低功耗微型隨行溫度記錄儀設計

王 玥，李宏義

（新鄉職業技術學院 機電工程系，河南 新鄉 453006）

在化工、食品、醫療等產品的生產、運輸及存儲等過程中不同階段，為保證產品得到最佳品質，連續跟蹤溫度非常關鍵。目前隨行溫度記錄儀體積和耗電量都較大，成本較高，限制了它的大量使用。

鑒于此，本文從體積微型化和微功耗兩方面著手研究，設計了一種體積僅相當于幾枚疊放在一起的硬幣，能附著在物體的表面，隨物體一起放入包裝袋內的微型記錄儀。

1 溫度記錄儀工作原理

溫度傳感器測量外界溫度，微處理器對傳送來的溫度信號進行處理，將數據壓縮保存在內部隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM）中，通過計算機將數據讀出。

溫度傳感器放置在不銹鋼殼體內，并與內壁具有良好的熱傳導，能靈敏感應到殼體的溫度。殼體采用不銹鋼設計，利用外殼通信，不再單設通信接口，可以長期工作在各種惡劣環境甚至酸堿液體里[1]。通過接口電路與計算機通信，記錄儀的開、關機及通信都通過計算機進行操作。

記錄儀測溫范圍為-40～+85 ℃，溫度分辯率為0.062 5 ℃，測量精度為±0.2 ℃，能記錄4 000個數據，記錄間隔可以任意設定，內部一次性鋰電池使用壽命＞5年。

2 記錄儀電路微型化設計

2.1 溫度測量及轉換機構

微型化設計既要縮小電路板面積、又要降低耗電量同時還要保證測量的精度，不能用傳統的溫度測量及轉換電路。Maxim研制的數字溫度傳感器DS620能在1.7～3.5 V電壓、-55～125 ℃溫度下工作，以10～13位精度輸出溫度數值，在0～+70 ℃最大誤差≤±0.5 ℃，經過修正可以將測量精度提高到≤±0.2 ℃。體積小，它的μSOP封裝僅5×3 mm，非常符合微型化的要求[2]。

2.2 基于Mega328P的記錄儀核心電路

本著微型化，核心電路僅用一片5×5×1.0 mm QFN封裝的Mega328P和DS620及幾片0402的小型阻容元件組成，采用32.768 kHz微型貼片晶振。使用FPC電路板，記錄儀電路板整體厚度不超過1.8 m電路如圖1所示。

圖1 記錄儀核心板電路

3 記錄儀軟件節能設計

記錄儀耗能器件主要是MCU Mega328P和DS620。Mega328P的工作電流和它的工作模式有很大的關系，IDLE時的工作電流僅為ACTIVE電流的15%左右，充分利用集成開發環境（Integrated Development Environment，IDLE）可以降低工作電流：IDLE時CPU停止工作，僅定時器和外部中斷工作，利用中斷喚醒CPU，處理中斷后再次進入IDLE，這樣僅短期被喚醒，其他長時空閑，系統耗能很小。影響Mega328P工作電流的最主要因素是時鐘頻率，降低時鐘頻率可以極大地降低工作電流[3]。由于AVR系列單片機運行速度達1 MIPS/MHz，采用32.768 kHz低頻晶振就能滿足運算速度。這樣Mega328P在3 V電壓下ACTIVE狀態消耗電流為60 μA，IDLE狀態電流為10 μA，掉電狀態電流小于1 μA。DS620溫度轉換時工作電流是0.8 mA，不轉換時小于1 μA，轉換時間和轉換精度成正比，分辨率為0.5 ℃（10位）時轉換時間為25 ms，0.062 5 ℃（13位）時是200 ms。通過設置轉換分辨率可以進一步降低功耗。記錄儀工作電流可由公式（1）計算。

這里：Ii某狀態下工作電流，單位：μA

Ti該狀態持續時間，單位：ms

在分辨率為13位，每分鐘采集一次溫度的條件下計算，如表1所示。

表1 工作狀態

平均電流I=ΣIiTi/ΣT=（10×59.97+60×0.01+800×0.02）/60=10.27（μA）

4 實驗結果

針對該設計的低功耗和測量精度分別進行了實驗測試。在溫度檢定時0 ℃在冰水混合物中，溫度10 ℃以上在油浴中進行。測量結果如表2所示。

表2 原始誤差和修正后誤差檢定實驗數據

通過對比，發現經過修正后溫度誤差≤±0.1 ℃，達到≤±0.2 ℃的設計要求。

由于整體功耗與采樣精度及記錄間隔密切相關，實驗在13位精度記錄間隔為1 min條件下進行，用Agilent34401A來測量記錄儀的工作電流。由于工作電流具有周期性和跳躍性，利用34401A的峰值撲捉功能，測得整體最大電流為856.3 μA，最小電流為9.6 μA，平均電流為11.5 μA，和理論計算基本吻合。這樣一塊容量450 mAh的電池每分鐘記錄一次，連續測量時間（h）=電池容量/平均電流=450 000 μAh/11.5 μA =39 130 h，即54月，大約為4.5年，功耗達到了設計要求[4]。

5 結語

通過對隨行溫度記錄儀采用微型化、低功耗設計，減小了體積，降低了功耗，能使微型記錄儀工作更久。同時采用獨特的不銹鋼外殼結構，使得該記錄儀可以在多個領域、復雜的場合下可靠工作。同時它的微型化和節能設計也為設計其他類似電子儀器提供了參考。