便携式低功耗温度检测仪设计

周 晓，张春生，张希文，李英雪，王建顺

(中国石油塔里木油田公司天然气事业部，新疆库尔勒 841000)

温度测量被广泛应用于生产生活中，在工业锅炉供暖控制系统运行效果的检查，电力变压器运行状态监控，大中型恒温仓库温度控制等方面都需要对关键点的温度等参数进行实时采集和存储。该测仪系统设备少且简单，投资小对环境要求较低，能自动进行数据采集、分析和处理，并能自动记录与显示结果，可灵活应用于远程电力网监控，油田测井系统，楼宇自动化等领域［5］。

1 系统总体结构设计

便携式低功耗检温度测仪以MSP430F247低功耗单片机为控制 CPU，采用一体化智能温度传感器DS18B20作为数据采集模块，利用nRF905无线传输模块进行数据收发，检测仪设有RS232通信接口，可与计算机直接通信，同时可通过无线模块将数据按规定格式发送到上位机，由上位机进行分析及处理;实际采用方案如图1所示。

2 系统低功耗设计方案

图1 系统结构图

按照超低功耗电路系统设计思想，电源电压和时钟频率是系统是否具有低功耗性能的核心，在设计硬件电路和系统软件的初期，需要考虑系统的各项功能;尽量通过编写软件来代替部分硬件电路的功能，例如可通过单片机系统的定时器功能替代时钟芯片等硬件电路来减少系统能耗，用单片机所具有的脉冲计数特性实现计数、检测等功能，另外随着节能降耗技术在实际生产生活中得到广泛推广，不同的单片机厂商都推出了具有低功耗特性的微处理器。其中以TI公司生产的MSP430超低功耗系列应用较为广泛，MSP430超低功耗系列微处理器具有低电压和低频率条件下工作的特点，该系列单片机在低功耗模式下运行电流＜2 μA，在低电源电压范围(1.8～3.6 V)下能正常工作。同时在完整的低功耗电路系统中，外围硬件电路的设计也至关重要，在满足系统检测和控制等指标性能要求的条件下，尽量选用与系统微处理器工作电源相匹配的具有低功耗特性的电子元器件。

3 温度数据采集及传输方式设计

Dalla半导体公司的数字化温度传感器为一线总线式温度传感器，一线总线的特点方便用户组建传感器网络，新一代的DS18B20体积更小，更经济、灵活;其温度测量范围为－55～+125℃;精度为±0.5℃;现场温度以一线总线的数字方式传输，提高系统的抗干扰特性。适合与环境较为复杂的现场温度测量，如:环境控制、设备过程控制、测量类消费电子产品等［2］。DS18B20通过单总线的方式发送和接收各种操作命令;另外该检测系统可以利用DS18B20特有的序列号特点进行扩充，可灵活应用于多点温度测量，将传感器挂在单总线上，分别放在不同的地方检测仪器设备运行温度及恒温厂房温度检测等。

数据采集完成后根据需要选择通过nRF905自动向上位机发送数据或直接存储并不进行发送，待所有数据采集完成后通过RS232接口与上位机进行数据交互，由上位机对所采集的数据进行分析和处理。系统电路如图2所示［3］。

图2 系统电路图

4 系统软件设计

在软件设计上应尽量做到在大多时间只有微处理器在运行，当系统不工作时让微处理器处于低功耗模式或休眠状态，并将切断系统时钟，对时钟应做到忙时少用，不用关闭的设计思想。由于系统中需要得到明细温度数据，采取每5 s启动一次，转换结束后立即存储，然后进入LPM3模式，在接到上位机的上传命令后再启动nRF905进行数据的上传工作，并反复循环。

DS18B20通过单线总线的所有执行或处理都从一个初始化序列开始，初始化序列包括一个由总线控制器发出的复位脉冲及其后由从机发出的存在脉冲，存在脉冲让总线控制器知道 DS18B20在总线上且已准备好操作，一旦总线控制器探测到一个存在脉冲，就可以发出5个ROM命令中的任一个，DS18B20需要严格的协议以确保数据的完整性。协议包括几种单线信号类型:复位脉冲、存在脉冲、写0、写1、读0和读1。所有这些信号，除存在脉冲外，都由总线控制器发出;与DS18B20之间的任何通讯都需要以初始化序列开始，一个复位脉冲跟着一存在脉冲表明DS18B20已准备好发送和接收数据，适当的 ROM命令和存储器操作命令［4］。根据 DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过4个步骤:每次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。当主机收到DS18B20的响应信号后，便可发出操作命令采集数据。

5 结束语

便携式低功耗温度检测仪利用MSP430F247优越的超低功耗性能构建以MSP430F247微处理器为核心的超低功耗温度检测系统，系统从电子元器件选择、电路设计、软件设计等方面进行低功耗优化设计，通过软件及硬件充分结合，系统布局，实现了系统温度数据检测低功耗的特点［5］。系统测试平均电流仅为10 μA。文中实践了用软件代替硬件的设计思想，设计中通过使用MSP430F247定时器编写时钟模块产生1 s中断，用软件实现实时钟，优化微处理器外围电路的设计，减少了器件和系统总功耗。该检测系统体积小，功耗低，数据存储量大，下位机软件提供方便的数据存储、分析处理、显示等功能，操作使用方便灵活，能够节省大量的人力物力，具有一定的应用前景。

［1］ 贾伯年.传感器技术［M］.南京:东南大学出版社，2000.

［2］ 贾振国.DS1820及其高精度温度测量的实现［J］.电子技术应用，2000，26(1):58 －59.

［3］ 朱颖莉.基于nRF24L01的矿井无线传输系统的设计［J］.科技广场，2008(10):194 －196.

［4］ 张毅刚，彭喜元，姜守达，谭晓昀.新编MCS－51单片机应用设计［M］.3版.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2003.

［5］ 姜忠良.温度的测量与控制［M］.北京:清华大学出版社，2005.