一種低功耗溫度檢測系統設計

莊凱淋+覃馨+孫曉書+李書艷

摘 要：本文提出了一種基于超低功耗處理器MSP430的溫度監測系統實現方案。傳統人工記錄和巡檢方式對于溫度數據的采集較為不便，而通過本系統可以實現自動溫度記錄和采集工作，對產品及周邊部件影響較小，在低功耗傳感器的配合下，可以完成較高精確度的溫度數據采集與維護，通過集中控制網關將數據上傳，便于系統和用戶查詢。

關鍵詞：超低功耗；MSP430；單片機；傳感器

一、引言

溫濕度數據采集在現代化工業領域有著非常重要的作用，在一些行業產品的生產和儲運過程中，對溫濕度都有著嚴格要求，產品的存儲要求較為嚴格，最佳儲存溫度應該保持恒定于±3℃左右，如果不能保持恒溫或溫度變化大，一旦超出規定范圍，將會對產品造成重大影響。

傳統的溫濕度數據采集主要通過人工抄錄方式來完成，由于人工巡檢過程只能記錄整個產品附近溫度，無法便捷地獲取每個獨立物品溫度，而且人工獲取和記錄每個酒瓶溫度并將其轉換為數字數據過程所耗費時間、資源和工作量過于巨大，在惡劣環境下或儲運過程中難以實現人工抄錄，這些都無法形成有效的獨立產品的溫度數據查詢。針對上述不足，需探索一種可快速、便捷地使用，并可重復使用的低功耗、長時效監測裝置和方法。

二、系統整體設計方案

根據待解決問題，筆者將溫度監測過程中所涉及的技術原理過程分為以下內容：

（1）傳感器數據采集：當前溫度數據；

（2）采集到的溫度數據與當前采集時間數據的存儲。

系統的硬件架構設計基于待解決的問題。總體設計如圖1所示。

它包括超低功耗溫度傳感器、超低功耗采集器MCU、長壽命鐵電存儲單元和用戶PC端軟件（或集中管理網關）。超低功耗溫度傳感器根據設定的溫度采集時間受控檢測到當前實時溫度數據后，由采集器MCU根據內建數學模型進行判斷和計算，將計算的結果通過內建存儲模型存儲于長壽命鐵電存儲單元，以便用戶通過PC端軟件（或集中管理網關）查詢和管理使用；用戶PC端軟件（或集中管理網關）根據用戶指令向所連接的采集設備MCU發送數據獲取指令，采集器MCU根據指令數據進行判斷，當確認所發送指令格式及驗證信息正確的情況下，將所存儲的溫度數據通過通信接口上傳至用戶PC端軟件（或集中管理網關），用戶PC端軟件（或集中管理網關）將所獲取的所有數據上傳至指定的云存儲平臺。

低功耗溫度檢測系統提供了便捷的通信連接方式，可以靈活地按需配置常見的有線和無線連接方式，實現了RS232、RS485及短距離CC1101無線通信模塊接口單元等多種形式的接口模塊，提高了設備小型化和便攜性能力，并降低了設備功耗，不對其他設備產生干擾。

三、硬件設計方案

低功耗溫度檢測系統能夠按用戶設定的采集時間自動監測并記錄溫度信息，實現監測的數字化、現代化、智能化，溫度數據相對較為容易采集，經過溫度傳感器采集到的溫度數據通過I2C總線將數據傳送至監測點MCU，由MCU將數字數據轉換為溫度信息并按內建格式進行存儲，以備查詢。低功耗溫度檢測系統硬件原理框圖如圖2所示。

根據上述功能性設計，部分主要功能分解為四個主要的電路模塊，整體電路圖如圖3所示。

1.溫度數據采集電路

溫度數據采集電路完成溫度數據的定時采集。傳感器的選擇考慮實際的現場工況及超低功耗要求，選擇具有較好的抗干擾性和超低功耗的I2C制式輸出的超小型數字溫度傳感器，在一定范圍內不受負載大小影響，抗干擾能力強，其靜態電流10μA有效（最大值），1μA關斷（最大值），12位數據分辨率，可達0.0625℃的精確度，具有1.4～3.6V超寬的工作電壓范圍。

2.數據處理與判斷模塊電路

微處理器采用德州儀器公司的超低功耗單片機MSP430G2553，其架構設計使其獨有5種低功耗模式相結合，為便攜式測量延長電池使用壽命提供了保證，其待機模式耗電僅為0.5μA，具有1.8～3.6V超寬的工作電壓范圍，可在不到1μs的時間里超快速地從待機模式被喚醒。

3.存儲電路

為保證系統的高度可靠性和低溫狀態的良好運行，低功耗溫度檢測系統選用最新型鐵電存儲器（FRAM）存儲溫度數據和溫度數據采集時間，該種存儲器具有150年以上數據存儲能力，具備100萬億以上次數的讀寫操作能力，待機模式耗電量為5μA，具有2.0～3.6V超寬的工作電壓范圍，可有效完成采集數據的存儲。

4.數據傳輸通道

考慮到低功耗溫度檢測系統的兼容性和整機的功耗，采用串行數據收發系統完成上位機指令數據的下發和下位機采集數據的上傳。

四、軟件設計方案

本系統代碼設計是在Windows 7 ultimate版本下，使用CCS軟件來進行設計。系統程序流程圖如圖4所示，編程過程如圖5所示。

圖5 硬件程序編寫過程

五、結束語

本文所述設計內容，已經完成了樣機的研制，經實際4個月的連續測試，系統能夠完成準確的溫度檢測功能。通過試制實驗樣機和集中采集網管，完成了所提出的所有功能，可以配合上位機軟件完成所有功能數據的上傳和網絡數據讀取。

（通訊作者：李書艷）

作者簡介：莊凱淋（1994— ），女，山東安丘人，大學本科學生，電子科學與技術專業；李書艷（1974— ），女，河北青縣人，碩士，講師，主要研究方向為微電子工藝。