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低功耗高性能无线温温度测量系统的设计和实现

发布时间:2023-05-12 发布时间:
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低功耗高性能无线温温度测量系统的设计和实现 

摘要:介绍了可同时测量本地温湿度和异地温度的系统的硬件和软件设计,并就电池供电的低功耗要求,详细讨论了增加的光控电路、电子开关等硬件节能措施和保证收发同步的软件措施。

关键词:ht48r06a-1单片机 msp430f135单片机 低功耗

便携式智能仪器具有体积小、重量轻和便于携带的特点,一般用电池作为其供电电源,因此降低功耗便成为主要的设计指标。在设计过程中,除了选用各种低功耗的器件和芯片外,还必须在满足(或牺牲一点)速度等指标要求的前提下,进行降低功耗的硬件和软件设计,以使整个系统运行的功耗最小。本文详细介绍了一种低功耗的便携式无线温湿度测量系统的设计,该系统能同时测量20米范围内的异地温度及本地温湿度,还具有时间显示、闹钟提醒等功能。图11 系统的硬件设计

本系统由无线发送和接收两部分组成,发送部分由ht48r06a-1单片机、温度/频率转换电路、无线发送模块等组成,接收部分由msp430f135单片机、无线发送模块等组成,接收部分由msp430f135单片机、无线接收模块、温湿度测量电路、时钟电路及其它电路组成。系统硬件框图如图1所示。

1.1 无线发送部分

发送部分的处理器采用ht48r06a-1单片机,片内集成了一个外部中断、一个8位定时器和一个看门狗定时器,其休眠状态电流仅为5μa,可以满足本系统硬件的要求和低功耗要求。ht48r06a-1内部没有a/d转换器,出于成本考虑,采用图2所示的由555定时器组成的温度/频率转换电路。它其实是一个多谐振荡器,rt为热敏电阻,图中多谐振荡器产生的高、低电平脉宽分别为:

th=(r3+rt)c4ln2

tl=rtc4ln2

于是可得:rt=[(tl)/(th-tl)]r3 利用ht48r06a-1的定时器测出th和tl后,便可求出热敏电阻值,查表后即可得到相应的温度值。

1.2 接收部分

接收部分的处理器选用ti公司的msp430f135单片机,它的片内集成了丰富的功能单元,能够满足本系统的硬体要求;它同时提供aclk、mclk和smclk三种不同频率的时钟给不同的模块,使整个系统具有超低功耗。单片机在低功耗模块3下,耗电仅为1.6μa左右,且aclk仍保持活动以提供实时时钟,可以满足系统的低功耗要求和实时性要求。

液晶驱动器选用holtek公司的ht1622芯片,它的工作电压为2.7~5.2v,可驱动32×8段段码,正常工作时耗电80μa(vcc=3v)左右,液晶玻璃片的工作电压不超过2.7v。时钟电路选用philips公司的低功耗实时时钟芯片pcf8563,它有1.0~5.5v的大工作电压范围,工作电流仅为0.25μa(vcc=3.0v,25℃)左右。

为进一步降低系统功耗,在系统中加入光控节能电路。在光线不足时,关闭液晶驱动器和无线接收模块,单片机进入低功耗模块3,以降低功耗。图3为光控节能电路的原理图,rg为光敏电阻。p1口是具有施密特输入特性的带中断功能的i/o口,设置p1.2为上升沿触发,p1.3口为下降沿触发。随着光线的增强(减弱),rg阻值减小(增大),p1.3(p1.2)口电位下降(上升),当下降(上升)到下降沿(上升沿)输入门槛电压时,触发中断,单片机退出(进入)低功耗模块,同时打开(关闭)液晶驱动模块和无线接收模块电源。实验测得,加入该节能电路后,接收部分在夜间耗电至少少白天减少70μa。图3 1.3 无线收发模块

从成本和可靠性的角度考虑,选用河南安阳新世纪电子研究所的f05c(发射模块)和j04h(接收模块)。它们的频率一致性好,采用am调制方式,两者相配合,开阔区最大通信距离约为250m,特别适合多发一收无线遥控及低速数据传输系统。

2 系统的软件设计

2.1 发送部分主程序

发送端主要完成温度的测量及数据发送任务。为降低功耗,ht48r06a-1单片机不需工作时应处于休眠状态。单片机内的8位定时器用于温度的测量,看门狗定时器和片内rc振荡器配合控制连续两次测量和发送数据的时间间隔。发送部分的主程序流程图如图4所示。看门狗定时器溢出时,系统复位并置状态寄存器(status)的t0位,故在程序开始时应先查询status的t0位和pd位以确定系统复位源。若是由wdt溢出导致的系统复位,则先确定是否应进行新的测量和数据发送,若是其它复位方式,则先对系统初始化,然后测量温度并把测量数据发送出去。图5 2.2 接收部分主程序

为降低系统功耗,接收端msp430f135单片机在不需要工作时应处于低功耗模块。接收端主程序流程图如图5所示。主程序在完成初始化和第一次测量任务后,单片机立即进入低功耗模式3,同时内部定时器开始工作,每隔一段时间(例如白天1秒,晚上1分)唤醒单片机一次,执行中断处理程序。中断处理程序执行完后,若需测量,则跳到主程序,完成一次测量;否则,直接进入低功耗模块3。无线数据的接收由外部中断完成,数据接收完成后,退出中断处理程序,进入低功耗模式3。

3 低功耗设计

在本系统中,发送端的结构功能较简单,这里主要讨论接收端的节能措施。除了前面所述的硬件节能手段外,由于本系统中选用了待机电流(实测)约为0.7ma(vcc=3.3v)的j04h接收模块,发送端不能和接收端很好地实现同步,为了既保证数据的可靠接收,又不能系统带来的过大的功耗,必须使用合适的软件措施控制j04h的电源供给。本系统采用预测下次数据发送时间的方法,即以前两次连续接收数据的时间间隔为基准,推测本次数据发送的时间,以实时地打开接收模块电源开关来接收数据。

图6(a)是接收模块j04h正常工作时的程序流程图。系统在下列四种情况下都要进行图6(b)所示的通信异常处理过程:系统上电或复位、系统的环境光线由不足变为充足、系统无线通信工作中出现异常、手动重新接收按键被按下。通信异常处理的步骤如下;

(1)给接收模块供电,准备接收数据,设置开始通信异常处理标志,并计算等待时间。图6 (2)等待一段时间(如5分钟),若一直没有收到数据,则关闭接收模块电源,清除通信异常处理标志,退出处理程序。

(3)若收到数据,则关闭接收模块30s(设发送端约1分钟发送一次数据)后打开,等待接收新的数据,同时重新开始计算等待时间。

(4)第二次数据没有收到,则回到(2);第二次收到数据后,计算出这两次数据发送的时间间隔,判断此间隔值是否有效。

(5)时间间隔无效,则回到(3);有效,将此时间间隔值作为下次打开接收模块电源开关的时间基准,同时清除通信异常标志,置通信正常标志,退出异常处理过程。

试验表明,本系统很好地完成了预计的各项功能,通过文中所述的软硬件手段,接收端白天运行时耗电为120μa左右,晚上运行时耗电为50μa左右,使用普通的电池,系统可连续工作三个月以上。而对于功耗相近的系统,选用51系列低功耗单片机时,系统的耗电达50ma。


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