基于SPCE061A的超低功耗电子温度计设计

基于SPCE061A的超低功耗电子温度计设计
陈世夏;吴凌燕;丁国臣
【摘要】The system selects SPCE061A monolithic integrated circuit with static power consumption 2 /xW as the master control unit, adopts the low power consumption temperature sensor DS18B2O to gather temperature, uses clock chip DS1302 to provide time, and uses the HT1621D actuation sheet glass to display the time demonstration. The system has temperature control function, and can make the temperature control in the setting value in a short time. Communicating the serial port with the PC, and displaying the temperature variation with the time change by the visualization contact surface. The complete machine system can be awakened and entered the static state according to need. The temperature and time demonstration are realized in the system. The test results indicate that the demonstration and the temperature control can achieve the design requirements.%系统选用静态功耗2μW的SPCE061A单片机作为主控单元,低功耗温度传感器DS18B20采集温度,时钟芯片DS1302提供时
间,HT1621D驱动玻璃片实现时间的显示.且系统具有温度控制功能,短时间内可将温度稳定在设定值.系统可通过串口与PC通信,由可视化界面显示温度随时间的变化,形象直观.整机系统可根据需要一键唤醒或进入静态.系统实现了温度时间的显示,测试结果表明:分辨率、功耗、显示和温度控制均达到设计要求.
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2011(034)013
【总页数】4页(P175-178)
【关键词】SPCE061A；低功耗；DS18B20；DS1302；HT1621D
【作者】陈世夏;吴凌燕;丁国臣
【作者单位】海军航空工程学院青岛分院，山东青岛 266041;海军航空工程学院
青岛分院，山东青岛 266041;海军航空工程学院青岛分院，山东青岛 266041
【正文语种】中文
【中图分类】TN911.7-34
本设计为参加我院电子制作比赛而作。

其设计的基本要求是：制作一个超低功耗电子温度计，实现温度、时间的显示。

要求系统温度误差小于0.5 ℃，静态功耗小于5 μW。

1 总体设计方案
根据题目设计要求，可从硬件选用及软件编程方面降低功耗。

系统可分为控制模块、测温模块、时间模块、驱动显示模块、温度控制与通信模块等，整体框图如图1
所示，各模块的实现方案如下[1]：
图1 系统框图方案
1.1 控制模块
选用SPCE061A型单片机。

SPCE061A是一款16位单片机，静态功耗为2 μW。

该单片机具有一键唤醒功能，需要时可将单片机置于休眠状态，可有效节省能量，且不用的端口可设为输出状态，进一步降低功耗。

时钟频率可根据需要进行修改。

系统默认时钟为24.756 MHz，CPU时钟具有fosc，fosc/2,fosc/4,
fosc/8,fosc/16, fosc/32, fosc/64可选，降低CPU时钟频率，可有效降低功耗，
但会降低系统效率，可根据需要进行选择。

1.2 显示模块
采用6位LCD数码显示玻璃片HT1621D，可满足低功耗要求。

1.3 时钟模块
采用低功耗的实时时钟芯片DS1302实现时钟。

DS1302芯片可自动对秒、分、时、日、周、月、年以及闰年等进行计数，且精度高，8个字节的高速暂存RAM
作为数据暂存区，工作电压为2.5～5.5 V范围内，2.5 V时耗电小于300 nA。

1.4 测温模块
采用数字式温度传感器DS18B20[2]。

此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，可以去除A/D模块，降低硬件成本，
简化系统电路。

另外，DS18B20测温范围为-55～+125 ℃，固有测温分辨率为
0.5 ℃,具有测量范围广、测量精度高等优点[3]。

1.5 通信模块
MAX232芯片是目前应用较为广泛的电平转换器件，可以为RS 232端口提供双
向电平转换。

综上所述，本设计具体框图如图2所示。

图2 低功耗电子温度计系统结构
2 系统的硬件设计
2.1 单片机
单片机系统是整个硬件系统的核心，既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。

采用凌阳SPCE061A具体不再细述[4]。

2.2 单片机与液晶的接口
HT1621D为128段(32×4)内置存储器的多功能LCD驱动器，可以驱动多段LCD 字符是其主要特征，同时它还包括了省电命令，有效地减少本身的功耗。

其工作电
压为2.4～5.2 V，配置方式用软件调节，三数据访问模式，VLCD引脚可调整
LCD工作电压。

玻璃片显示器功耗低为其最大特点。

具体电路如图3所示[5]。

图3 单片机与液晶的接口
2.3 温度传感器电路
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～
12 b的数字值读数方式。

电路图如图4所示[6]。

2.4 DS1302接口
采用DS1302作为主要计时芯片，主要为了提高计时精度，更重要的就是
DS1302可以在很小的后备电源下继续计时，并可编程选择充电电流来对后备电源进行充电，可以保证后备电源基本不耗电。

具体电路如图5所示。

图4 DS18B20电路图
图5 DS1302电路图
2.5 温控模块
系统通过控制继电器线圈的通电和断电，实现给相应的温控系统加热或降温，将测得温度与设定值相比较，发出相应的控制指令。

温度误差若为0.5 ℃，约需要10 min左右达到要求。

控制电路如图6所示。

加热、制冷切换由继电器的触点实现。

图6 温度控制模块
2.6 通信模块
系统可与PC机的RS 232端口通信，RS 232电平转换芯片采用MAX232，其与SPCE061A的接线如图7所示。

所测温度值可由电脑储存并调用，PC机的通信可视化界面可显示具体时刻的温度值，并可将段时间的温度变化由曲线显示出来。

通信界面如图8所示[7]。

3 系统的软件设计
若要降低系统功耗，软件也起很大作用。

总线上几乎每一个芯片的访问、每一个信号的翻转差不多都由软件控制的，如果软件能减少外存的访问次数、及时响应中断等措施都将对降低功耗有很大作用。

系统主程序首先对系统进行初始化，包括设置定时器、中断和端口。

图9是系统的主流程图。

图7 MAX232接线图
图8 通信界面
图9 系统程序的主流程图
3.2 读取温度子程序
读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9个字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。

其程序流程图如图10所示[4]。

3.3 时间调整程序
调整时间用3个调整按钮，1个作为移位控制用，另外2个作为加减用，分别定义控制按钮、加按钮、减按钮。

在调整时间过程中，要调整的那位与别的位应该有区别，所以增加了闪烁功能，即调整的那位一直在闪烁直到调整下一位。

闪烁原理就是让要调整的那一位，每隔一定时间熄灭一次，比如说50 ms。

利用定时器计时，当达到50 ms溢出时，就送给该位熄灭符，在下一次溢出时，再送正常显示的值，不断交替，直到调整该位结束，此时送正常显示值给该位，再进入下一位调整闪烁程序，时间调整程序程序流程图如图11所示。

图10 温度子程序流程图
图11 时间调整程序流程图
4 试验数据及结果分析
4.1 测试仪器
室温计(1 ℃)、61系列仿真器、HP34401A数字万用表。

(1) 硬件调试时，可先检查焊接的质量是否符合要求，有无虚焊点及线间有无短路、断路。

然后用万用表测试或通电检测，检查无误后，可通电检查LCD液晶显示器
亮度情况，一般情况下取背光电压为4～5.5 V即可得到满意的效果[8]。

(2) DS1302与单片机相连的只有3根线，很容易检查，主要检查DS1302管脚与晶振、电源是否连接好。

(3) DS18B20在测温程序设计中，向DS18B20发温度命令转换后，程序要等待DS18B20的返回信号，一旦线路不好或断线，将陷入死循环，所以线路一定要检查清楚。

4.3 软件调试
软件调试以子程序为单位逐个进行，最后结合硬件实时调试。

子程序调试包括：DS1302的计时和读写程序、显示程序；SPCE061A读写程序；DS18B20读出温度子程序、温度转换命令子程序；计算温度子程序、显示数据[9]。

4.4 测试结果分析
测试结果见表1，表2。

表1 温度测试序号室温表/℃测试数据/℃12222.4221 21.332525.242727.3
表2 功耗测试要求功耗/μW静态功耗/μW工作功耗 /mW33.05.6
由于采用了DS1302作为计时器使用，其计时精度相对来说比较高。

用制作的成
品与万年历计时比较，基本没有误差。

由于DS18B20的误差指标在0.5 ℃以内，在一般场合完全适用。

功耗测试结果表明，静态功耗达到了设计的要求。

5 结论
本系统由于采用了凌阳SPCE061A单片机和DS18B20等低功耗器件，经过测试，系统静态功耗低于给定的最小值，且实现了对温度值的显示和处理，并实现了对温
度的控制，时间显示准确。

系统的性价比较高，有较好的推广应用价值。

参考文献
[1] 李朝青.单片机原理及接口技术[M].3版.北京:北京航空航天大学出版社,2005.
[2] 沙占友.智能化集成温度传感器原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2002.
[3] 张洪润,傅瑾新.传感器应用电路200例[M].北京:北京航空航天大学出版
社,2006.
[4] 吴金戌.8051单片机实践与应用[M].北京:清华大学出版社,2002.
[5] 全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编[M].北京:北京理工大学出版社,2006.
[6] 翟志华,王留奎.嵌入式脉象采集仪电路设计[J].现代电子技术，2010,33(10):39-42.
[7] 蒋焕文.电子测量[M].北京:高等教育出版社,2005.
[8] 郑润娜,胡建民,侯丽娟.基于TLC5620信号发生器的设计与实现[J].电子测量技术，2009(6):102-104.
[9] 王振辉.基于XML的Web数据交换系统设计与实现[J].现代电子技术，2010，33(10):99-100.
[10] 董军堂，宋永东，李建新.基于SPCE061A的智能温度计设计[J].现代电子技术，2010，33(19):141-143.。