基于SPCE061A的超低功耗电子温度计设计

摘要：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。
关键词：SPCE061A；低功耗；DS18B20；DS1302；HT1621D

    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5μW。

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：

1．1 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2μW。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时钟具奄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。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。
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。

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。
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。

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。

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。
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。

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。

3 系统的软件设计
3．1 主程序
    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。

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。

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。

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。
4．2 硬件调试
    (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。
    (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。
4．4 测试结果分析
    测试结果见表1，表2。

    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。