芯片，工作電壓范圍2.5V～5.5V;器件功耗低，存儲容量為32K字節(jié)，能夠滿足設計要求;芯片通過I?C總線接口與控制器連接，數(shù)據(jù)讀寫速度快，傳輸頻率400kHz（見圖5）。

2.7 電源、串口通信及監(jiān)測等模塊

儀表使用9V電池供電，電源模塊實現(xiàn)電壓變換，為儀表各模塊提供所需的電壓;串口通信模塊可以實現(xiàn)儀表與PC的通信，通過串口把存儲的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機;電壓的監(jiān)測使用單片機內置12位ADC模塊，對電池電壓進行采集，當電池電壓低于設定值時液晶顯示提示;蜂鳴器和LED指示燈用于開機自檢和不同模式下的聲光提示。

3.儀表的軟件設計

儀表系統(tǒng)的軟件工作流程，按下電源鍵后，系統(tǒng)上電開機自檢，液晶顯示屏全亮，蜂鳴器短鳴;顯示屏顯示系統(tǒng)時間、日期，等待按鍵操作;1分鐘內若無按鍵操作，顯示器關閉，儀表進入待機模式以降低功耗;儀表待機模式下，LED指示燈慢閃，有按鍵操作后，觸發(fā)外部中斷，儀表喚醒并執(zhí)行相應按鍵功能。軟件主程序流程圖及鍵盤處理程序流程圖如圖6所示。

4.結束語

本設計能夠實現(xiàn)對外界溫度、濕度、光照度、氣壓參數(shù)的實時采集存儲，具備實時時鐘、低電壓監(jiān)測、自動測量等功能。儀表的功耗低，數(shù)字化程度較高，便于攜帶;硬件稍作改動可方便移植到機房環(huán)境監(jiān)測、智能溫室、氣象監(jiān)測等領域，有較好的應用前景。

參考文獻

[1]胡大可.MSP430系列單片機C語言程序設計與開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[2]秦龍.MSP430單片機應用系統(tǒng)開發(fā)典型實例[M].北京：中國電力出版社，2005，7.

[3]恩智浦公司PCA8538數(shù)據(jù)手冊[S].http：//www.nxp.com/products/automotive/display_instrumentation/lcd_drivers/PCA8538UG.html 2013.7.

[4]曹磊.MSP430單片機C程序設計與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[5]楊欣等.實例解讀51單片機完全學習與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011，4.

作者簡介：張彪（1981—），男，河北河間人，碩士，天津鐵道職業(yè)技術學院鐵道電信系講師，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡，主要從事通信技術專業(yè)的教學及科研工作。