張元浩 劉 歡 李 鑫

（沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院，沈陽 110142）

近年來，隨著電子產(chǎn)品的不斷升級，人們對低功耗設(shè)計越來越重視，使得功耗成為衡量電子產(chǎn)品設(shè)計是否成功的一項重要指標(biāo)[1]。例如，智能手機(jī)、筆記本電腦和智能儀表等電子產(chǎn)品，人們希望它們耗電少，工作時間長。因此，電子產(chǎn)品的低功耗設(shè)計成為一個重要課題。

本研究以溫度采集報警系統(tǒng)的低功耗設(shè)計為主要目的，通過各模塊的電路設(shè)計和軟件編程，在保證溫度測量精度的基礎(chǔ)上有效降低系統(tǒng)功耗，為進(jìn)一步設(shè)計更低功耗的溫度采集報警系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)由MSP430單片機(jī)、時鐘模塊、溫度檢測模塊、全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications，GSM）模塊、按鍵模塊和顯示模塊等部分構(gòu)成，如圖1所示。

系統(tǒng)工作時，溫度傳感器把采集的溫度信息通過單總線傳給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)分析處理后，將實時溫度通過液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）模塊顯示。當(dāng)溫度超過設(shè)置的報警閾值時，則進(jìn)行報警。單片機(jī)通過時鐘模塊獲得時間信號。此外，設(shè)計的按鍵模塊可以實現(xiàn)溫度與時間顯示的切換以及按鍵喚醒功能。

2 各模塊硬件設(shè)計

2.1 MSP430單片機(jī)模塊

作為系統(tǒng)的控制核心，單片機(jī)選擇TI公司推出的16位MSP430單片機(jī)。該單片機(jī)不僅功耗極低，而且具有運(yùn)算速度快、處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，多應(yīng)用于便攜式智能儀表。

MSP430單片機(jī)的供電電壓為1.8～3.6 V，工作電流非常小。RAM保持模式下，它的電流僅為0.1 μA。實時時鐘模式下，它的電流為0.7 μA。工作模式下，它的電流為200.0 μA，并可在6 μs之內(nèi)從待機(jī)模式下快速喚醒。MSP430單片機(jī)集成了超低功耗Flash存儲器、多個不同性能的數(shù)模電路和一個16位超低功耗精簡指令集（RISC）CPU。在25 MHz晶體驅(qū)動下，它的指令周期為40 ns，且在一個指令周期內(nèi)可以完成大部分指令[2]。另外，MSP430單片機(jī)內(nèi)部資源豐富，使用時方便靈活。

2.2 時鐘模塊

實時時鐘采用低功耗、高性能、帶RAM的DS1302芯片。DS1302芯片可以準(zhǔn)確計時，且具有閏年自動補(bǔ)償功能[3]。它與單片機(jī)之間采用三線接口進(jìn)行同步通信，在保持?jǐn)?shù)據(jù)和時鐘信息時的功率小于1 mW。時鐘模塊電路圖，如圖2所示。

2.3 溫度檢測模塊

溫度檢測采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。DS18B20與單片機(jī)之間僅通過一條口線即可實現(xiàn)雙向通信，測溫范圍是-55～+125 ℃，可編程分辨率為9～12位[4]，其中在12位分辨率下把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字的時間不超過750 ms。分辨溫度可以根據(jù)需要，在0.500 0 ℃、0.250 0 ℃、0.125 0 ℃和0.062 5 ℃進(jìn)行合理選擇。它不僅測量范圍廣，測量精度高，而且實時性高。

2.4 顯示模塊

采用HT1621D驅(qū)動LCD顯示。HT1621D是一個128段（32×4）的存儲器映射多功能LCD驅(qū)動器。電路上電復(fù)位，通過片選、讀、寫端對RAM進(jìn)行操作，并通過命令端設(shè)置狀態(tài)。該電路的各個掃描端相互獨(dú)立，容易修改RAM數(shù)據(jù)，因此顯示內(nèi)容靈活。此外，HT1621D設(shè)置有省電命令，能有效降低功耗。

2.5 GSM模塊

GSM模塊采用尺寸較小的SIM800L，采用省電技術(shù)設(shè)計，休眠模式下的電流低至1.11 mA，性能優(yōu)于SIM900/M590，支持中國移動、中國聯(lián)通，自適應(yīng)波特率檢測范圍為1 200～115 200 b·s-1。串口為晶體管-晶體管邏輯（Transistor-Transistor Logic，TTL）串口，可以與單片機(jī)直接連接，不需要MAX232。它可以自動尋找網(wǎng)絡(luò)，有一個小的發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）燈來展示搜尋網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，可以很直觀地展示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。系統(tǒng)發(fā)送短信利用的是AT命令集接收口[5]，僅通過40引腳的ZIF連接器即可實現(xiàn)電源連接、控制信號的雙向傳輸?shù)榷囗棌?fù)雜功能。

2.6 按鍵模塊

該模塊設(shè)計6個按鍵，分別是K1、K2、K3、K4、K5和K6。其中：K1和K2鍵用于時鐘設(shè)置，包括設(shè)置時鐘的年、月、日、時、分；K3和K4鍵用于溫度報警閾值的設(shè)置，包括“溫度加”和“溫度減”；K5鍵的功能是進(jìn)行溫度與時間顯示的切換；K6鍵具有系統(tǒng)喚醒功能，當(dāng)按下按鍵時，系統(tǒng)中斷，由單片機(jī)向NPN型晶體管基極提供高電平使三極管導(dǎo)通，DS18B20和LCD通電工作。按鍵模塊電路如圖3所示。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計對降低系統(tǒng)的功耗具有重要作用。一方面，對每個信號的翻轉(zhuǎn)或者對外部存儲器的訪問都由軟件控制，所以在設(shè)計軟件時應(yīng)多使用內(nèi)部cache和寄存器變量，盡量減少對外存的訪問次數(shù)。另一方面，要及時響應(yīng)中斷[6]。系統(tǒng)軟件由主程序、測溫子程序、GSM子程序、時鐘子程序、LCD顯示子程序和按鍵子程序組成。它以主程序作為核心，其他子程序依照主程序進(jìn)行設(shè)計。主程序用于系統(tǒng)初始化，進(jìn)入主循環(huán)程序后進(jìn)行溫度檢測，并判斷溫度是否超過報警閾值、讀時鐘和顯示等方面的控制。主程序流程如圖4所示。

4 結(jié)語

系統(tǒng)在控制器的選取、各模塊硬件設(shè)計和軟件編程方面均以低功耗為主要目的，有效降低了系統(tǒng)功耗。此外，系統(tǒng)成本較低，功能實用，測量精度高，數(shù)字時鐘實時顯示，性能穩(wěn)定可靠。在當(dāng)前人們對低功耗設(shè)計要求越來越高的趨勢下，該系統(tǒng)具有良好的推廣應(yīng)用價值。