超低功耗溫度測(cè)量與顯示方案

摘要

溫度測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，被大量應(yīng)用于電廠(chǎng)、建材、煤化工、冶金、供熱、工程機(jī)械熱處理、煤質(zhì)化驗(yàn)等溫度測(cè)控領(lǐng)域。實(shí)現(xiàn)高精度、低功耗溫度監(jiān)測(cè)成為多種行業(yè)的需求，本文介紹了一種超低功耗溫度測(cè)量顯示系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，給出了其硬件連接方式及軟件工作流程，對(duì)超低功耗設(shè)計(jì)方法給出具體思路。

硬件連接

談到低功耗方案設(shè)計(jì)，有過(guò)單片機(jī)開(kāi)發(fā)經(jīng)歷的工程師基本都會(huì)想到歐美知名芯片廠(chǎng)商的MSP430超低功耗MCU，MSP430在功耗控制方面處在行業(yè)領(lǐng)先水平，但片內(nèi)資源有限，在進(jìn)行高精度溫度測(cè)量時(shí)需要采集溫度傳感器的微弱信號(hào)，12位的片內(nèi)ADC就不能滿(mǎn)足要求，需要外加儀表放大器和高精度ADC，以滿(mǎn)足溫度傳感器信號(hào)的高精度測(cè)量，通常選擇AD7794或ADS1220做模擬信號(hào)采集。也有產(chǎn)品中使用國(guó)內(nèi)知名芯片廠(chǎng)商的MCU進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，該MCU內(nèi)置儀表放大器和16位ADC，在熱電阻溫度測(cè)量應(yīng)用中，需要外加運(yùn)放搭建恒流源，且MCU的功耗較大，休眠模式下電流70μA，增加外部運(yùn)放后，整個(gè)方案的功耗更加難以控制，在測(cè)量精度和產(chǎn)品壽命方面沒(méi)有保障。

現(xiàn)介紹基于SDIC的SD8318實(shí)現(xiàn)的溫度測(cè)量方案，該芯片集成了豐富的片內(nèi)資源，可使用最少的外圍器件，實(shí)現(xiàn)溫度的高精度、低功耗測(cè)量與顯示，主要的功能包括：

• 24 bits高精度ADC
• 低噪聲儀表放大器，內(nèi)置電路有效抑制漂移
• 內(nèi)置OP，可借助外部電阻搭建1路程控恒流源
• 低功耗工作模式
• LCD顯示驅(qū)動(dòng)，內(nèi)置升壓電路，可在低電壓時(shí)維持高亮度
• 多級(jí)電池電壓檢測(cè)
• 內(nèi)置EPROM可用于存儲(chǔ)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)
• 一路16 bits PWM輸出
• 一路UART通信
• 一路片內(nèi)溫度傳感器

上面所介紹的功能都是進(jìn)行溫度表頭設(shè)計(jì)必須具備的，SD8318將上述功能集成在芯片內(nèi)部，大大簡(jiǎn)化了片外電路的復(fù)雜程度，更少的外圍電路，對(duì)整體方案的一致性、功耗水平等方面都有很好地保障。

下面以PT100/PT1000熱電阻溫度測(cè)量、顯示方案為例，介紹基于SD8318的電路方案。

圖1. 基于SD8318的熱電阻測(cè)量電路

圖1介紹了基于SD8318實(shí)現(xiàn)的PT100/PT1000溫度測(cè)量方案，包括穩(wěn)壓電路與多級(jí)低壓檢測(cè)模塊（使用2節(jié)干電池供電時(shí)，LDO電路可省略）、液晶顯示模塊、恒流源驅(qū)動(dòng)電路、按鍵輸入、熱電阻測(cè)量電路及SD8318借助芯片內(nèi)部的高精度ADC、OP等資源，可使用最少的外圍電路實(shí)現(xiàn)整套電路方案設(shè)計(jì)。

SD8318內(nèi)部集成的PGIA和ADC電路可很好的保證傳感器信號(hào)測(cè)量精度，搭配軟件上的溫度轉(zhuǎn)換算法，可在-100~400℃范圍內(nèi)誤差小于0.1℃。

軟件流程

不同品牌的溫度表頭產(chǎn)品具有不同的功能，軟件流程也就各不相同，這里重點(diǎn)介紹在降低功耗方面所涉及的軟件工作流程。

為了降低系統(tǒng)功耗，方案中使用了SD8318的正常工作模式、待機(jī)模式和休眠模式，表頭工作時(shí)，使用正常工作模式與待機(jī)模式，通過(guò)降低正常工作時(shí)間來(lái)降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2. 軟件工作流程

根據(jù)圖2，完整的工作過(guò)程包括幾種工作狀態(tài)：

第一步，開(kāi)機(jī)時(shí)會(huì)有60秒鐘的連續(xù)工作過(guò)程，會(huì)開(kāi)啟背光，并連續(xù)刷新顯示；當(dāng)有按鍵操作時(shí)，也會(huì)進(jìn)入這種狀態(tài)。這種設(shè)計(jì)主要用于生產(chǎn)操作，如校表時(shí)需要連續(xù)工作以保證校準(zhǔn)精度和提高生產(chǎn)效率；

第二步，關(guān)閉功能模塊，進(jìn)入待機(jī)模式，此時(shí)不關(guān)閉液晶顯示，不刷新顯示數(shù)據(jù)；待機(jī)模式可有效地降低工作電流，保留顯示的情況下，整機(jī)功耗在0.04mW左右，屬于超低功耗水平；

第三步，退出待機(jī)并進(jìn)入正常工作模式，首先打開(kāi)正常測(cè)量時(shí)用到的功能模塊，如AVDDR、OP等，并給一定穩(wěn)定時(shí)間，整個(gè)過(guò)程在70ms左右，平均功耗在2.1mW左右；

第四步，啟動(dòng)ADC、PGIA，開(kāi)始測(cè)量，完成一次穩(wěn)定結(jié)果讀取并刷新顯示，整個(gè)過(guò)程大約300ms左右，平均功耗3.5mW左右；

從上述分析過(guò)程，以3S為周期的工作工作循環(huán)中，2.6S的時(shí)間都處于待機(jī)狀態(tài)，極大的降低了產(chǎn)品功耗。此外，方案中還可以增加休眠模式，在表頭長(zhǎng)時(shí)間不用時(shí)，可通過(guò)按鍵進(jìn)入休眠模式，此時(shí)僅1μA左右的電流消耗。

功能擴(kuò)展

除熱電阻溫度測(cè)量方案外，SD8318在熱電偶、壓力、液位等傳感器測(cè)量中同樣有優(yōu)勢(shì)。片內(nèi)溫度傳感器支持單點(diǎn)校準(zhǔn)，可在熱電偶測(cè)量應(yīng)用中做冷端參考，也可使用外部溫度傳感器，借助多個(gè)模擬信號(hào)輸入通道實(shí)現(xiàn)。UART通信功能，可擴(kuò)展無(wú)線(xiàn)傳輸、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等。

SD8318支持一路高精度PWM輸出，在外加調(diào)整管的情況下，可實(shí)現(xiàn)4~20mA輸出，滿(mǎn)足兩線(xiàn)制電流輸出型變送器設(shè)計(jì)需求。

小結(jié)

本文給出的基于SD8318實(shí)現(xiàn)的熱電阻溫度測(cè)量，以極低的功耗完成溫度的高精度測(cè)量與顯示工作，具有極強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。豐富的片內(nèi)資源，極大的降低外圍電路的復(fù)雜程度，縮減硬件成本。此外，還可擴(kuò)展無(wú)線(xiàn)傳輸功能，4~20mA電流輸出型變送器等。