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1 1 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%26;#215;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。