一種低功耗溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

莊凱淋+覃馨+孫曉書(shū)+李書(shū)艷

摘 要：本文提出了一種基于超低功耗處理器MSP430的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。傳統(tǒng)人工記錄和巡檢方式對(duì)于溫度數(shù)據(jù)的采集較為不便，而通過(guò)本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫度記錄和采集工作，對(duì)產(chǎn)品及周邊部件影響較小，在低功耗傳感器的配合下，可以完成較高精確度的溫度數(shù)據(jù)采集與維護(hù)，通過(guò)集中控制網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)上傳，便于系統(tǒng)和用戶查詢。

關(guān)鍵詞：超低功耗；MSP430；單片機(jī)；傳感器

一、引言

溫濕度數(shù)據(jù)采集在現(xiàn)代化工業(yè)領(lǐng)域有著非常重要的作用，在一些行業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中，對(duì)溫濕度都有著嚴(yán)格要求，產(chǎn)品的存儲(chǔ)要求較為嚴(yán)格，最佳儲(chǔ)存溫度應(yīng)該保持恒定于±3℃左右，如果不能保持恒溫或溫度變化大，一旦超出規(guī)定范圍，將會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成重大影響。

傳統(tǒng)的溫濕度數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)人工抄錄方式來(lái)完成，由于人工巡檢過(guò)程只能記錄整個(gè)產(chǎn)品附近溫度，無(wú)法便捷地獲取每個(gè)獨(dú)立物品溫度，而且人工獲取和記錄每個(gè)酒瓶溫度并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)過(guò)程所耗費(fèi)時(shí)間、資源和工作量過(guò)于巨大，在惡劣環(huán)境下或儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)人工抄錄，這些都無(wú)法形成有效的獨(dú)立產(chǎn)品的溫度數(shù)據(jù)查詢。針對(duì)上述不足，需探索一種可快速、便捷地使用，并可重復(fù)使用的低功耗、長(zhǎng)時(shí)效監(jiān)測(cè)裝置和方法。

二、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)待解決問(wèn)題，筆者將溫度監(jiān)測(cè)過(guò)程中所涉及的技術(shù)原理過(guò)程分為以下內(nèi)容：

（1）傳感器數(shù)據(jù)采集：當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)；

（2）采集到的溫度數(shù)據(jù)與當(dāng)前采集時(shí)間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

系統(tǒng)的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)基于待解決的問(wèn)題?？傮w設(shè)計(jì)如圖1所示。

它包括超低功耗溫度傳感器、超低功耗采集器MCU、長(zhǎng)壽命鐵電存儲(chǔ)單元和用戶PC端軟件（或集中管理網(wǎng)關(guān)）。超低功耗溫度傳感器根據(jù)設(shè)定的溫度采集時(shí)間受控檢測(cè)到當(dāng)前實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)后，由采集器MCU根據(jù)內(nèi)建數(shù)學(xué)模型進(jìn)行判斷和計(jì)算，將計(jì)算的結(jié)果通過(guò)內(nèi)建存儲(chǔ)模型存儲(chǔ)于長(zhǎng)壽命鐵電存儲(chǔ)單元，以便用戶通過(guò)PC端軟件（或集中管理網(wǎng)關(guān)）查詢和管理使用；用戶PC端軟件（或集中管理網(wǎng)關(guān)）根據(jù)用戶指令向所連接的采集設(shè)備MCU發(fā)送數(shù)據(jù)獲取指令，采集器MCU根據(jù)指令數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)確認(rèn)所發(fā)送指令格式及驗(yàn)證信息正確的情況下，將所存儲(chǔ)的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)通信接口上傳至用戶PC端軟件（或集中管理網(wǎng)關(guān)），用戶PC端軟件（或集中管理網(wǎng)關(guān)）將所獲取的所有數(shù)據(jù)上傳至指定的云存儲(chǔ)平臺(tái)。

低功耗溫度檢測(cè)系統(tǒng)提供了便捷的通信連接方式，可以靈活地按需配置常見(jiàn)的有線和無(wú)線連接方式，實(shí)現(xiàn)了RS232、RS485及短距離CC1101無(wú)線通信模塊接口單元等多種形式的接口模塊，提高了設(shè)備小型化和便攜性能力，并降低了設(shè)備功耗，不對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。

三、硬件設(shè)計(jì)方案

低功耗溫度檢測(cè)系統(tǒng)能夠按用戶設(shè)定的采集時(shí)間自動(dòng)監(jiān)測(cè)并記錄溫度信息，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的數(shù)字化、現(xiàn)代化、智能化，溫度數(shù)據(jù)相對(duì)較為容易采集，經(jīng)過(guò)溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)I2C總線將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)測(cè)點(diǎn)MCU，由MCU將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為溫度信息并按內(nèi)建格式進(jìn)行存儲(chǔ)，以備查詢。低功耗溫度檢測(cè)系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示。

根據(jù)上述功能性設(shè)計(jì)，部分主要功能分解為四個(gè)主要的電路模塊，整體電路圖如圖3所示。

1.溫度數(shù)據(jù)采集電路

溫度數(shù)據(jù)采集電路完成溫度數(shù)據(jù)的定時(shí)采集。傳感器的選擇考慮實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)工況及超低功耗要求，選擇具有較好的抗干擾性和超低功耗的I2C制式輸出的超小型數(shù)字溫度傳感器，在一定范圍內(nèi)不受負(fù)載大小影響，抗干擾能力強(qiáng)，其靜態(tài)電流10μA有效（最大值），1μA關(guān)斷（最大值），12位數(shù)據(jù)分辨率，可達(dá)0.0625℃的精確度，具有1.4～3.6V超寬的工作電壓范圍。

2.數(shù)據(jù)處理與判斷模塊電路

微處理器采用德州儀器公司的超低功耗單片機(jī)MSP430G2553，其架構(gòu)設(shè)計(jì)使其獨(dú)有5種低功耗模式相結(jié)合，為便攜式測(cè)量延長(zhǎng)電池使用壽命提供了保證，其待機(jī)模式耗電僅為0.5μA，具有1.8～3.6V超寬的工作電壓范圍，可在不到1μs的時(shí)間里超快速地從待機(jī)模式被喚醒。

3.存儲(chǔ)電路

為保證系統(tǒng)的高度可靠性和低溫狀態(tài)的良好運(yùn)行，低功耗溫度檢測(cè)系統(tǒng)選用最新型鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)采集時(shí)間，該種存儲(chǔ)器具有150年以上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，具備100萬(wàn)億以上次數(shù)的讀寫(xiě)操作能力，待機(jī)模式耗電量為5μA，具有2.0～3.6V超寬的工作電壓范圍，可有效完成采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

4.數(shù)據(jù)傳輸通道

考慮到低功耗溫度檢測(cè)系統(tǒng)的兼容性和整機(jī)的功耗，采用串行數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)完成上位機(jī)指令數(shù)據(jù)的下發(fā)和下位機(jī)采集數(shù)據(jù)的上傳。

四、軟件設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)代碼設(shè)計(jì)是在Windows 7 ultimate版本下，使用CCS軟件來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示，編程過(guò)程如圖5所示。

圖5 硬件程序編寫(xiě)過(guò)程

五、結(jié)束語(yǔ)

本文所述設(shè)計(jì)內(nèi)容，已經(jīng)完成了樣機(jī)的研制，經(jīng)實(shí)際4個(gè)月的連續(xù)測(cè)試，系統(tǒng)能夠完成準(zhǔn)確的溫度檢測(cè)功能。通過(guò)試制實(shí)驗(yàn)樣機(jī)和集中采集網(wǎng)管，完成了所提出的所有功能，可以配合上位機(jī)軟件完成所有功能數(shù)據(jù)的上傳和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)讀取。

（通訊作者：李書(shū)艷）

作者簡(jiǎn)介：莊凱淋（1994— ），女，山東安丘人，大學(xué)本科學(xué)生，電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)；李書(shū)艷（1974— ），女，河北青縣人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)槲㈦娮庸に嚒?