王 玥，李宏義

（新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 新鄉(xiāng) 453006）

在化工、食品、醫(yī)療等產(chǎn)品的生產(chǎn)、運(yùn)輸及存儲(chǔ)等過(guò)程中不同階段，為保證產(chǎn)品得到最佳品質(zhì)，連續(xù)跟蹤溫度非常關(guān)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(shè)計(jì)了一種體積僅相當(dāng)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(nèi)的微型記錄儀。

1 溫度記錄儀工作原理

溫度傳感器測(cè)量外界溫度，微處理器對(duì)傳送來(lái)的溫度信號(hào)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)壓縮保存在內(nèi)部隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM）中，通過(guò)計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)讀出。

溫度傳感器放置在不銹鋼殼體內(nèi)，并與內(nèi)壁具有良好的熱傳導(dǎo)，能靈敏感應(yīng)到殼體的溫度。殼體采用不銹鋼設(shè)計(jì)，利用外殼通信，不再單設(shè)通信接口，可以長(zhǎng)期工作在各種惡劣環(huán)境甚至酸堿液體里[1]。通過(guò)接口電路與計(jì)算機(jī)通信，記錄儀的開(kāi)、關(guān)機(jī)及通信都通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作。

記錄儀測(cè)溫范圍為-40～+85 ℃，溫度分辯率為0.062 5 ℃，測(cè)量精度為±0.2 ℃，能記錄4 000個(gè)數(shù)據(jù)，記錄間隔可以任意設(shè)定，內(nèi)部一次性鋰電池使用壽命＞5年。

2 記錄儀電路微型化設(shè)計(jì)

2.1 溫度測(cè)量及轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)

微型化設(shè)計(jì)既要縮小電路板面積、又要降低耗電量同時(shí)還要保證測(cè)量的精度，不能用傳統(tǒng)的溫度測(cè)量及轉(zhuǎn)換電路。Maxim研制的數(shù)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(shù)值，在0～+70 ℃最大誤差≤±0.5 ℃，經(jīng)過(guò)修正可以將測(cè)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(guò)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(jié)能設(shè)計(jì)

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(guān)系，IDLE時(shí)的工作電流僅為ACTIVE電流的15%左右，充分利用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（Integrated Development Environment，IDLE）可以降低工作電流：IDLE時(shí)CPU停止工作，僅定時(shí)器和外部中斷工作，利用中斷喚醒CPU，處理中斷后再次進(jìn)入IDLE，這樣僅短期被喚醒，其他長(zhǎng)時(shí)空閑，系統(tǒng)耗能很小。影響Mega328P工作電流的最主要因素是時(shí)鐘頻率，降低時(shí)鐘頻率可以極大地降低工作電流[3]。由于AVR系列單片機(jī)運(yùn)行速度達(dá)1 MIPS/MHz，采用32.768 kHz低頻晶振就能滿(mǎn)足運(yùn)算速度。這樣Mega328P在3 V電壓下ACTIVE狀態(tài)消耗電流為60 μA，IDLE狀態(tài)電流為10 μA，掉電狀態(tài)電流小于1 μA。DS620溫度轉(zhuǎn)換時(shí)工作電流是0.8 mA，不轉(zhuǎn)換時(shí)小于1 μA，轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換精度成正比，分辨率為0.5 ℃（10位）時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間為25 ms，0.062 5 ℃（13位）時(shí)是200 ms。通過(guò)設(shè)置轉(zhuǎn)換分辨率可以進(jìn)一步降低功耗。記錄儀工作電流可由公式（1）計(jì)算。

這里：Ii某狀態(tài)下工作電流，單位：μA

Ti該狀態(tài)持續(xù)時(shí)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(jì)算，如表1所示。

表1 工作狀態(tài)

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

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)該設(shè)計(jì)的低功耗和測(cè)量精度分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在溫度檢定時(shí)0 ℃在冰水混合物中，溫度10 ℃以上在油浴中進(jìn)行。測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 原始誤差和修正后誤差檢定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)修正后溫度誤差≤±0.1 ℃，達(dá)到≤±0.2 ℃的設(shè)計(jì)要求。

由于整體功耗與采樣精度及記錄間隔密切相關(guān)，實(shí)驗(yàn)在13位精度記錄間隔為1 min條件下進(jìn)行，用Agilent34401A來(lái)測(cè)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(cè)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(jì)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(xù)測(cè)量時(shí)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(dá)到了設(shè)計(jì)要求[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)隨行溫度記錄儀采用微型化、低功耗設(shè)計(jì)，減小了體積，降低了功耗，能使微型記錄儀工作更久。同時(shí)采用獨(dú)特的不銹鋼外殼結(jié)構(gòu)，使得該記錄儀可以在多個(gè)領(lǐng)域、復(fù)雜的場(chǎng)合下可靠工作。同時(shí)它的微型化和節(jié)能設(shè)計(jì)也為設(shè)計(jì)其他類(lèi)似電子儀器提供了參考。