pic18溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PAGEPAGE1基于PIC18的低功耗溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、系統(tǒng)組成整個(gè)系統(tǒng)包括PIC18F452最小系統(tǒng)電路、多點(diǎn)溫度采集測(cè)量電路（由MCU內(nèi)部A/D模塊實(shí)現(xiàn)）、電源模塊（向器件提供電源）、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路和液晶顯示和低壓檢測(cè)及報(bào)警電路（低壓檢測(cè)由MCU內(nèi)部LVD模塊實(shí)現(xiàn)）。電路如下圖所示：系統(tǒng)電路圖二.硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1PIC18F452及其外圍電路圖一PIC18F452是Microchip生產(chǎn)的低功耗和高速率的高性能增強(qiáng)型能閃存單片機(jī)。此設(shè)計(jì)中外圍電路包括復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、下載口電路，而時(shí)鐘電路中外部晶體振蕩器采用8MHz的晶體振蕩器，為系統(tǒng)提供精確的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，如果要求的頻率精度不需要高于正負(fù)5%，也可以使用所有納瓦器件和nanowattXLP器件都具有的內(nèi)部RC振蕩器，與外部RC振蕩器相比，內(nèi)部RC振蕩器的頻率穩(wěn)定度更高并且功耗也比外部振蕩器低，這樣就可以減少功耗。這些電路都采用3v的系統(tǒng)電源，也減少了功耗。2.2多點(diǎn)溫度采集測(cè)量電路圖二本設(shè)計(jì)中采用了片上8個(gè)ADC模塊的8個(gè)A/D模擬信號(hào)輸入通道，程序在運(yùn)行的過程中經(jīng)過內(nèi)部的一個(gè)多路開關(guān)，可以選擇任意一個(gè)通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。此設(shè)計(jì)中采用模擬輸入，如果采用數(shù)字輸入，當(dāng)輸入電壓接近VDD時(shí)，數(shù)字輸入的引腳會(huì)達(dá)到最低，但輸入電壓接近VDD和VSS之間的中點(diǎn)時(shí)，則數(shù)字輸入緩沖器內(nèi)的晶體管會(huì)偏置到線性區(qū)，他們將會(huì)消耗相當(dāng)大的電流。如果將該引腳配置為模擬輸入，則數(shù)字緩沖器會(huì)被關(guān)閉，使引腳電流和控制器總電流下降，這樣就降低了功耗。采用了8個(gè)電壓跟隨器，將熱敏電阻上采集到的電壓值通過電壓跟隨器傳送到PIC18MCU，以電壓跟隨器的高輸入阻抗低輸出阻抗特性，來(lái)保證采集到的電壓最大限度地輸入到MCU中。通過MCU內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模塊將采集到的各點(diǎn)熱敏電阻上的電壓值，經(jīng)過MCU，MCU便可根據(jù)電壓—電阻—溫度之間的關(guān)系計(jì)算出各點(diǎn)的溫度?？刂莆⑻幚砥魍獠侩娐返墓?，是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)電路中，需要確定哪些物理模式或狀態(tài)時(shí)必須的，以關(guān)閉不需要的電路。在此設(shè)計(jì)中由于數(shù)據(jù)采集不需要每時(shí)每刻都進(jìn)行，可以設(shè)為每十分鐘進(jìn)行一次，所以可以在不采集數(shù)據(jù)，未進(jìn)行A/D采樣的時(shí)候關(guān)閉該模塊的電路，在這10分鐘內(nèi)讓系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式。睡眠后，系統(tǒng)采用看門狗定時(shí)器（WDT）喚醒。WDT一次性無(wú)法定到10分鐘，但軟件中可以通過設(shè)置一個(gè)程序變量，讓MCU在被喚醒后判斷睡眠時(shí)間是否到了10min，到了則進(jìn)行下一次采樣，沒到再次進(jìn)入睡眠模式，直到過了10min。這樣便大大降低了系統(tǒng)的功耗，增加了電池的壽命，從而減小系統(tǒng)的功耗。2.3外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路圖三考慮到系統(tǒng)需要存儲(chǔ)30天內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，而溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每10分鐘采集一次溫度，每天則需要采集144次，每次得到8個(gè)數(shù)據(jù)，故30天共需存儲(chǔ)34560個(gè)溫度數(shù)據(jù)。溫度數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)成為float類型，對(duì)于PIC18來(lái)說(shuō)，一個(gè)float類型的數(shù)據(jù)占3個(gè)字節(jié)，故本系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器的要求是其數(shù)據(jù)容量必需大于103680個(gè)字節(jié)，但對(duì)其存取速度沒有太大的要求，故選用了24LC512型號(hào)的EEPROM，其數(shù)據(jù)容量為512k，最高數(shù)據(jù)傳輸速率為400kHz，工作電壓為2.5V—5.5V，適合用在本系統(tǒng)中。由于電路圖是用protues軟件畫的，一些芯片的引腳圖沒有VDD與VSS引腳，在現(xiàn)實(shí)的電路中可以直接用I/O口來(lái)控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路的供電，而非用系統(tǒng)電源直接供電，這樣可以體現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。而用I/O口來(lái)控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路供電時(shí)，使用較大的上拉電阻，這樣可以將電流減小，雖然使I方C總線電阻變低，但此系統(tǒng)中對(duì)存儲(chǔ)速度沒有很高要求，這樣能效會(huì)更高，體現(xiàn)了低功耗。2.4液晶顯示及報(bào)警電路圖四液晶顯示電路選用96*65位的Nokia7110液晶模塊，該液晶模塊功耗低，適用于電池供電的系統(tǒng)。本系統(tǒng)中采用RA4端口驅(qū)動(dòng)一個(gè)高亮度的紅色LED來(lái)進(jìn)行電壓下線報(bào)警，PIC18F452有高達(dá)25mA的高灌電流，足以驅(qū)動(dòng)LED。該部分電路的低功耗設(shè)計(jì)體現(xiàn)在通過MCU的I/O口來(lái)控制報(bào)警LED電路的供電，這樣可以有效降低系統(tǒng)的靜態(tài)功耗。液晶需要一直顯示溫度信息，故用電源一直供電。三、軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)部分，本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能是電源低壓檢測(cè)及報(bào)警、A/D采樣、A/D采樣數(shù)據(jù)處理及換算、溫度顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。電源低壓檢測(cè)及報(bào)警：通過設(shè)置MCU內(nèi)部LVD模塊的相關(guān)寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)電源的電壓小于設(shè)定值時(shí)，該模塊中斷標(biāo)志位LVDIF置1，此時(shí)便控制I/O口給報(bào)警電路上電，然后報(bào)警。A/D采樣：使用MCU的8路10位內(nèi)部A/D完成，通過配置相應(yīng)的寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。A/D采樣數(shù)據(jù)處理：該部分的軟件包括數(shù)字濾波和電壓—溫度的轉(zhuǎn)換算法。根據(jù)熱敏電阻特性的數(shù)據(jù)表，經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合得到的公式，可以完成電壓—溫度轉(zhuǎn)換的計(jì)算。溫度顯示：通過I/O口的操作，按液晶7110的讀寫時(shí)序完成液晶顯示。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：通過I2C總線與E2POM器件24LC512通信。系統(tǒng)軟件的流程圖設(shè)計(jì)如下：圖五5、數(shù)據(jù)分析及誤差分析1、A/D采樣誤差分析A/D模塊的精度主要由位數(shù)決定。本設(shè)計(jì)中MCU內(nèi)部的A/D為10位精度，其量化誤差為1/1024，對(duì)于溫度的精確采集，這樣已經(jīng)能夠達(dá)到要求。2、電壓—溫度轉(zhuǎn)換公式的擬合本系統(tǒng)中采用型號(hào)為PT100的熱敏電阻作為測(cè)溫元件，其溫度—阻值特性數(shù)據(jù)如下表所示：想要達(dá)到精確的溫度測(cè)量，除了A/D采樣結(jié)果準(zhǔn)確的要求，還必須對(duì)采集到的數(shù)字電壓值和實(shí)際溫度值之間的關(guān)系進(jìn)行建模，準(zhǔn)確地表達(dá)兩者間的計(jì)算關(guān)系。根據(jù)上表，截取一定比例的數(shù)據(jù)（從-20度到80度），及A/D采樣電路的參數(shù)，運(yùn)用MATLAB對(duì)其進(jìn)行一系列處理，然后擬合得出了經(jīng)A/D采樣后的數(shù)字電壓值與溫度之間的運(yùn)算關(guān)系，再對(duì)擬合進(jìn)行誤差分析。（1）首先對(duì)上表選定的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換為電路中對(duì)應(yīng)的數(shù)字電壓值，得到熱敏電阻在相應(yīng)溫度下對(duì)應(yīng)的數(shù)字電壓值U：[491.1

496.5

501.8

506.9

512

516.9

521.8

526.6

531.2

535.8

540.2

544.6

548.9

553.1

557.2

561.3

565.3

569.2

573

576.8

580.5]（2）得到各溫度下的對(duì)應(yīng)的數(shù)字電壓值后，運(yùn)用MATLAB擬合工具箱對(duì)溫度和數(shù)字電壓值的轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行擬合，得到的圖像如下圖所示:得到的曲線方程如下：T=1.119U-572.9對(duì)擬合的關(guān)系式進(jìn)行誤差分析，得到