基于DS18B20的低功耗温度测量系统设计

于 莉,师建军,路文玲

(天津城市职业学院,天津市 300250)

目前,测量温度有多种方法,如采用热电偶或者热电阻测量。这两种方法被测温度信号从敏感元件接收的非电模拟量开始,到转换为微处理器可处理的数字信号之间,设计者须考虑的线路环节较多,相应测温装置中元器件数量难以下降,随之影响产品的可靠性以及体积的微小化。[1]这两种方式存在着故障率高、抗干扰能力差、调试困难的缺点。

本文设计的温度测量系统,采用美国Dallas公司推出的一总线数字温度传感器DS18B20,该温度传感器直接输出的就是温度的数字量。主控芯片采用 TI公司的低功耗M SP430F123单片机,只需要3.6V供电。二者构成的低功耗测温系统结构简单、误差率低、功耗低、抗干扰能力强、扩展性好,可应用于环境控制和生产过程监控等领域。

一、芯片介绍

现在把系统设计中用到的两个关键芯片加以说明。

1.M SP430低功耗单片机[2]

M SP430系列单片机是美国 TI公司生产的超低功耗16位混合信号微控制器,性能特点如下:

(1)低电源电压范围:2.2V-3.6V。

(2)超低功耗,低工作电流:1.3uA在4KHz、2.2V;160uA在1M Hz、2.2V。

(3)五种省电模式(备用模式:0.8uA;RAM保持关闭模式:0.1uA);从备用模式唤醒只需6us。

(4)16位精简指令集结构,125ns指令周期。

(5)4 K+256字节FLASH存储器,128字节RAM。

(6)看门狗定时器Watchdog Timer,可用作通用定时器。

(7)带有3个捕捉/比较寄存器的16位定时器 Timer_A。

(8)2个具有中断功能的8位并行端口:P1与P2。

2.DS18B20数字温度传感器[3]

由DALLAS半导体公司生产的DS18B20单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器。DS18B20采用3脚 TO-92封装或8脚的SO IC封装,如图1所示。

各引脚的功能:GND为电压地;DQ为单数据总线;VD为电源电压;NC为空引脚。DS18B20可以采用两种方式供电,一种是采用电源供电方式,此时DS18B20的GND脚接地,DQ脚作为信号线,VD脚接电源;另一种是寄生电源供电方式,此时 GND脚和VD脚均接地,DQ脚作为信号线。

DS18B20数字温度传感器的性能特点如下:

(1)测温范围为-55℃～+125℃,测量分辨率为0.0625℃。

(2)电压范围为3.0～5.5V。

(3)独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信。

(4)多个DS18B20可以并联在惟一的3线上,实现多点组网功能。

(5)温度以9或12位数字量读出。

(6)零待机功耗。

(7)用户可定义的非易失性温度报警设置。

(8)负电压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,只是不能正常工作。

图1 DS18B20引脚图

二、系统硬件设计

1.硬件整体设计

本文设计的低功耗温度测量系统主要由三个模块构成,如图2所示。主控模块采用低功耗MSP430F123单片机实现数据的处理;传感器模块采用DS18B20数字温度传感器进行温度采集;显示模块是用串口直接接收单片机的温度信号,用串口调试软件在PC机上显示、监控。

2.硬件电路图

系统硬件电路如图3所示。整个系统采用+3.6V供电。PWR_L ED是整个系统的电源指示灯。主控芯片MSP430F123可以通过JTAG实现程序下载和系统在线调试。DS18B20采用单总线方式和单片机相连,DS18B20的3脚(GND脚)接地,1脚(VCC脚)接电源,信号线2脚(DQ脚)接M SP430F123的I/O引脚P25,且DQ脚要接5KΩ左右的上拉电阻。M SP430F123通过与MAX232的接口实现单片机与PC的串口通信。

图2 系统硬件整体设计框图

图3 系统硬件电路图

三、系统软件设计

本系统的程序设计采用适用于M SP430系列单片机的C430语言,编程环境是利用IAR公司提供的集成调试环境Workbench和C430语言调试器C-SPY进行编译,直接下载至M SP430片内Flash内存,即可实现脱机运行或在线调试。

1.主程序设计

主程序的开始先初始化各模块,包括:单片机寄存器、计数器、中断、串口等。然后调用DS18B20温度采集子程序对温度进行采样,连续采样5次,计算平均值作为采样值,再调用串口发送子程序,把温度采样值传至PC机显示。整个主程序的流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

图5 DS18B20温度采集子程序流程图

2.DS18B20温度采集子程序设计

DS18B20采用单总线驱动,所有的输入和输出的信号都在一条导线上进行传输,因此对于总线的驱动时序要求很高。DS18B20温度采集子程序流程图如图5所示。DS18B20温度传感器与M SP430单片机构成的低功耗测温系统,彻底改变了传统的温度测量方法,通过一线总线实现信号双向传输,具有结构简单、误差率低、功耗低、扩展性强等优点,在环境控制和生产过程监控等领域具有广泛的实用意义。

[1]刘海萍,苏世彬.基于DS18B20的温度采集系统设计[J].科技信息,2009,(11).

[2]秦龙.MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲[M].北京:电子工业出版社,2007.