周 曉，張春生，張希文，李英雪，王建順

(中國石油塔里木油田公司天然氣事業(yè)部，新疆庫爾勒 841000)

溫度測(cè)量被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，在工業(yè)鍋爐供暖控制系統(tǒng)運(yùn)行效果的檢查，電力變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，大中型恒溫倉庫溫度控制等方面都需要對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)。該測(cè)儀系統(tǒng)設(shè)備少且簡(jiǎn)單，投資小對(duì)環(huán)境要求較低，能自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和處理，并能自動(dòng)記錄與顯示結(jié)果，可靈活應(yīng)用于遠(yuǎn)程電力網(wǎng)監(jiān)控，油田測(cè)井系統(tǒng)，樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域［5］。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

便攜式低功耗檢溫度測(cè)儀以MSP430F247低功耗單片機(jī)為控制 CPU，采用一體化智能溫度傳感器DS18B20作為數(shù)據(jù)采集模塊，利用nRF905無線傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，檢測(cè)儀設(shè)有RS232通信接口，可與計(jì)算機(jī)直接通信，同時(shí)可通過無線模塊將數(shù)據(jù)按規(guī)定格式發(fā)送到上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行分析及處理;實(shí)際采用方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)方案

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

按照超低功耗電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，電源電壓和時(shí)鐘頻率是系統(tǒng)是否具有低功耗性能的核心，在設(shè)計(jì)硬件電路和系統(tǒng)軟件的初期，需要考慮系統(tǒng)的各項(xiàng)功能;盡量通過編寫軟件來代替部分硬件電路的功能，例如可通過單片機(jī)系統(tǒng)的定時(shí)器功能替代時(shí)鐘芯片等硬件電路來減少系統(tǒng)能耗，用單片機(jī)所具有的脈沖計(jì)數(shù)特性實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)、檢測(cè)等功能，另外隨著節(jié)能降耗技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)生活中得到廣泛推廣，不同的單片機(jī)廠商都推出了具有低功耗特性的微處理器。其中以TI公司生產(chǎn)的MSP430超低功耗系列應(yīng)用較為廣泛，MSP430超低功耗系列微處理器具有低電壓和低頻率條件下工作的特點(diǎn)，該系列單片機(jī)在低功耗模式下運(yùn)行電流＜2 μA，在低電源電壓范圍(1.8～3.6 V)下能正常工作。同時(shí)在完整的低功耗電路系統(tǒng)中，外圍硬件電路的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，在滿足系統(tǒng)檢測(cè)和控制等指標(biāo)性能要求的條件下，盡量選用與系統(tǒng)微處理器工作電源相匹配的具有低功耗特性的電子元器件。

3 溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸方式設(shè)計(jì)

Dalla半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器為一線總線式溫度傳感器，一線總線的特點(diǎn)方便用戶組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，新一代的DS18B20體積更小，更經(jīng)濟(jì)、靈活;其溫度測(cè)量范圍為－55～+125℃;精度為±0.5℃;現(xiàn)場(chǎng)溫度以一線總線的數(shù)字方式傳輸，提高系統(tǒng)的抗干擾特性。適合與環(huán)境較為復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如:環(huán)境控制、設(shè)備過程控制、測(cè)量類消費(fèi)電子產(chǎn)品等［2］。DS18B20通過單總線的方式發(fā)送和接收各種操作命令;另外該檢測(cè)系統(tǒng)可以利用DS18B20特有的序列號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)充，可靈活應(yīng)用于多點(diǎn)溫度測(cè)量，將傳感器掛在單總線上，分別放在不同的地方檢測(cè)儀器設(shè)備運(yùn)行溫度及恒溫廠房溫度檢測(cè)等。

數(shù)據(jù)采集完成后根據(jù)需要選擇通過nRF905自動(dòng)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)或直接存儲(chǔ)并不進(jìn)行發(fā)送，待所有數(shù)據(jù)采集完成后通過RS232接口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，由上位機(jī)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。系統(tǒng)電路如圖2所示［3］。

圖2 系統(tǒng)電路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量做到在大多時(shí)間只有微處理器在運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)不工作時(shí)讓微處理器處于低功耗模式或休眠狀態(tài)，并將切斷系統(tǒng)時(shí)鐘，對(duì)時(shí)鐘應(yīng)做到忙時(shí)少用，不用關(guān)閉的設(shè)計(jì)思想。由于系統(tǒng)中需要得到明細(xì)溫度數(shù)據(jù)，采取每5 s啟動(dòng)一次，轉(zhuǎn)換結(jié)束后立即存儲(chǔ)，然后進(jìn)入LPM3模式，在接到上位機(jī)的上傳命令后再啟動(dòng)nRF905進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳工作，并反復(fù)循環(huán)。

DS18B20通過單線總線的所有執(zhí)行或處理都從一個(gè)初始化序列開始，初始化序列包括一個(gè)由總線控制器發(fā)出的復(fù)位脈沖及其后由從機(jī)發(fā)出的存在脈沖，存在脈沖讓總線控制器知道 DS18B20在總線上且已準(zhǔn)備好操作，一旦總線控制器探測(cè)到一個(gè)存在脈沖，就可以發(fā)出5個(gè)ROM命令中的任一個(gè)，DS18B20需要嚴(yán)格的協(xié)議以確保數(shù)據(jù)的完整性。協(xié)議包括幾種單線信號(hào)類型:復(fù)位脈沖、存在脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1。所有這些信號(hào)，除存在脈沖外，都由總線控制器發(fā)出;與DS18B20之間的任何通訊都需要以初始化序列開始，一個(gè)復(fù)位脈沖跟著一存在脈沖表明DS18B20已準(zhǔn)備好發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，適當(dāng)?shù)?ROM命令和存儲(chǔ)器操作命令［4］。根據(jù) DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過4個(gè)步驟:每次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。當(dāng)主機(jī)收到DS18B20的響應(yīng)信號(hào)后，便可發(fā)出操作命令采集數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

便攜式低功耗溫度檢測(cè)儀利用MSP430F247優(yōu)越的超低功耗性能構(gòu)建以MSP430F247微處理器為核心的超低功耗溫度檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)從電子元器件選擇、電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過軟件及硬件充分結(jié)合，系統(tǒng)布局，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)檢測(cè)低功耗的特點(diǎn)［5］。系統(tǒng)測(cè)試平均電流僅為10 μA。文中實(shí)踐了用軟件代替硬件的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)中通過使用MSP430F247定時(shí)器編寫時(shí)鐘模塊產(chǎn)生1 s中斷，用軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)鐘，優(yōu)化微處理器外圍電路的設(shè)計(jì)，減少了器件和系統(tǒng)總功耗。該檢測(cè)系統(tǒng)體積小，功耗低，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，下位機(jī)軟件提供方便的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析處理、顯示等功能，操作使用方便靈活，能夠節(jié)省大量的人力物力，具有一定的應(yīng)用前景。

［1］ 賈伯年.傳感器技術(shù)［M］.南京:東南大學(xué)出版社，2000.

［2］ 賈振國.DS1820及其高精度溫度測(cè)量的實(shí)現(xiàn)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2000，26(1):58 －59.

［3］ 朱穎莉.基于nRF24L01的礦井無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.科技廣場(chǎng)，2008(10):194 －196.

［4］ 張毅剛，彭喜元，姜守達(dá)，譚曉昀.新編MCS－51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)［M］.3版.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［5］ 姜忠良.溫度的測(cè)量與控制［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.